（工程热物理专业论文）熔化极气体保护焊传热与传质过程的数值研究.pdf

摘要 熔化极气体保护焊( g m a w ) 操作方便、生产效率高，被广泛 应用于各工业领域的焊接生产中，包括汽车、航空、造船、国防、石 油、电子等工业。随着生产自动化要求的提高，选择最佳的操作参数 对获得安全、高效、高质量的焊接过程十分重要。本研究数值模拟了 不同焊接条件下g m a w 中的传热与传质现象，讨论了有关的物理机 理。本研究首先利用流体体积法( v o f ) 和连续介质模型建立了二维 非稳态的g m a w 统一模型。该模型可用于预测g m a w 焊接过程中 瞬态的输运现象，包括等离子电弧的结构与变化，焊丝熔化、熔滴形 成、脱离、过渡和射入到熔池内，以及熔池输运特性等。利用该二维 模型研究了焊丝的熔化现象和合理送丝速度的确定，以及保护气体成 分对等离子电弧特性和金属过渡的影响。另外，考虑熔滴过渡、重力、 电磁力、电弧压力和表面张力等的作用，建立了三维数值模型预测了 g m a w 移动焊接过程中复杂的输运现象，以及焊接参数对焊缝表面 波纹形成的影响。 送丝速度必须与焊丝熔化速度保持动态的平衡以获得稳定的焊 接过程。由于与其它焊接参数强烈耦合、以及熔滴周期性过渡的影响， 送丝速度的确定非常复杂。利用二维数学模型，分析了焊丝中的传热 和熔化现象，以及送丝速度对焊接稳定性的影响；得到了不同条件( 焊 接电流和焊丝直径) 下，可获得稳定焊接的送丝速度，计算结果与实 验结果相吻合。研究表明，合理的送丝速度为一个窄幅的连续区域， 在此范围内可获得稳定的焊接过程。焊丝熔化速度具有一定的自我调 整能力，在一定范围内可随送丝速度动态调节，并与之相平衡。在这 个区域之外，送丝速度太慢会使焊丝烧导电嘴，太快会伸入到熔池内。 利用二维模型，数值研究了在连续恒定电能输入和恒定电流强度 下，保护气体成分对g m a w 焊接过程中瞬态输运现象的影响。模拟 了纯a r ，7 5 a r + 2 5 h e ，5 0 a r - t - 5 0 h e 和2 5 a r + 7 5 h e 气氛下的g m a w 过程中电弧区和金属区内的输运现象。研究发现， 在a r 保护气体中掺入h e ，对电弧参数的瞬态分布、熔滴形成和过渡 过程、以及焊缝形状和熔深都有重要的影响。结果显示，不同保护气 体的热物性( 如电离能、电导率、导热系数、比热和粘性系数等) 在 高温下差别显著，因此其电离产生的电弧具有不同的特性。由于氦的 电离能较高，因此，当保护气体中的氦含量增加时，电弧发生显著收 缩，电弧的形状由喇叭口形变成锥形。纯a r 气氛下，沿工件表面的 电弧压力呈高斯分布；在高氦气氛下，电弧压力不再呈高斯分布，其 顶部较平而峰值减小。高氦气氛下，随着电弧的收缩，熔滴底部出现 向上的电磁力，延长熔滴悬于焊丝上的时间。因此，形成了扁圆形的 熔滴以及更低的过渡频率。预测结果与实验观察到的现象相一致。 利用三维模型预测了g m a w 移动焊接过程中熔池内的速度、温 度和浓度的分布及其动态特性，重点研究了各焊接参数对焊波特征的 影响。本研究发现焊波形成的机理与熔池表面的振荡幅度和焊接凝固 速率有关，得到了不同焊接参数( 如焊接电流，熔滴的大小、过渡频 率和射入速度，焊接速度等) 对焊波形状、间距和高度的影响。计算 结果显示，在高焊接电流下，熔滴尺寸变小，过渡频率和射入速度增 大，导致熔池内剧烈的对流，凝固速度减小，从而形成更加细密的焊 波。 该研究有助于理解g m a w 焊接过程的机理，更好地选择g m a w 焊接过程的送丝速度、保护气体成分以及其它焊接参数，以提高焊接 生产的质量和效率，从而提高工业过程的生产效率，降低生产成本。 关键词：熔化极气体保护焊，电弧等离子，熔滴过渡，送丝速度，保 护气体，焊波，数值模拟 a b s t r a ct g a sm e t a la r cw e l d i n g ( g m a w ) h a sb e e na p p l i e df o rj o i n t i n go fm e t a l i nb r o a di n d u s t r i e sd u et oi t sh i g hp r o d u c t i v i t y , s i m p l i c i t ya n de a s eo f u s e ， s u c ha s a u t o m o t i v e ，a e r o s p a c e ，s h i p b u i - l - d i n g ，d e f e n s e ，o i l ，m e m s ， e l e c t r o n i c sa n dm a n yo t h e ri n d u s t r i e s w i t ht h ei n c r e a s eo fm e c h a n i z a t i o n a n da u t o m a t i o n ，s e l e c t i o no fo p t i m u mo p e r a t i n gp a r a m e t e r so fg m a w b e c o m e si n c r e a s i n g l ye s s e n t i a l f o rh i