（材料加工工程专业论文）不锈钢单面焊接头性能及背面保护机理的研究.pdf

摘要 摘要 目前我国是世界不锈钢第一消费大国，预计到2 0 0 7 年中国不锈钢表观消费 量将达到5 0 0 万吨，相当于目前整个欧洲的消费量“3 。随着中国不锈钢事业的 蓬勃发展和不锈钢用量的迅猛增加，不锈钢的焊接量会越来越大，不锈钢的高 效焊接将成为必然发展趋势。因此，研究不锈钢高效焊接新技术具有重要意 义。 本文对不锈钢用高效连接材料及工艺的接头性能及背面保护机理进行了较 为全面、系统的研究： ( 1 ) 研制了一种埋弧焊用g d m a 3 0 8 金属芯焊丝，用于o c r l s n i 9 不锈钢的焊 接。研究结果表明，该焊丝脱渣性优良，克服了h o c r 2 1 n i l 0 实芯焊丝配合焊剂 2 6 0 产生“黑皮”的现象；热输入小，焊接速度比实芯焊丝的快，有利于防止 不锈钢焊接时奥氏体晶粒的长大。 ( 2 ) 对研制的埋弧焊用g d m a 3 0 8 金属芯焊丝配合陶瓷衬垫进行了单面焊双 面成形的试验研究。结果表明，焊接电流、焊接电压、焊接速度是影响单面焊 的主要因素：虽然陶瓷衬垫和焊剂的部分化学成份进入了焊缝，但对焊接接头 性能影响不大。对c o 。气保护药芯焊丝g d q a 3 0 8 l 配合陶瓷衬垫单面焊双面成形 进行了试验。结果表明，其单面焊的影响因素比埋弧焊的简单。陶瓷衬垫单面 焊双面成形技术可解决中厚度不锈钢板背面需要清根的问题，大大提高生产了 效率。 ( 3 ) 对不锈钢背面不充氩t i g 用g d q a 3 0 8 l - - t 一1 、g d q a 3 0 8 l t 一2 打底 焊棒及g d q a 3 6 l - - t 药芯焊丝进行了工艺评定，结果表明：焊缝背面保护良 好，无氧化现象，可免去背面充氩的准备工作，简化生产工艺，提高生产效 率。 ( 4 ) 在国内首次采用e r 3 0 8 l s i 和e r 3 1 6 l - s i 实芯焊丝配合氩一氦一二氧 化碳( a r + h e + c o ：) 多元混合气体进行了背面不充氩单面焊双面成形工艺的研 究。从氦气的电弧物理、实芯焊丝中的合金元素对焊缝背面保护机理的影响进 行了研究。结果表明，混合气体中氮气的比例大于4 5 时，焊接接头性能符合 相应的国家标准。混台气体中加入氦气可以提高焊接电弧的热输入，增加熔 北尿】业九掌 。学坝：e 学位论文 深，实际焊接时，必须以较快的速度进行焊接，从而有利于减少高温停留时 间，防止空气中氧、氮的侵入；用a n s y s 有限元模拟温度场的结果表明，氦的 比例占混合气体的6 0 b , - t ，熔池表面的温度比纯氩的高1 3 6 。c 。证实了氦气提高 熔池温度，有助于硅在熔池表面的聚集，从而有利于防止背面焊缝氧化的结 果。 关键词埋弧焊；金属芯焊丝；陶瓷衬垫；混合气体：电弧物理 摘要 a b s t r a c t c h i n ai st h el a r g e s tc o n s u r f l e ro fs t a i n l e s ss t e e l si nt h ew o r l da tp r e s e n t i ti s p r e d i c t e dt h a ts t a i n l e s ss t e e l sa p p a r e n tc o n s u m p t i o n w i l lr e a c h5m i l l i o nt o n si n2 0 0 7 ， w h i c hi se q u a lt ot h et o t a la m o u n to ft h a to fe n t i r ee u r o p e w i t ht h ev i g o r o u s d e v e l o p m e n ta n dt h ed r a s t i c a l l yi n c r e a s i n gc o n s u m p t i o no fs t a i n l e s ss t e e l s i n o u r c o u n t r y ，m o r ea n dm o r es t a i n l e s ss t e e l sw i l lh a v et ob ew e l d e da n dh i g he f f i c i e n t w e l d i n gw i l lb e c o m ea l li n e v i t a b l ed e v e l o p m e n t a lt r e n d a sar e s u l t ，i ti si m p o r t a n tt o r e