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山东大学硕十学位论文 高速g m a w 焊接焊缝成形缺陷机理的初步分析 摘要 在g m a w 焊接过程中，当焊接速度达到某一临界值时会出现咬边缺陷，进 一步提高焊接速度就会产生驼峰焊道。这些焊缝成形缺陷的出现限制了焊接速度 的进一步提高，从而影响生产效率的提高。通过研究和分析高速g m a w 焊接焊 缝成形缺陷的产生机理，提出防止和消除咬边和驼峰焊道的工艺措施，对于提高 焊接速度和焊接生产率，具有重要意义。 现有的咬边计算模型对熔池形状做了过大的简化，与实际情况有较大差距， 而且无法将咬边的产生与焊接参数条件联系起来。目前对于驼峰焊道的产生机理 还没有统一认可的理论模型，无法对其产生的根本原因进行详实的定量分析。 本文根据高速g m a w 的实际特点，选择合适的热源作用模式，考虑了电弧 运动对电弧热流和电弧压力分布的影响，合理处理熔滴过渡对焊接过程的影响， 建立了准稳态下的熔池数学模型，计算得到不同焊接参数条件下的熔池形状。基 于实际数值计算出的熔池形状，结合咬边流体静力学模型，将咬边的产生倾向与 焊接工艺参数联系起来，进行了预测。分析了不同焊接工艺参数对咬边深度的影 响。 结合实验结果，对熔池尾部堆积的液态金属进行受力分析，研究熔池前端壁 面流通道和尾部堆积区域交界过渡线上的受力平衡情况，初步分析了驼峰焊道的 产生过程。结果表明，熔池尾部堆积液态金属在重力和改变了方向的电弧压力及 熔滴冲击力的作用下长大至平衡，是驼峰形成的必要条件。 关键词：高速g m a w 焊，熔池形状，咬边缺陷，驼峰焊道，受力分析 i i i a b s t r a c t p r e l i m i n a r ya n a l y s i so fb e a dd e f e c t sf o r m a t i o nm e c h a n i s mi n h i g h - s p e e dg m a w a b s t r a c t i ng m a w w e l d i n gp r o c e s s ，w h e nt h ew e l d i n gs p e e dr e a c h e sac e r t a i nt h r e s h o l d ， t h e r ew i l lb eo n s e to fw e l db e a du n d e r c u td e f e c t s t h ef u r t h e ri n c r e a s i n go fw e l d i n g s p e e dw i l lc a u s eh u m p i n gb e a d t h eo c c u r r e n c eo ft h e s ew e l db e a dd e f e c t sl i m i t st h e r a n g eo fu s a b l ew e l d i n gs p e e di nm o s tf u s i o nw e l d i n gp r o c e s s e sa n dp r e v e n t sf u r t h e r i n c r e a s ei nw e l d i n gp r o d u c t i v i t y t h r o u g ha n a l y z i n gw e l db e a dd e f e c t sf o r m a t i o n m e c h a n i s mi n h i g h s p e e dg m a w , t e c h n i c a lm e a s u r e st op r e v e n to re l i m i n a t e u n d e r c u ta n dh u m p i n gw e l dc a nb ep r o p o s e da n dt a k e nw h i c hi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t oi m p r o v et h ew e l d i n gs p e e da n dw e l d i n gp r o d u c t i v i t y t h ep r e v i o u su n d e r c u tm o d e l sa leb a s e do nt h eo v e r s i m p l i f i c a t i o no ft h ep o o l s h a p e ，w h i c hl e a d st on o to n l yal a r g ed i f f e r e n c ef r o mt h ea c t u a ls i t u