g h e rw e l dq u a li t y , p r o d u c t i v i t ya n d s a f e t y t h i ss t u d yp r e s e n t san u m e r i c a li n v e s t i g a t i o no nt h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e ro c c u r r i n gi ng m a wu n d e rv a r i o u sw e l d i n gc o n d i t i o n s a2 d c o m p r e h e n s i v em a t h e m a t i c a lm o d e le m p l o y i n gt h ev o l u m eo ff l u i d ( v o f ) t e c h n i q u e a n dt h ec o n t i n u u mf o r m u l a t i o ni s d e v e l o p e d ，c o u p l i n g t h e t r a n s i e n t p r o c e s s e s o fa r cp l a s m a s g e n e r a t i o na n dc h a n g e ；d r o p l e t f o r m a t i o n ，d e t a c h m e n t ，a n di m p i n g e m e n to n t ot h ew o r k p i e c e ；a n d w e l d i n gp o o ld y n a m i c s t h i sm o d e l i su s e dt os t u d yt h ee l e c t r o d em e l t i n g p h e n o m e n aa n dt h ed e t e r m i n a t i o no fw i r e f e e d - s p e e d ( w f s ) ，a n dt h e r o l e so fs h i e l d i n gg a sc o m p o s i t i o n si na r cp l a s m aa n dm e t a lt r a n s f e r f u r t h e r m o r e ，b yc o n s i d e r i n gt h ec o m b i n e de f f e c t so fd r o p l e ti m p i n g e m e n t ， g r a v i t y , e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，p l a s m aa r cf o r c ea n ds u r f a c et e n s i o nf o r c e ， a3 dm o v i n gg m a wm o d e li s d e v e l o p e dt op r e d i c tt h ec o m p l e x t r a n s p o r tp h e n o m e n aa n dt h e i re f f e c to nt h ef o r m a t i o no fr i p p l e so nt h e b e a ds u r f a c e i ng m a w , t h ec o n s u m a b l ee l e c t r o d ew i r em u s tb ec o n t i n u o u s l yf e di n s u c has p e e dt h a ti tb a l a n c e st h ee l e c t r o d em e l t i n gr a t ei no r d e rt oa c h i e v e as t a b l ew e l d i n g d u et ot h e s t r o n gi n t e r p l a yw i t ht h eo t h e rw e l d i n g v a r i a b l e sa n d p e r i o d i c o s c i l l a t i o n si n d u c e d b y t h ef o r m a t i o na n d d e t a c h m e n to fd r o p l e t ，t h ed e t e r m i n a t i o f fo fw f si sv e r yc o m p l e x t h e 2 dm o d e lisu s e dt oe x a m i n et h et h e r m a lp r o c e s sa n dm e l t i n gp h e n o m e n a i nm o v i n ge l e c t r o d e ，a n dt h ei n f l u e n c eo fw f so ns t a b i l