s e a r c ht h et e c h n o l o g yo f h i g h e f f i c i e n ts t a i n l e s ss t e e l sw e l d i n g s t u d yo nw e l d i n gj o i n t sp r o p e r t i e so fh i 曲e f f i c i e n c yw e l d i n gm a t e r i a la n d p r o t e c t i o nm e c h a n i s mo fb a c kw e l do fs t a i n l e s ss t e e lw a sc a r r i e do u ts y s t e m a t i c a l l y a n dc o m p r e h e n s i v e l yi nt h i sp a p e r ： ( 1 ) am e t a lc o r e dw i r eg d m a 3 0 8f o rs u b m e r g e da r cw e l d i n gw a sd e v e l o p e d ， w h i c hc o u l db eu s e df o rw e l d i n g0 c r l8 n i 9s t a i n l e s ss t e e l e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a ti t sd e t a c h a b i l i t yi se x c e l l e n t a n dt h ew e l dh a sn o t 血ep h e n o m e n o no f “b l a c k s k i n s ；c o m p a r e dw i t hs o l i dw i r eh o c r 2 1 n i 2 0 ，i t sw e l d i n gs p e e dc a r lb ei n c r e a s e d i n t h es a r r l ew e l d i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hi sf a v o r a b l ef o rp r e v e n t i n gt h ea u s t e n i t i cg r a i n s f r o mc o a r s i n g ( 2 ) o n es i d ew e l d i n gb a s e do ns t a i n l e s ss t e e l sw a sp e r f o r m e db yu s i n gt h ea b o v e s e l f - m a d em e t a lc o r e dw i r ea n dc e r a m i cb a c k i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t w e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n gv o l t a g ea n dw e l d i n gs p e e da r et h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n g b a c kw e l ds h a p i n gi no n es i d ew e l d i n g a l t h o u g hl i t t l ec h e m i c a l sp e r m e a t e di n t ow e l d s e a m ，t h e yh a v en oo b v i o u se f f e c t so nt h ep r o p e r t i e so f w e l dj o i n t s e x p e r i m e n t so n c 0 2g a ss h i e l d i n gg d q a 3 0 8 lf l u xc o r e dw i r eo n es i d ew e l d i n gu s i n gc e r a m i c b a c k i n gw e r ea l s oi m p l e m e n t e d i t si n f l u e n c ef a c t o r sa r en o ta sc o m p l e xa st h a to f s u b m e r g e da r