a t i o n s ，b u ta l s oa d i s a b i l i t yo fc o n n e c t i n gt h eo n s e to fb e a du n d e r c u t 、析t 1 1t h ew e l d i n gp a r a m e t e r s u pt o n o w , t h e r ei sn oa n yw e l la c c e p t e dm o d e lt od e s c r i b et h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo f h u m p i n gf o r m a t i o n i ti s u n a b l et oc o n d u c td e m i l e dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，f o rt h e e s s e n t i a lr e a s o nw h yh u m p i n gb e a di sf o r m e d i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h ea c t u a lc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h s p e e dg m a w ，t h e q u a s i s t e a d ys t a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo fw e l dp o o lw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ew e l d p o o ls h a p e su n d e r d i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e d t oe s t a b l i s hs u c ha m o d e l ，t h ek e y sa r et os e l e c tt h ea p p r o p r i a t eh e a ts o u r c em o d e ，c o n s i d e rt h ei n f l u e n c e o fa r cm o v e m e n tt ot h ea r eh e a tf l u xa n da r ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n , a n dd e a l 、航t l lt h e e f f e c to fm e t a lt r a n s f e ro nt h ew e l d i n gp r o c e s sr e a s o n a b l y t h r o u g hc o m b i n i n gt h ea c t u a lw e l dp o o lg e o m e t r ya n dd i m e n s i o nc a l c u l a t e d f r o mt h en u m e r i c a lm o d e l 诵mt h eh y d r o s t a t i cm o d e l ，t h eo n s e to fb e a du n d e r c u tw a s p r e d i c t e da n dl i n k e dw i t ht h ew e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s t h ee f f e c t so fw e l d i n g p r o c e s sp a r a m e t e r so nt h eu n d e r c u td e p t hw e r es t u d i e d i v 山东大学硕十学位论文 b a s e do nt h eo b s e r v a t i o no fh i g h - s p e e dg m a w ，t h ef o r c e sa c t i n go nt h e a c c u m u l a t i n gl i q u i dm e t a la tt h et a i lo ft h ep o o lw e r ea n a l y z e d t h ef o r c e - b a l a n c e c o n d i t i o n sa tt r a n s i t i o nl i n ew h i c hi st h ej u n