i t yo fw e l d i n g p r o c e s s t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ee f f e c t so fw e l d i n gc u r r e n ta n de l e c t r o d e d i a m e t e r ，t h ee q u i l i b r i u mw f sf o rs t a b l ew e l d i n gp r o c e s s e su n d e rv a r i o u s c o n d i t i o n sa r ep r e s e n t e d i ti sf o u n dt h a t - t h ee l e c t r o d ee x t e n s i o nl e n g t h f l u c t u a t e sa saf u n c t i o no ft i m ei nan a r r o wr a n g ei nw h i c ht h ee l e c t r o d e m e l t i n gc a n s e l f - a d j u s t i t s e l fl e a d i n gt oa ne i ：l u i l i b r i u mw f sf o ras t a b l e w e l d i n g ；o t h e r w i s em a yl e a dt oe i t h e rt h ee l e c t r o d eb u m b a c ko rt h e i i i e l e c t r o d es t i c k - o n t ot h ew e l dp 0 0 1 t h ep r e d i c t e de q u i l i b r i u mw f sa r ei n g o o da g r e e m e n t sw i t ht h ep u b l i s h e de x p e r i m e n t a ld a t at h a tw e r eo b t a i n e d t h r o u g ht h et r i a l - a n d - e r r o rp r o c e d u r e b a s e do nt h e2 dm o d e l ，t h ee f f e c t so fs h i e l d i n gg a sc o m p o s i t i o n so n t h et r a n s i e n tt r a n s p o r tp h e n o m e n a o c c u r r i n gi ng m a w o fm i l ds t e 宝l a ta c o n t i n u o u s l yc o n s t a n te l e c t r i ce n e r g yo rc o n s t a n tc u r r e n tw e r es t u d i e d t h eb e h a v i o r so fp l a s m aa r ca n dm e t a lt r a n s f e rf o rg m a w o p e r a t i n gi n a r c so f p u r ea r g o n ，7 5 a r + 2 5 h e ，5 0 a r + 5 0 h ea n d2 5 a r + 75 h ea r eo b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea r c si nv a r i o u s s h i e l d i n gg a s e sb e h a v ev e r yd i f f e r e n t l yd u et ot h es i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei n t h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yt h ei o n i z a t i o np o t e n t i a l 、m t ht h e m o r ea d d i t i o no fh e l i u mc o n t e n t ，r e s u l t si n1 ) t h ec h a n g eo fp l a s m aa r c s h a p ef r o m b e l l l i k et oc o n e - l i k ea n d2 ) t h ec h a n g eo fa r c p r e s s u r e d i s t r i b u t i o na l o n gt h ew o r k p i e c es u r f a c ef r o mg a u s s i a n - l i k et of i a t - t o p w i t hd e c r e a s i n gp e a kv a l u e i nh i g