cw e l d i n g b a c kc h i p p i n gm a yb ea v o i d e da n dw o r k i n ge f f i c i e n c yi s i m p r o v e db yu s i n gc e r a m i cb a c k i n gi nw e l d i n g s t a i n l e s ss t e e lm e d i u mp l a t e f 3 1p r o c e d u r eq u a l i f i c a t i o no nt i gf l u x c o r e dw i r e ss u c ha sg d q a 3 0 8 l t 1 w e l dr o d ，g d q a 3 0 8 l t - 2w e l dr o da n dg d q a 3 1 6 - tf l u xc o r e dw i r e v e r ec a r r i e d o u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eb a c kw e l di sw e l lp r o t e c t e da n dn o to x i d i z e d s o b a c k i n gg a sc a nb ee x e m p t e df o rt h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gw e l d i n ge f f i c i e n c y ( 4 ) w e l d i n gs t a i n l e s ss t e e l sw i t hn ob a c k i n gg a sb yu s i n gs o l i dw i r ee r 3 0 8 l s i ， e r 316 l s ia n dm i x e dg a s e s ( h e + a r + c 0 2 ) w a sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m ea n dt h e 北京工业太学工学硕士学位论t 殳= p r o t e c t i o nm e c h a n i s mw a sa l s od i s c u s s e df r o mt h ev i e wo fa r cp h y s i c sa n dt h ea l l o y e l e m e n t si nt h es o l i dw i r e r e s e a r c h e ss h o wt h a tw h e nt h ep r o p o r t i o no fh e l i u mi nt h e a b o v em i x e dg a s e se x c e s s e s4 5p e r c e n t ，t h ew e l d i n gj o i n t sm e e tw i t hc o r r e s p o n d i n g n a t i o n a ls t a n d a r d ；h e l i u mg a s e si m p r o v eh e a ti n p u t ，d e e p e np e n e t r a t i o no fw e l d a sa c o n s e q u e n c e ，w e l d i n gs p e e dm u s tb ei n c r e a s e d ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt or e d u c i n gs t a t i o n t i m ei nh i 曲t e m p e r a t u r ea n dd i m i n i s h i n gt h et i m e i n t e r v a lo fr e a c t i o nb e t w e e nw e l d a n da i r ；t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ts i m u l a t e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sc o d e a n s ：y sr e v e a lt h a tw h e nt h ev o l u m ep e r c e n to fh e l i u mr e a c ht o6 0 t h e