c t i o no fw a l lj e ti nf r o n to fw e l dp o o la n d t h ea c c u m u l a t i o na tp o o lt a i lw e r ec h e c k e d o u t p r e l i m i n a r ya n a l y s i so fh u m p i n gb e a d f o r m a t i o nw a sc a r r i e do u t t h ea c c u m u l a t i n gl i q u i dm e t a la tt h et a i lo fp o o lg r o w su p u n t i lb a l a n c ei sr e s e a r c h e du n d e rt h ei n t e r a c t i o n so ft h eg r a v i t y ，a r cp r e s s u r ea n d d r o p l e ti m p i n g i n g ，w h i c hi st h en e c e s s a r yc o n d i t i o nf o rh u m p i n gf o r m a t i o n t h i s p h e n o m e n o nh a sb e e nv e r i f i e db yg m a we x p e r i m e n t k e yw o r d s ：h i g h - s p e e dg m a w , w e l dp o o ls h a p e ，u n d e r c u td e f e c t s ，h u m p i n gw e l d ， a n a l y s i so ff o r c e a c t i o n v 主要符号表 主要符号表 自由空间磁导率 口。 熔滴加速度 工件热输入 艿 电流密度分布参数 热流分布参数 v 单位时间熔敷金属体积 表面张力系数p液态金属密度 熔滴热焓 g 重力加速度 熔滴过渡频率 9 ( x ，y ) 熔池上表面形状函数 熔滴的质量 t 焊丝干伸长 熔滴到达熔池表面速度9熔化角 工件温度夕液面角 熔点 p 接触角 介质( 空气) 的温度 口0 ，b 。，b ： 电弧压力分布参数 拉格朗日常数 x ，少，z 直角坐标系 热交换系数 a , 口，b ，c 。 焊接热源分布参数 电弧压力修正系数_ 电流密度 焊件厚度玑等效阳极压降 焊接电压 a 焊丝的比电阻 焊接电流 v 焊接速度 焊丝的熔化速度d 。 熔滴直径 焊丝的直径 电弧压力 熔滴冲击力 ( 说明：这里只是列出主要符号每个符号在正文第一次出现时，都对其所代表的物理意义做了标注。) v i 肋 q 仃 鳊 d 丁 瓦 a 口 c 日 u ， 屯 巴 肌 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：堡叁鱼日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：互避导师签名：嫩日 期：兰型 山东大学硕士学位论文 1 1 选题意义 第一章引言 熔化极气体保护电弧焊( g m a w ) 具有生产效率高、焊接质量好、生产成 本低、易于实现自动化等优点【l 训。虽然在现代科学技术飞速发展的今天，出现 了许多更新更先进的焊接方法，但是g m a w 仍然以它独特的优势被广泛地应用 在各个领域的焊接生产之中。g m a w 应用的比例在工业发达国家各类焊接工艺 方法中已达4 0 以上，而在我国其应用比例与此数据仍有相当差距。另一方面， 自动化技术、人工智能理论等相关学科的长足进展为提高焊接生产效率提供了充 足的外部条件，使焊接生产的机械化、自动化和智能化程度不断提高，生产节奏 不断加快。同时，对焊接加工环节本身的生产速度提出了更高的要求。如果焊接 工艺不能及时适应这一需要，必将造成自动化生产中的“瓶颈”，成为阻碍生产 效率进一步提高的重要因素。因此，如何进一步提高焊接生产速度，已经成为制 造企业提高生产效率、增强市场竞争力的重要手段。 为提高焊接速度，需要在速度提高的同时增大焊接电流，以维持线能量大致 不变。但是实践表明，简单地通过提高焊接电流并不能实现稳定的高速焊接。焊 接速度的提高会带来一些与常规速度焊接时不同的问题，其中最主要的问题是焊 缝成形变差，出现咬边及驼峰焊道等焊缝成形缺陷【5 1 0 l 。由于这些因素的制约， 通常的g m a w 焊接速度不能超过i m m i n ，而生产中经常采用的速度则更被限制 在0 5 m m i n 以内。因此，如何解决高速焊接时焊缝成形变差的问题，特别是消 除或抑制咬边缺陷与驼峰焊道，是大幅度提高g m a w 焊接速度的关键。