hh e l i u ma r c ，t h ea r cb e c o m e s i n c r e a s i n g l y c o n t r a c t e da n dp r o d u c e sam o r e s i g n i f i c a n tu p w a r d e l e c t r o m a g n e t i c f o r c en e a rt h ec a t h o d e ，l e a d i n gt ot h e d r a m a t i c a l l y d i s t o r t e dd i s t r i b u t i o n so fa r cp a r a m e t e r s t h ei n c r e a s eo fh e l i u mc o n t e n t a n dt h er e s u l t i n ga r cc o n t r a c t i o ni n d u c ea nu p w a r de l e c t r o m a g n e t i cf o r c e a tt h eb o a o mo ft h ed r o p l e tt h a ts u s t a i n st h ed r o p l e ta tt h ee l e c t r o d et i p t h u s ，t h em o r eo b l a t ed r o p l e ta n dt h el o n g e rd r o p l e tf o r m a t i o nt i m ea r e p r o d u c e d t h eb e h a v i o r so ft h ep r e d i c t e dd r o p l e ts h a p ea n dd e t a c h m e n t f r e q u e n c ya r ec o n f i r m e db yt h ep u b l i s h e dr e s u l t s t h e3 dm o d e li se m p l o y e dt op r e d i c tt h et r a n s i e n td i s t r i b u t i o n so f v e l o c i t y , t e m p e r a t u r ea n ds p e c i e s ，w e l dp o o ld y n a m i c sa n ds u r f a c e t i p p l i n go nt h es o l i d i f i e dw e l db e a dd u r i n gag m a wp r o c e s s i ti sf o u n d t h a tt h es u r f a c er i p p l e sa r ef o r m e db yt h e i n t e r p l a y b e t w e e nt h e u p a n d - d o w nw e l dp o o ld y n a m i c s ，c a u s e dm a i n l yb yt h ep e r i o d i cd r o p l e t i m p i n g e m e n t s ，a n dt h er a t eo fw e l dp o o ls o l i d i f i c a t i o n t h ee f f e c t so f v a r i o u sw e l d i n gp a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gt h ew e l d i n gc u r r e n t ，d r o p l e ts i z e ， d r o p l e tf r e q u e n c y d r o p l e ti m p i n g i n gv e l o c i t y , a n dt r a v e ls p e e do nt h e p i t c h ( d i s t a n c eb e t w e e n t w or i p p l e s ) a n d h e i g h t o ft h e r i p p l e a r e i n v e s t i g a t e d a th i g hw e l dc u r r e n t ，t h ei m p i n g e m e n to fs m a l ld r o p l e t s w i t hv e r yh i g hf r e q u e n c yp r o d u c e st h es t r o n gw e l dp o o lc o n v e c t i o na n d s l o ws o l i d i f i c a t i o nr a t e ，f o r m i n gf i n ea n dd e n s er i p p l e s i v t h i ss t u d yw i l lh e l pt o p r o v