t e m p e r a t u r eo nt h em o l t e nm e t a li s1 3 6 h i g h e rt h a nt h a to fp u r ea r g o n s i l i c o ni n t h es o l i dw i r ec a nf l o a to n t ot h es u r f a c eo fm o l t e np o o ld u r i n gt h ep e r i o do fh i 曲 t e m p e r a t u r eb o o s t e db yh e l i u ma r ca n dr e a c t e dw i t ho x y g e n ，r e s u l t i n gi nf o r m i n ga b e do f t h i ns l a g ，w h i c ht a i la v o i dt h eo x i d a t i o no f b a c kw e l d k e y w o r d ss u b m e r g e da r cw e l d i n g ；m e t a l c o r e dw i r e ；c e r a m i cb a c k i n g ；m i x e dg a s e s ； a r cp h y s i c s i v 独创性说明 本人声明：所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：名醯，日期：巡：兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：丝：l ：- 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 国内外不锈钢焊接技术的发展与研究现状 自1 9 1 2 年h a r r yb r e a r l y 在英国发明不锈钢以来，不锈钢的发展十分迅速， 不锈钢产量和新钢种开发均得到长足发展，目前，全世界不锈钢产量达到1 9 3 0 万吨。近年来，随着经济的快速发展，不锈钢产业蓬勃发展，增长迅速，引起 了国内外极大关注：继1 9 9 8 年中国不锈钢进口1 0 0 万吨，成为世界第一进口大 国以后，2 0 0 0 年表观消费量增加2 0 ，达到1 7 0 万吨，超过世界不锈钢消费大 国日本，2 0 0 1 年增长3 0 ，达到2 3 0 万吨，超过美国，成为世界第一消费大 国，2 0 0 2 年增加4 0 ，达到3 2 0 万吨，是美国和日本之和。预测在未来的五年 内，随着国家g d p 的快速增长，随着三峡大坝、西气东输，青藏铁路、奥运和 上海世博会等重大工程的建设，中国不锈钢市场需求将快速增长，不锈钢使用 领域将不断拓宽。若按年增长率1 0 计算，到2 0 0 7 年中国不锈钢表观消费量将 达到5 0 0 万吨，相当于目前整个欧洲的消费量川。国内不锈钢表观消费量如图1 1 所示。 图1 1 国内不锈钢表现消费量 f i g 1 - 1a p p a r e n tc o n s u m p t i o no f d o m e s t i cs t a i n l e s ss t e e l 不锈钢材消费量的强劲增长，必将带动不锈钢焊接市场的快速增长：一方 面钢材品质的进步促使焊接材料更新换代，另一方面焊接高效化( 自动化) 进 程明显提速，促使焊接材料的品种结构调整加快。目前国内奥氏体不锈钢的焊 接方法仍主要以手工电弧焊、埋弧焊、氩弧焊为主，无论是焊接材料还是焊接 技术都与工业发达国家存在着较大的差距。因此，寻求高效、低成本、自动化 一1 一 北京工业大学工学硕士学位论文 的不锈钢焊接技术己成为我国批量焊接各类不锈钢的必然发展趋势。 1 1 1 不锈钢焊接冶金的国内外文献综述 不锈钢焊接在2 0 世纪三十年代就有早期的专利报导。五六十年代解决了焊 缝成形、焊缝的耐蚀性、热裂纹敏感性等问题，技术逐渐成熟。 奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的种类。钢号最多，生产和使用量约占不 锈钢总产量及用量的7 0 ，是一种十分优良的材料，它有极好的抗腐蚀性和生 物相容性，因而在化学工业、食品工程、生物医学、石油化工等领域得到广泛 的应用。奥氏体不锈钢焊接技术中，关于工艺和冶金方面的研究由来已久，而 且达到了很高的水平。 1 11 1 合金元素对不锈钢焊缝性能和显微组织的影响 ( 1 ) 氮的影响由于在奥氏体不锈钢中加入氮可以稳定奥氏体组织，其作 用相当于镍的2 5 倍左右( n i e q = n i + 0 5 m n + 3 0 c r + 2 5 n ，氮还可提高强度， 提高耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀性能、点腐蚀性能和耐缝隙腐蚀性能。