从机理 上搞清楚咬边缺陷与驼峰焊道产生的根本原因，对于防止或抑制这类焊缝成形缺 陷的产生，大幅度提高焊接速度，进而提高焊接生产效率，有着十分重要的理论 意义和工程应用价值。 本课题从g m a w 焊接过程中的熔池形态特点出发，通过建立熔池的数学模型 和受力模型，实现对焊道咬边倾向的预测；分析高速g m a w 焊接过程中驼峰焊道 的产生原因和形成机理。为设计和制定适合于高速g m a w 焊接的工艺方法和设备 提供基础依据和指导。 第1 章引言 12 焊缝成形缺陷的国内外研究鞠状 近年来，各国工业界和相关领域学者纷纷从焊接材料、焊接工艺和焊接设备 等方面探索解决高速电弧焊焊缝成形缺陷问题的方法阻”。目前对于焊接过程中 成形缺陷产生机理的研究还不是很成熟，但是也己经提出了一些有价值的机理或 模型。 12 1 咬边缺陷的研究现状 咬边是焊接过程中常见的焊缝成形缺陷，它是焊缝两侧的焊趾部位由于液态 金属未能填满而产生的沟槽或凹缝，是一种宏观表面缺陷1 1 0 1 ，如图1 1 所示。咬 边的出现不仅影响焊缝外观，还会导致焊缝区的应力集中，影响焊缝性能。研究 发现，咬边的产生也会促进驼峰焊道的产生【l ”。因此，避免咬边的产生是改善 焊缝成形，提高焊接速度的关键问题。 图l l 低碳钢板在g m a w 平焊中出现的咬边缺陷 对于咬边缺陷产生机理研究，目前主要有以下理论模型： ( 1 ) 有学者认为高速焊接时产生咬边的原因是电弧力造成的熔池后退效应l 芷 2 ”。由于焊接速度加快，熔化金属后退加大，使得焊道最宽处无法填满，就会 产生咬边。这一原理从经验现象上说明了咬边的产生的原因，但是无法解释内在 的产生机理。 ( 2 ) n i s h i g u c h i 和o h j i 将熔敷金属液体简化成为二维液柱，从描述液体表面 内外压差的y o u n g - l a p l a c e 方程出发，得出了一些焊缝表面成形的规律，并计算 了水平角焊缝条件下避免产生成形缺陷的条件m2 ”。但由于二维假设和忽略电 弧力的影响所造成的误差，并且在具体算法中也没有给出足够的约束条件，因此 山东大学硕士学位论文 无法得出一定体积液体金属的确定形状。模型中也没有考虑熔池形状的影响无 法解释平焊位置的高速焊接时也会产生咬边的现象。 ( 3 ) m i l l s 和k e e n e 将产生咬边的机理归于熔池表面的表面张力梯度造成的液 态金属的流动。即m a r a g o n i 对流口q 。b r a d s t r e e t 也认为表面张力，特别是不同界 面之间的界面张力及润湿性对于咬边的产生有重要的作用i l 。m e n d e z 和e a g a r 在此基础上通过研究含硫钢产生咬边的倾向，定性地解释了表面张力对咬边产生 的影响。但是这种简单解释与实际情况有较大差距，g r a t z k e 对此提出了质疑l 。 ( 4 ) 冯雷等建立了平板堆焊时咬边产生机理的静力学模型【2 72 ”，计算得到了 咬边焊道的形状，认为焊接过程中熔池的熔化角和熔池宽度是衡量咬边产生倾向 的关键指标。但是，将熔池横断面形状简化成椭圆的一段弧，不但与实际情况有 较大差距，而且无法将咬边的产生与焊接参数条件联系起来。 22 驼峰焊道的研究现状 驼峰焊道是高速焊接条件下的焊缝成形缺陷之一。所谓“驼峰”焊道，是指 焊缝金属沿焊接方向上的分布严重不均的焊缝成形缺陷，焊道由波峰和波谷周期 性交替组成，如图1 2 所示。 捌12 低碳钢板在g 姒_ 平焊中出现的驼峰焊道缺陷叫 图1 3g 眦s w 焊道波谷与波峰的横截面i 捌 第1 章引言 图1 3 ( a ) 和( b ) 分别显示了驼峰焊道一个“谷”和一个“峰”的横截面。可以 清楚的观察到，虽然焊缝金属的横截面发生了极大变化，但是焊缝的熔深和熔宽 仍然是基本相同的，只是在波峰部位聚集了更多的焊缝金属而波谷部位则很少。 正是因为驼峰焊道的波峰与波谷的差别，使得焊缝性能变坏，极大地限制了焊接 速度的进一步提高，所以国内外学者在高速焊接焊缝成形的研究中主要以驼峰焊 道作为主要研究对象，试图阐明驼峰焊道的产生机理，来找到针对性的办法来防 止或抑制驼峰的产生。但还没有统一认可的理论或模型。关于驼峰焊道的产生机 理，目前主要有以下几种理论观点： ( 1 ) 液柱不稳定理论 驼峰这一现象最早b r a d s t r e e t 1 0 】于1 9 6 8 年提出，他认为咬边和驼峰都是由 熔池的表面张力引起的，他利用r a y l e i g h 原理的液柱不稳定性来解释驼峰的形成 机理，如图1 4 所示。作为定性分析将焊接熔池简化为仅由表面张力维持的一段 液柱，忽略重力及其他力的作用，则液柱截面为圆形。当一个外加的波长大于液 柱周长的扰动施加在液柱上，液柱将会不稳定，产生缩颈，直至断裂而形成驼峰。 在通常焊接速度下，熔池长度较小，体积较小，其固有频率较高，在同样的扰动条 件下，振动波长小，一般不会发生上述失稳现象。