i d ear e l i a b l ea n dp r o d u c t i v ew e l d i n g t e c h n o l o g yf o raw i d er a n g eo fi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s i tw i l lh a v eam u c h b r o a d e ri m p a c ta n db e n e f i ta sf o l l o w s ：1 ) t h ei m p r o v e df u n d a m e n t a l u n d e r s t a n d i n g o fa r cp l a s m aa n dm e t a lt r a n s f e ri ng m a w ；2 、) t h e s i g n if i c a n ta d v a n c ei ng m a w p r o c e s sw i t ht i g h ts e l e c t i o no fo p e r a t i n g p a r a m e t e r s ，s u c ha sw f s ，s h i e l d i n gg a sc o m p o s i t i o na n ds oo n ，a n dh e n c e t h ei n n o v a t i o ni nm e t a l - j o i n i n gt e c h n i q u e ；3 ) t h ea d v a n c et h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i v i t yo fp r o d u c i n gh i g hq u a l i t yw e l d i n gc o m p o n e n t s ，t h e r e b y r e d u c i n go v e r a l lp r o d u c t i o nc o s t s k e y w o r d s ：g a sm e t a la r cw e l d i n g ，a r cp l a s m a ，m e t a lt r a n s f e r , w i r e f e e ds p e e d ，s h i e l d i n gg a s ，w e l dr i p p l e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 博士论文 符号说明 符号说明 常数，见方程( 2 - 1 9 ) 磁通矢量 自感应角向磁场 比热 系数，见方程( 2 1 1 ) 渗流系数，见方程( 2 1 0 ) 枝晶间距 质量扩散系数 熔滴直径 熔滴过渡频率 熔滴射入速度 电子电荷 质量分量 硫浓度 v o f 函数 体积分量或重力加速度 焓 母材金属与周围环境间的换 热系数 熔化潜热 工件厚度 蒸发潜热 焊接电流 电流密度矢量 阳极电流密度 径向电流密度 轴向电流密度 导热系数 渗透性，见方程( 2 1 0 ) 工件长度 s t e f a n b o l t z m a n n 常数 电弧金属界面上的有效导热 垂直于自由表面的矢量 压力 大气压力 表面张力 蒸气压力 保护气体流率 金属蒸气的质量蒸发率 对流损失热流 蒸发损失热流 辐射损失热流 柱坐标系统 气体常数 保护气体喷嘴的内径 焊丝直径 切向于自由表面的矢量 作用于金属的阳极区热流 作用于电弧的阳极区热流 作用于金属的阴极区热流 作用于电弧的阴极区热流 辐射热损失 时间 温度 参考温度 近阳极或阴极处电弧等离子 阳极或阴极的表面温度 蒸发温度 液相线温度 固相线温度 环境温度 二维模型r 方向速度；或者三 触元p风风q鼽蛳帅蚴m r如凡i&曲昂，丁乃般眦乃瓦l 凡b 岛c c 旬d d 现巧风 p厂广， g 乃如 日凰，j厶工以后k l 缸锄 博十论文 符号说明 维模型x 方向速度 电弧电压 二维模型，方向速度；或者三 维模型y 方向速度 一 速度矢量 焊接速度 相对速度矢量( k k ) 送丝速度 三维模型z 方向速度 蒸发率 电弧中心在x 方向上的瞬时 位置 训- z三维直角坐标 希腊字母 厨 热膨胀系数 y表面张力系数 勿c 葫 表面张力的温度梯度 勿矿口表面张力的浓度梯度 占表面发射率 r 自由表面曲率 触动力粘性系数 磁导率 电势 阳极材料的逸出功 电导率 电弧电流分布参数 电弧压力分布参数 电弧热流分布参数 - 密度 等离子切应力 m a r a n g o n i 切应力 阳极或阴极区厚度 时间间隔 初始值 电弧 母材金属 熔滴 液态 相对于固相速度 固态 焊丝 肋矽九磊q夕。万缸 际一d v y 圪k 氏w 形 砀 口6 d ， ， s w 博十学位论文 第一章绪论 第一章绪论 焊接是利用适当的手段，将两种或两种以上相互分离的同种或异种材料通过 原子或分子间的结合和扩散作用而连接成一体的工艺过程。随着现代工业生产的 发展和科技水平的进步，对焊接技术的要求越来越高。焊接方法种类繁多，迄今 为止已达数十种之多，新的焊接方法仍不断涌现。