因 此，近年来，以氮代镍的经济型高氮合金不锈钢迅速发展。焊接这类不锈钢时 可采取保护气体中添加氮气的方法来提高焊接接头的质量。m d ut 0 1 t 和 p c p i s t o r i u s 2 1 1 3 1 研究了母材中氮的含量、表面活性元素和保护气体中氮气的 分压对焊缝中氮的影响，并建立了氮的吸收和分解模型。保护气体中氮气的分 压比较低时，焊缝中氮的含量随保护气体中氮含量的增加而增加。保护气体中 氮气的分压较高时，焊缝中氮的吸收可被氮气的逸出所平衡。这张氦平衡的状 态不会被低硫合金的母材影响，但在高硫合金母材中，母材中氮的含量越高， 焊缝中氮的含量也越高。随着母材中氮含量的提高，焊缝中的氮饱和值也会增 大。因此在高硫合金中，保护气体中氮气的含量很少就可使焊缝中的氮达到饱 和。 文献【4 】认为，随着氩气中氮气的增加，焊接电压升高，因而在相同的电流 和焊速的情况下，热输入增加，峰值温度提高，残余应力增加；因氮是奥氏体 形成元素，随氮气含量的增加，铁素体量呈线性下降，也会导致残余应力的增 加，因此保护气体中氮气量越高，残余应力越大。当保护气体中氮气的含量不 超过2 时，铁索体的含量在低热输入时比高热输入对高，这是由于低热输入 时，焊缝冷却速度快，高温相6 铁素体来不及发生转变而残留在奥氏体中。 一2 一 第1 苹绪论 氮对奥氏体不锈钢焊接的影响一直存在争议。氮对晶间腐蚀没有明显的影 响，但氮对热裂纹则有较大的影响【53 ：( 1 ) n 可改变奥氏体的结晶模式，随焊缝 中氮的增加，焊缝的结晶模式可从a f f a 模式转变到a f 模式，a 模式，从而 提高焊缝的热裂纹敏感性；( 2 ) 由于氮可提高焊缝的热输入，a r 气中加入5 的 n 2 后，峰值温度可提高3 0 5 0 。c ，因而焊缝中的氮还有使晶粒粗化的效果。( 3 ) 氮对焊缝热裂纹的影响与钢的纯净度有关。当p + s 的水平相对较低( 3 1 6 l n 不锈钢含0 0 3 i p ，o 0 0 1 s ) 时，氮对热裂纹几乎没有什么影响。随p + s 含 量的增高，裂纹敏感性增加。硫对含氮焊缝的热裂敏感性尤为严重。 ( 2 ) 硫、磷的影响硫、磷在焊接奥氏体铜时极易形成低熔点化合物，增 加焊接接头的热裂倾向。磷容易在焊缝中形成低熔点磷化物，增加热裂敏感 性，而硫则容易在焊接热影响区形成低熔点硫化物而增加热裂敏感性【6 l ，即硫 对结晶裂纹的敏感性低于磷，这是因为在焊缝中硫能形成m n s ，并且离散地分 布在焊缝中。在h a z ，硫比磷对裂纹敏感性更强，这是因为硫比磷的扩散速度 快，更容易在晶界偏析。 ( 3 ) 硅的影响在过去的2 0 多年里，硅已经作为一种合金元素添加到钢 中，形成高硅合金不锈钢，用于高氧化环境如硝酸介质中。s i 是铁素体形成元 素，焊缝中含硅量大于4 之后，碳的活动能力增加，形成碳化物或碳氮化合 物，因此，为了提高抗晶间腐蚀能力，必须使碳含量不超过o 0 2 。此外，s i 含量增加，还会导致含硅脆性相析出，o 相区的扩大，以及形成n i s i 、f e - s i 、 c r - n i s i f e 等低熔点化合物，从而增加热裂敏感性。用扫描电镜可以观察到在 高温时，含硅相不仅存在于h a z 区，也存在于焊缝中。高s i 不锈钢的焊接性 较差，焊接这类钢时，首先应该注意焊缝中和高温时h a z 区脆性相的偏析，其 次还应注意在6 0 0 。c 8 0 0 。c 时h a z 区晶间相的析出。 ( 4 ) 氢的影晌由于氢在奥氏体中的溶解度较大，活动性较强，使得奥氏 体钢可用在一些含氢量较高的介质中。目前一些研究证明，在一些环境中，奥 氏体中的氢也有一些有害影响，但不如碳钢明显，例如，在单一的奥氏体组织 中，室温下氢化奥氏体的显微组织可出现表面延迟裂纹，并且促使奥氏体转变 为e m 或n m ，氢还会显著降低薄板材料的延性、降低焊缝的疲劳寿命： 在高压氢和熔融盐溶解液中氢可降低焊缝的机械性能。此外，不锈钢充氢后， 表面会出现裂纹，也会诱发马氏体相变，硬度值提高。硬度值和含氢量有关， 一3 一 北京工业太学工学硕士学位论文 含氢量越高，硬度值越大。s m 的形成对硬度值的改变并没有多大的影响， 硬度值提高的原因主要与氢溶入奥氏体晶格，使表面承受压应力有关悼1 。当氢 浓度c o 超过临界僮c o + ( 对于3 0 4 不锈钢来说，c o 。= ( 2 5 3 0 ) 1 0 _ 6 ) 后， 焊缝金属和母材就会出现氢致马氏体m ( e + a7 ) ，并且随氢浓度的升高而 升高。