而在高速焊接时，熔池明显拉长， 且宽度减小，同时，由于液态金属体积较大，固有频率较低，由扰动引起的振动波 长大。当熔池被拉长到一定程度时，会发生液体金属的失稳和颈缩破断的现象， 造成驼峰焊道。 图1 4 液柱的失稳原理1 2 0 】 g r a t z k e 等人【1 1 2 8 1 在这种简单液柱模型的基础上提出了拘束液柱模型。由于 实际的焊缝金属所受约束条件与自由液柱假设相去甚远，因此为了更准确地反映 液态金属的失稳条件及其影响因素，提出了拘束度的概念，得到了拘束液柱失稳 山东大学硕士学位论文 的判据，在一定程度上提高了该模型的准确性。 高速g m a w 焊接过程中熔池受到电弧压力、熔滴冲击力、重力、表面张力等作 用力的相互作用，而且熔池以较高的速度移动。通过高速摄影观察到，高速焊接 时，熔池明显拉长、变窄，并且熔池前部表面严重凹陷、下塌，形成一个凹陷区 域【2 9 。3 2 1 。因此，将高速焊接的熔池理想化为简单的液柱来解释驼峰的形成，是不 合理的；而将表面张力作为引起驼峰的主导因素，直接忽略其它作用力，也没有 给出合理的解释。 ( 2 ) m a r a g o n i 对流理论 对于一定的液体金属，其表面张力与表面温度和杂质浓度有很大关系。熔池 表面的温度不均匀就会造成表面张力梯度。表面张力梯度引起的液体流动，称为 m a r a g o n i 对流，如图1 5 所示。m i l l s 和k e e n e 通过求解表面上的受力平衡条件【2 6 1 ， 发现m a r a g a n i 对流的一个重要特点是在流动方向向下的区域会造成表面升高，而 在流动方向向上的区域会造成表面下塌，如图1 4 所示。他们运用这一结论来解 释含硫量高的钢种产生咬边的倾向大的现象。因为在1 4 0 0 1 8 0 0 这一温度区间， 高硫钢具有正的表面张力的温度梯度，会形成如图1 5 ( a ) 所示的对流，从而使焊 缝两侧下塌形成咬边，中间部位鼓起形成驼峰。但是，这一模型与实际情况符合 得并不好，例如，焊接速度较低时，熔池表面上同样是m a r a g o n i 对流，那为什么 没有产生咬边和驼峰呢? 该模型无法解释。 ( a ) 正的表面张力梯度( b ) 负的表面张力梯度 图1 5m a 删n 9 0 n i 对流示意图1 2 6 1 ( 3 ) 熔池表面凹陷理论 m e n d e z 和e a g a r 【2 9 3 伽通过实验及理论分析，提出了高速g t a w 过程中熔池 表面下塌凹陷模型来解释驼峰焊道的形成，如图1 6 所示。在焊接电流和焊接速 度都较大的条件下，电弧下方的熔池下塌变为一个薄的液层( 凹陷区) ；同时由 第1 章引言 于焊接速度很快，熔池被拉长变窄，电弧下方的熔化金属在电弧粘滞力的作用下 向熔池尾部运动，并在尾部堆积。当电弧继续向前移动时，熔池下塌凹陷区与尾 部交接的过渡区由于不能获得足够的热量而率先凝固，阻止了熔池金属继续向尾 部堆积区域的输送，也阻止了尾部堆积金属向熔池前部的回流。尾部聚集的金属 就会形成一个“峰”，而先凝固的过渡区形成一个“谷”。随着电弧的移动新的驼 峰又会形成，而导致一系列连续周期性的驼峰焊道。 图1 6 高速g t a w 熔池凹陷示意图【3 0 】 为了进一步了解驼峰的产生机理，m e n d e z 和e a g a r 分析了作用于熔池凹陷区 域和尾部交接过渡线处的力平衡。他们认为，将液态金属向后推的最主要驱动力 是电弧粘滞力( p 。) ，而熔池尾部堆积金属产生的静压力( p h ) 和表面张力( p 。) 则是阻 力，如图1 7 所示。显然，当p a p 。+ p h 时，就会产生凹陷区，而且堆积的金属无 法回填；随着过渡线继续后移，远离电弧的熔池尾部区域得不到足够热量，就会 先率先凝固出现驼峰。反之，则不会出现驼峰。 这一熔池表面凹陷模型较好地解释了实验的观察结果，也从驼峰的产生机理 上给予了定性的说明，对影响驼峰产生的因素有了一定的认识。但是，只是定性 的解释和说明，无法定量判定焊接工艺参数对驼峰形成的影响。 图1 7 作用在过渡线上的力i 蚓 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 熔池壁面流理论 通过实验观察和研究，n g u y e n 和w e c k m a n i ”3 4 认为在高速g m a w 焊接过程 中，熔池表面会在电弧压力和熔滴冲击力的共同作用下产生下塌变形，电弧压力 和熔滴冲击力被倾斜的界面反弹后改变方向指向熔池后方，带动熔化的液态金属 通过狭窄的熔池壁面流通道( w a l lj e t ) 到达熔池尾部，并且堆积成一个肿块 ( s w c n i n g ) ，如图1 8 所示。通过熔池壁面流通道的液态金属具有较高的速度和动 量，可以克服尾部堆积金属的静压力及表面张力所产生的阻力，使液态金属继续 向堆积区域输送。