常用的焊接方法有电弧焊、电 阻焊、高能束焊( 电子束焊和激光焊) 、钎焊等。在实际生产中，焊接方法的选 取需要充分了解各焊接方法的特点及其适用范围，同时还需考虑所焊材料的性 质、产品结构与工艺要求。其中，电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法，包括手 弧焊、埋弧焊、等离子焊、钨极气体保护电弧焊( g a st u n g s t e n a r cw e l d i n g ，以 下简称g t a w ) 和熔化极气体保护电弧焊( g a sm e t a la r cw e l d i n g ，以下简称 g m a w ) 等【l 】o 熔化极气体保护电弧焊采用在可熔焊丝与被焊工件之间燃烧的电弧作为热 源来熔化焊丝与母材金属，两者融合形成焊接接头实现工件的相互连接，如图 1 1 所示。这种焊接方法可进行固定焊接和移动焊接的操作方式。被连续送进的 焊丝被不断地熔化并过渡到熔池，与熔化的母材金属融合形成焊缝。焊枪喷嘴向 焊接区喷出保护气体，使熔化的焊丝、熔池以及附近的母材金属免受周围空气的 氧化。这种焊接方法的主要优点在于操作简单，易进行不同厚度板材( 从1r n n l 到3 0r n l t l 甚至更大) 的全位置焊接，同时具有焊接速度较快、熔敷率较高的特 点，因此，生产效率高，易实现机械化和自动化。以氩气或者氦气作为保护气体 时，被称为熔化极惰性气体保护电弧焊( 简称m i g 焊) ；以非惰性气体与氧化性 气体( 0 2 ，c 0 2 ) 混合气体，或者c 0 2 气体或c 0 2 一0 2 混合气体作为保护气体时， 被称为熔化极活性气体保护电弧焊( 简称m a g 焊) 。g m a w 焊接技术被广泛应 用于机械制造、造船、汽车制造、航空航天、石油化工、电子技术等工业领域。 g m a w 焊接适用于大部分常用金属，包括碳钢，合金钢，不锈钢，铝、镁、铜、 钛及镍合金等。随着g m a w 焊接技术的不断发展和完善，它在现代化工业焊接 生产中的地位越来越重要。 本章首先回顾了g m a w 的历史及现阶段的发展，然后概括介绍了g m a w 焊接的基本原理，包括焊接电弧的物理基础与特性、熔滴过渡的类型、主要工艺 参数( 例如，焊接电流和电弧电压、焊接速度、焊丝参数等) 。接着，综述了关 于g m a w 焊接过程的研究现状，重点讨论了其中的一些“特殊 问题并将此作 为本课题研究的主要内容。最后，给出本课题的研究内容、方法和意义。 博十学位论文第一章绪论 母材会属 熔池 图1 - 1g m a w 焊接系统示意图 1 1g m a w 的历史及现阶段发展 g m a w 焊接在工业领域的应用可追溯到上世纪4 0 年代。1 9 4 8 年，h o b a r t 和d e v e r s 在美国b a t t e l l em e m o r i a li n s t i t u t e 提出并建立了最早的g m a w 焊接系 统，它使用了小直径的铝材焊丝和恒定电压的电源，1 0 0 a r 的保护气体。该系 统可提供较高的金属熔敷率，但是由于惰性保护气体的费用很高，限制了它的大 规模应用。1 9 5 3 年，二氧化碳开始被用作焊接的保护气体，很快被大量应用于 g m a w 系统中。l y u b a v s h k i i 和n o v o s h i l o v 最早将二氧化碳这种活性气体引入了 g m a w 系统中，用于大直径钢材焊丝的焊接。从此，钢材g m a w 焊接系统的 费用被大大降低了。1 9 5 8 1 9 5 9 年间，随着焊接电源技术和小直径焊丝( 0 9 1 6m m ) 制作工艺的发展，一种被称为短路过渡的g m a w 焊接工艺被提出。这 种焊接方式可利用较低的热输入焊接金属薄板，适合于各种位置的工件焊接，包 括平焊、立焊、仰焊等。因此，短路过渡的g m a w 焊接方式很快被广泛使用。 1 9 6 0 年代早期，喷射过渡的g m a w 焊接技术得到很大的改进。在这种焊接方式 中，由氩气和少量的氧气组成的混合气体被用作保护气体，氧气可改善电弧的稳 定性。6 0 年代中期，焊接电源技术的进步，促使脉冲式喷射过渡的g m a w ( g m a w - p ) 技术的出现。g m a w - p 的电源在基值电流和峰值电流问以一定的 频率和幅度相互转换，从而达到控制熔滴有规律地过渡到熔池的目的。脉冲电流 2 博士学何论文第一章绪论 g m a w 的主要优点是熔滴过渡可控，其平均电流比连续电流喷射过渡的临界电 流低，因而对母材的热输入量低，生产率高，焊接质量好。1 9 7 0 年代，焊接电 源技术的进一步发展，推动了g m a w 焊接系统，尤其是g m a w - p 系统的改进。 英国的焊接研究所( w e l d i n g i n s t i t u t e ) 研究并提出了脉冲频率和送丝速度问的线 性关系，该数学关系的算法为协同式( s y n e r g i c ) 脉冲焊接技术的出现奠定了基 础。协同式焊接系统使用的设备主要由响应速度快、输出脉冲频率较宽的逆变式 电源，以及带有检测送丝速度和电压的微机数字式送丝系统组成。焊接过程中， 计算机系统以一定的频率检测电压和送丝速度，自动调整脉冲频率以适应电弧的 变化。