氢致马氏体引起的塑性损失则随马氏体量的升高而线性升高。1 。 1 1 1 2 不锈钢组织相图的研究进展目前不锈钢的组织相图有很多种，例如 舍夫勒相图、德龙相图、w r c 一1 9 8 8 、w r c - 1 9 9 2 和w r c - 1 9 9 9 等。这些相图均是 在电弧焊正常的冷却条件下根据焊缝中的化学成份来计算铁素体的含量。因而 产生的问题有：( 1 ) 计算和测量的铁素体含量不同。( 2 ) 同一填充金属的铁索体 量随焊缝位置和焊接条件( 如焊接速度，焊后热处理) 的变化而变化。( 3 ) 异种钢 焊接时，铁素体的含量还要随母材稀释率的变化而变化。此外，焊缝中n 的吸 收也会影响到铁素体量的变化”3 。因此，文献 1 0 1 1 提供了一种新的铁素体 预测方法，即o r f n 模型。该模型第一次同时考虑了合金成份和冷却速度来预测 铁索体的含量，根据冷却条件的不同，给出了二维和三维的冷却模型，如下式 所示： 充d = 2 死k p c p 陋q y ( r 7 一石) 3 ( 卜1 ) 毫。= 2 x k ( v q x t 一瓦) 2 ( 1 2 ) 式中于冷却速度( s ) ；k 热传导率( w c m 1 2 ) ：p 密度 ( g c m 3 ) ：c p 比热( j g ) ；v 焊接速度( c m s ) t 厚度( c m ) ； q 热源功率( w ) r 计算冷却速度的起始温度( ) ； t 。r - 一焊接前钢板 的温度( ) 。 根据板厚的不同，该模型使用了“相对板厚”t 的概念： f = t p c o v ( r - t o ) q ( 卜3 ) 如果- 2 0 ，使用公式( 卜2 ) ：如果1 。5 c 3 ) f i g 4 - 1 7g a u s sd i s t r i b u t i o ns o u r c e ( c l c 2 c s ) ：l -( 4 1 3 ) 2 盯。 式中，口( ，) 为半径，处的表面热流；为加热斑点中心的最大热流；i 是热源 集中系数，为与焊接方法有关的常数；7 7 为焊接热效率：为焊接热源分布参 数。 ( 1 ) 焊接热源有效利用率，7 的确定在焊接过程中由热源所提供的能量并 不是全部被利用，而是一部分用于熔化金属形成焊缝，而另一部分能量损失于 周围介质中，如传给母材由表面辐射及向热影响区传导散失热量。也就是说， 真正用于焊接的热量只是由热源提供的热量的一部分，这部分真正有效用于加 热焊件的功率为： 一6 5 北泉 ：业大学 一学硕士学位论文 q = r u ( 4 1 4 ) 式中，j 7 为焊接电弧功率有效利用率，简称焊接热效率。 在一定条件下，1 7 是常数，受多种因素影响，如焊接方法，焊接工艺参数 等。因此，口值的测定比较分散，不同的作者给出的数值差别比较大，参考文 献 5 3 及文献 5 4 ，本文中使用混合气体( a t 3 7 5 + h e 6 0 + 2 5 c 0 2 ) 作保护 气时，玎值取0 8 ：使用纯氨作为保护气体时，r 值取o 6 1 。 ( 2 ) 热能集中系数k 值的确定t 值说明了热能集中的程度，它主要决定 于焊接方法焊接工艺参数和被焊材料的导热性能等。七值与焊接热源分布参 数1 3 。的关系见式( 4 - - 1 3 ) 。国内外研究者给出的盯。值相差不大，参考文献 5 4 ，文中使用混合气体作保护气时，盯。取2 2 4 r a m 。使用纯氩作为保护气时， 盯。取2 2 5 r a m 。 4 5 2 温度场分析计算的基本理论与物理参数的确定 在温度场有限元分析中，首先应把求解离散化，即把求解域分为有限个单 元，在每个单元上选择某些节点，以节点的温度作为基本未知量，建立起单元 温度插值函数，并以单元的节点温度表示单元内任意点处的温度，这样整个求 解域就由有限个离散单元来代替，而在整个求解域上连续的温度也将由有限个 单元的温度插值函数来取代，从而把整个区域上连续分布的函数转化为求解有 限个单元节点的温度问题。 ( 1 ) 控制方程非线性瞬态热传导问题的控制方程为： 腰一o t ：旦f 坚 + 旦f 旯塑1 + 互 ( 4 1 5 ) 肛百。瓦l 瓦j + 万【旯万j 叫 一 式中，p 为材料的密度；五和c 分别为材料的导热系数和比热，它们是温度的 函数：百为内热源强度。 ( 2 ) 边界条件焊接时通常遇到的是热流和换热边界条件。 焊件边界与周围介质进行换热，热量的散失主要通过热辐射换热和对流换 热方式进行的，高温下散失的热量以辐射为主，低温下以对流为主。 对于对流换热：根据牛顿定律，对于某一与流动的气体或液体接触的固体 表面微元，其对流换热密度g 通过对流换热系数日与固体表面艺和环境温度l 第4 苹背面不充氩实芯焊丝单面焊及其背面保护机理研究 之差成比例，如下式： q = 1 - i ( l l ) ( 4 1 6 ) 对于辐射换热：根据斯蒂芬一波尔兹曼定律，受热单元的单位表面、单位 时间辐射的热量，即其辐射换热密度g ，通过热辐射系数盯、黑度占与固体表 面温度艺和环境温度瓦之差成比例，如下式： q = 驰眈4 一l 4 ) ( 4 一1 7 ) ( 3 ) 熔池内液体的流动熔池内流体的流动增加了材料的热传导速度，对 焊接过程的温度场有重要的影响。文中采用增大有效传导系数的方法，来间接 地考虑熔池内流体流动对整个温度场的影响，增大热传导系数的处理方法见文 献 5 5 。 ( 4 ) 材料的物理性能0 c r l 8 n i 9 不锈钢材料的热物理性能参数见表4 8 ，其中热导率、比热，熔化潜热是温度的函数，如表4 9 所示。 表4 80 c r l 8 n i 9 不锈钢材料的热物理参数 t a b l e4 - 8t h e r m a lp h y s i c a lp r o p e r t i e so f 0 c r l 8 n i 9s t a i n l e s ss t e e l 名称符号与单位数值 固相温度t s ( ) 1 4 0 0 液相温度 t l ( ) 1 4 5 0 粘度系数p - ( k g m s 1 ) 0 0 0 6 密度k g m q 7 9 3 环境温度 2 5 表4 90 c r l s n i 9 不锈钢材料的热物理性能与温度的关系 t a b l e4 - 9r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a t e r i a lp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dt e m p e r a t u r e 温度 热导率 比热熔化潜热 t z ( w l i t 一1 )c ( j 1 1 1 一1 )q ( j m 1 ) 0 1 2 5 0 1 5 0 1 3 + i 3 6 3 1 0 一寸 41 0 9 x1 0 6 + 1 1 3 8 x1 0 3 t 1 2 5 0 1 3 4 0 1 5 0 1 3 + 1 3 6 3 1 0 1 t4 1 0 9 1 0 6 + 1 1 3 8 x1 0 叶2 5 8 1 0 6 1 3 4 0 1 3 7 55 6 8 + 1 9 8 1 0 一 4 1 0 9 x 1 0 6 + 1 1 3 8 1 0 3 t1 3 2 6 1 0 + 1 3 7 5 1 4 0 05 6 8 + 1 9 8 1 0 1 t4 1 0 9 1 0 6 + l t1 3 8 x1 0 3 t6 4 9 6 1 0 1 4 0 0 8 4 5 25 7 0 6 2 1 0 “ 北京= 业大学l 一学硕士学位论文 i i 4 ，5 3混合气体氩弧焊数值模拟 利用所建立的焊接热传导过程的数学模型，对0 c r l 8 n i 8 不锈钢材料进行了 分析计算，模型尺寸为1 0 0 m m l o o m m l o m m 。实际焊接参数为：焊接电流 i o o a ，焊接电压为1 8 v ，焊接速度1 2 0 m m m i n 。 对模型建立几何实体前，给定热物性参数，见表4 8 及表4 9 。建立几 何实体模型后，将求解区域离散化，即划分网格。然后施加边界条件和载荷。 文中根据式( 4 - - 1 1 ) 计算g 时，分布半径，均取3 r a m 。最后通过后处理对结果 进行计算。 4 5 4 焊接过程数值模拟结果及分析 利用a n s y s 对混合气体( a t 3 7 5 + h e 6 0 + 2 5 c 0 2 ) 温度场的数值模拟 结果如图4 一1 8 所示，对纯氩温度场的数值模拟结果如图4 一1 9 所示，混合气 体不加填充丝的焊缝宏观组织见图4 2 0 ，实验和模拟的熔深和熔宽几何尺寸 见表4 1 0 。 图4 1 8 滢合气体( a r 7 5 + h e 6 0 + c 0 2 2 5 ) 钨极氩弧焊温度场 f i g 4 1 8t e m p e r a t u r ef i e f so f t i gw i t hm i x e dg a s e s 图4 1 9 纯氩时氮弧焊温度场 f i g 4 1 9t e m p e r a t u r ef i e l d so f t i gw i t ha r g o ng a s e s 一6 8 第4 章背面不充氩实芯焊丝单面焊及其背面保护帆理研究 图4 2 0 混台气体氩弧焊缝宏观组织 f i g 4 - 2 0m a c r o s t r u c t u r e