这种工艺方法可稳定地实现一个脉冲过渡一个熔滴( o d p p ) 。但是，由于 实际焊接中工艺参数较多，稳定的算法并不容易获得。1 9 9 0 年代，林肯电气公 司( l i n c o l ne l e c t r i cc o m p a n y ) 在焊接电源技术取得很大的突破，其在焊接电源 平台的设计可保证优化的电弧。例如，林肯电气公司将波形控制技术( w a v e f o r m c o n t r o lt e c h n o l o g y ) 应用于焊接系统【2 】，该系统融合了高频逆变、数字化控制和 谐波抑制的技术。软件设计提供了友好的人机界面，更重要是实现了数字化波形 控制技术在g m a w 中的应用，减小g m a w 的焊接飞溅，改善焊接成形，并在 要求较高的焊接工艺中成功应用。另外，新型的g m a w 焊接技术不断出现。例 如，在原电极旁设一旁路电极( 第二个电极) ，两个电极作用在同一熔池内，构 成了双电极的g m a w 焊接系统；这种系统可获得更快的焊接速度和更高的熔敷 率。激光+ g m a w 复合热源焊接结合了g m a w 焊接和激光焊接的优点；这种焊 接方法具有一般电弧焊高适应性的特点，又具有激光作为焊接热源的大熔深、高 速、低变形特点，是近些年迅速发展起来的优质高效焊接技术。 1 2g m a w 的基本原理 1 2 1 焊接电弧 电弧是一种气体导电现象，又是一种自持放电现象。在外加电能的作用下， 中性的气体分子或原子被电离成正离子和电子；同时，阴阳电极内部自由电子克 服电极表面的约束作用而飞离电极表面。因此，电弧中的带电粒子主要由电离的 气体介质、电极发射的电子以及部分金属蒸气组成。表1 1 给出了常见气体的有 关物理性质【3 】。气体的电离能大小表明其被电离的难易程度，亦即使气体保持一 定电离度( 单位体积内被电离的气体粒子数与总的气体粒子数之比) 时所需提供 的最低能量。表1 2 为常见金属的逸出功和电离能p 】。逸出功为使个电子从电 极表面飞出所需要的最f f 毛j , i , d n 量。逸出功低的元素，如l i ，其内部电子可在 较低能量输入下飞离金属表面。电弧两极的金属蒸发会产生大量的金属蒸气，同 博士学位论文 第一章绪论 时焊丝端头金属熔化后形成的熔滴在穿过电弧区时也会发生蒸发，因此，部分金 属蒸气将进入电弧区。一般，金属蒸气的电离能比保护气体小，在电弧区内混入 一定的金属蒸气后，会对电弧的性能产生显著的影响。含有较多数量金属蒸气的 电弧；其电弧温度较低但稳定性较好。 ， 表1 - 1 常见气体的有关物理性质 原子量或分密度1 导热系数2比热3电离能 子量 ( k g m 3 ) ( w m k ) ( j k g k ) ( e v ) a r3 9 9 51 6 6 0 1 75 2 11 5 7 h e4 o oo 1 71 5 5 1 9 22 4 5 c 0 2 4 4 0 1 1 8 3o 0 58 4 71 4 4 h 2 2 0 1 6o 0 82 o1 4 9 01 3 5 n 2 2 8 0 11 1 7o 2 31 0 4 01 4 5 1 1 大气压2 0 。c ：2 3 0 0 0 5 0 0 0 k ；3 定压，室温 表l - 2 几种常见金属元素的逸出功和电离能 元素a lc uf el i m g n it i 逸出功( e v ) 4 0 6 4 5 3 4 6 7 2 9 33 6 65 0 4 4 3 3 4 2 6 5 1 04 8 15 3 5 电离能( e v ) 5 9 87 7 27 8 75 3 97 6 47 6 3 56 8 2 在g m a w 焊接过程中，电弧热效应产生的热被用来加热和熔化焊丝和母材 金属，实现连接工件的目的。因此，焊 接电弧实质上是能量转换的载体，利用 气体电离导电过程将电能转化为焊接 所需的热能。阴阳电极之间产生的电弧 由三个不同的导电区域构成，依次为阳 极区、弧柱区和阴极区【3 】，如图1 2 所 示。电弧空间的绝大部分区域为弧柱 区，只有约1 0 1 0 由c m 的区间不是弧 k 柱区，而属于阴极区或阳极区。沿电弧 长度方向电压压降分布不均匀( 图 1 2 ) ，其中，阳极区和阴极区的电压压 降与弧长无关，而弧柱内的电压降则是 4 图1 - 2 电弧各区的电压分布 博十学位论文 第一章绪论 电流强度和弧长的函数。弧柱区不与电极直接接触，所以它并不直接加热和熔化 焊丝和工件。弧柱区的主要作用是使两电极之间的气体保持良好的电导体状态。 在弧柱区内，气体通过产生足够的电阻热，与气体散热相平衡，维持气体的高温 状态，使气体有足够的电离度( 即带电粒子数) ，从而实现弧柱区的良导体状态。 因此，电弧热效应取决于保护气体的电离能以及与散热能力有关的热物性( 如导 热系数、密度与比热等，见表1 1 ) 。其中，导热系数表明气体的热传导能力，气 体的密度与比热可用于表示热扩散能力的大小。例如，氩与氦相比，氩密度较大， 导热系数和比热较小，而电离能明显小于氦。因此，氩的热扩散能力较弱，能在 较低的能量下被电离，维持稳定的弧柱区。电弧两端的阴阳电极向弧柱并从弧柱 接收相应的带电粒子流，以维持电流的通路。阴极区提供电子流，接收正离子； 相反，阳极区提供正离子流，接收电子流。两个极区在实现导电任务的同时，通 过电阻热将电能转化为热能，对工件和焊丝进行加热和熔化。 1 2 2 熔滴过渡 g m a w 焊接的焊丝金属熔化后所形成的熔滴可通过以下三种主要型式过渡 到工件上：短路过渡、滴状过渡和喷射过渡，如图l 一3 所示。影响金属过渡的类 型的主要因素包括：焊接电流强度和模式，焊丝的材料和直径，焊炬之外焊丝的 伸出长度，以及保护气体成分和流量。以下概括介绍各种过渡类型的特点。 电流 ( a )l 图1 - 3g m a w 熔滴过渡形式：( a ) 短路过渡，( b ) 滴状过渡和( c ) 喷射过渡 1 ) 短路过渡 短路过渡发生在较低的焊接电流和焊丝尺寸范围内，产生面积小且凝固快速 的熔池，适合于薄板材料的焊接。在这种过渡方式下，熔滴在未从焊丝脱落情况 下与熔池直接接触，电弧瞬间熄灭，同时熔滴从焊丝过渡到熔池内。如图1 4 所 示，当焊丝端头与熔池接触时，随即产生非常高的短路电流，导致焊丝端头液态 博十学位论文第一章绪论 熔滴上的电磁收缩力迅速增加，于是熔滴在电磁力和表面张力的作用下被拉入熔 池。然后，焊丝上移，当焊丝端头与熔池分开后，电弧被重新引燃，加热和熔化 焊丝金属，进入下一次短路过渡的循环。因此，熔滴不经过弧柱区，焊丝以稳定 的频率与熔池接触，一般可达每秒2 0 一艺0 0 次。焊接电流呈周期的波动，电流增 加的速率必须足够高以保证焊丝加热充分和熔滴过渡稳定；但电流不能过高，以 避免熔滴剧烈分离导致熔珠飞溅等缺陷。 由于金属过渡仅发生在短路过程中，因此保护气体对金属过渡过程本身的影 响不大。但保护气体成分的改变会引起熔融金属的表面张力的变化，进而影响熔 滴尺寸和短路频率。保护气体会影响电弧的特性和母材金属的熔透深度。例如， 与惰性气体相比，二氧化碳气氛下的飞溅现象更严重，但是熔深更深。因此，在 以短路过渡方式焊接碳钢和低合金钢时，心一c 0 2 混合气体常被用作保护气体， 以获得较好的焊接质量和熔深深度。在非铁类金属焊接中，在氩中加入适量的氦 可增加熔深。短路过渡的优点还包括可处理焊接间隙差的问题；热输入量低，减 少焊接件的变形；电极利用率高。但是，焊接过程控制不善会导致熔透不完全的 缺陷，甚至出现冷隔或者冷压折等现象；也可能导致严重的飞溅，增加焊接件清 理的费用。 o “ + _ 电弧区_ - 短路+ ， 图l _ 4g m a w 短路过渡焊接过程示意图 2 ) 滴状过渡 所有保护气氛下，当电流相对较低时，金属过渡为滴状过渡方式；而对于纯 二氧化碳和纯氦气氛下，采用所有可行的电流强度均获得滴状过渡。在这种过渡 方式下，熔滴的直径大于焊丝直径。当熔滴足够大时，主要依靠重力和电磁力将 熔滴颈缩拉断。在富氩保护气氛下，当电流强度略高于短路过渡时的电流时，会 产生轴向滴状过渡，如图1 5 ( a ) 。然而，如果电弧过短，长大的熔滴可能接触到 6 博士学位论文 第一章绪论 工件，导致过热和严重的飞溅现象。因此，电弧必须保持足够长，确保熔滴在接 触到工件前脱离焊丝。在c 0 2 气氛下，当电流强度比短路过渡时的电流高得多 时，阻止熔滴脱离的力大于熔滴的重力，即发生非轴向滴状过渡，如图1 - 5 ( b ) 。 这种情况下，熔滴在脱离焊丝之前就偏离焊丝的轴线，甚至上翘。熔滴从焊丝端 头脱离后，熔滴一般也无法沿焊丝轴线过渡，即产生飞溅缺陷。滴状过渡的优点 在于可使用c 0 2 或者在心一c 0 2 混合气体作为保护气体，降低保护气体的费用； 适用于高速焊接系统。但是，可能导致明显的飞溅现象，焊接清理费用高；易发 生冷隔或冷压折等熔透不完全的现象；焊珠飞溅导致焊丝利用率下降。 图1 - 5g m a w 滴状过渡示意图：( a ) 轴向滴状过渡和( b ) 非轴向滴状过渡 3 ) 喷射过渡 喷射过渡是一种稳定的可有效避免飞溅发生的过渡方式，它一般出现在富氩 保护气氛下，焊接电流必须高于临界值( 被称为“转换电流”) 。转换电流与焊丝 直径成正比，还与焊丝金属的熔化温度、焊丝伸出长度、保护气体成分等参数有 关【1 1 。例如，直径1 6n u i l 低碳钢焊丝在9 8 a r - - 2 0 2 气氛下的转换电流为2 7 5a 【1 1 。有关实验研究【4 击】发现，在转换电流附近，熔滴尺寸和过渡频率发生剧烈的 变化。当焊接电流低于转换电流时，金属过渡为滴状过渡，熔滴过渡频率为每秒 几滴。当电流高于转换电流时，金属过渡为喷射过渡，熔滴尺寸非常小，过渡频 率可高达到每秒上百滴，熔滴沿焊丝轴线加速射入熔池内。喷射过渡可分为射滴 过渡和射流过渡。当焊接电流处在略高于转换电流的很小范围时，形成的熔滴尺 寸接近于焊丝直径，焊丝金属将熔化形成较明显的熔滴形式，脱离后以较高的加 速度沿焊丝轴线射向熔池，被称为射滴过渡。当焊接电流明显高于转换电流时， 焊丝端头熔化的金属在电弧热和电磁力的作用下，被挤压成笔尖状。从焊丝脱离 的熔滴尺寸非常小，以很高的速度射向熔池。由于熔滴过渡的频率非常高，熔滴 从焊丝尖端过渡时好像一条流向熔池的金属液流，因此被称为射流过渡。喷射过 渡的熔敷率高：焊丝利用率可达9 8 以上；焊缝形状好；飞溅少，几乎不需要焊 接后清理；焊接熔透完全。其缺点在于只能用在平板焊和平焊；焊接烟尘产生率 7 博十学位论文 第一章绪论 更高；焊接电弧温度高，热辐射强，需要更多的防护措施；纯c 0 2 保护气氛下无 法获得喷射