随着电弧向前移动，过渡区的熔池壁面流通道被拉长、变窄， 并且得不到足够的电弧热量而先凝固，阻止了液态金属的输送及回流，而使尾部 堆积金属形成一个驼峰。根据获得的熔池照片，他们认为熔化金属受到强烈的后 向动量作用是产生驼峰的根本原因，任何减小后向液体流动量的因素，都有助于 焊接速度的提高。 图18 高速g 舭_ 熔池壁面流通道模型删 1 t l9 激光额闰视觉系统获得的平板g m a w 驼峰形成过程图像刚 第1 章引言 图1 9 ：是n g u y e n 和w e c k m a n 拍摄的驼峰形成过程的图像。如图1 9 ( a ) 所示，连 接前一个驼峰与当前熔池尾部的区域完全凝固，阻碍了液态金属的后向输送及前 向回流，就会形成一个驼峰。随着新的堆积金属区域( s w e l l i n g ) 的长大，前一个 驼峰不断凝固，如图1 9 ( b ) ( c ) 所示，随着金属的凝固，白色区域不断向前发展。 当凝固区域的高度大约与熔池壁面流通道( w a l lj e t ) 相同的时候，这一区域就会凝 固形成一个波谷，如图1 9 ( d ) 所示。此后又会重复这一过程。图1 9 说明了在g m a w 中驼峰的形成过程，金属的堆积( s w e l l i n g ) 和熔池壁面流通道( w a l lj e t ) 的凝固分 别是驼峰形成的开始和结束。 n g u y e n 和w e c k m a n 只是通过实验来定性地描述了驼峰产生的机理，没有定 量描述所提出的熔池壁面流模型，也就不能定量分析驼峰产生的机理。 1 3 本文的主要研究内容 以薄板的高速g m a w 焊接为研究对象，建立较为符合实际情况的熔池数学模 型，通过对高速焊接时焊缝成形缺陷产生机理的研究，对焊接过程中的咬边倾向 进行预测，并对驼峰焊道的产生机理进行初步分析和解释。本文的主要研究内容 如下： 1 试验工作。获得某一焊接参数条件下产生驼峰焊道( 伴随咬边) 的临界焊 接速度及相关数据( 如：驼峰间距，尺寸等) ，为数值模拟提供符合实际的参数指 导。利用高速摄像获得连续的熔池图像，来观察高速焊接过程中熔池形态的变化 以及驼峰的产生过程，为研究和描述驼峰的产生机理提供实验依据。 2 利用数值模拟技术建立高速g m a w 熔池模型，获得不同截面的熔池形状， 研究高速焊接过程中熔池形状的特点和焊接参数对熔池形状的影响规律。 3 咬边倾向的预测。利用数值模拟计算出的熔池形状，结合液态金属表面 形状的流体静力学模型，获得咬边缺陷的预测结果，研究焊接参数条件对咬边倾 向的影响。 4 驼峰焊道的产生机理的初步研究。在试验和数学模型的基础上，通过对 熔池中液态金属的受力分析，合理描述高速焊接过程中驼峰的形成过程，初步解 释驼峰焊道的产生机理。 山东大学硕士学位论文 第二章高速g m a w 熔池形状的数值模拟 要搞清楚高速g m a w 焊缝成形的机理，就要从高速g m a w 焊接过程本身 的特点考虑。由于较高的焊接速度( 1 m m m 以上) 和较大的焊接电流( 3 0 0 a 以 上) ，导致高速焊接过程中的熔池受热、受力会不同于常规速度的焊接，而形成 不同的熔池形态及液态金属流动，这些不同于常规的熔池形态特征是导致咬边缺 陷以及驼峰焊道产生的内在原因。因此，建立合理的高速焊接熔池模型是分析解 决焊缝成形缺陷产生机理的基础。本章根据高速g m a w 的实际特点，建立较为 符合实际的热源模型和电弧压力分布模式，并且考虑到熔滴过渡对焊接过程的影 响，通过数值计算得到高速g m a w 的熔池形状特点。 2 1 数学模型 2 1 1 热源分布模式的选取 对焊接过程进行数值模拟，其前提就是对施加在焊件上的热输入分布要有一 个恰当的、合乎实际的描述。在常规g m a w 焊接过程中，电弧作用于熔池表面 的热流密度以及电弧压力分布普遍采用了高斯分布模式【3 3 。引。由于高速g m a w 焊接速度较高的特点，如果还是采用高斯分布，获得的结果必然不符合实际情况。 实际上，由于电弧沿焊接方向运动，电弧热流围绕加热斑点中心是不对称分布的， 如图2 1 所示。当焊接速度增大时，电弧加热区域由近似高斯对称分布( 虚线a b ) 转变为前部压缩、尾部后拖的不对称分布( 实线a b ) ；加热斑点由圆形变为双 椭圆形，并且焊接速度越大电弧后拖越严重( 试验中能明显地观察到这一现象) 。 对于g m a w 焊，焊接热源的热流密度不光作用在焊件表面上，也沿其厚度方向分 布。此时，应该将热源作为体积分布热源来描述。因此，本课题选用双椭球体热 源分布模式【3 9 t4 0 1 。如图2 2 所示，作用于工件上的体积热源分成前、后两部分。 设双半椭球体的半轴为( a , 口，b 。，气) ，设前、后半椭球体内热输入的份额分别 是厂，、f 。可以写出前、后半椭球体内的热流分布【4 1 】： 第2 章高速g m a w 熔池形状的数值模拟 叭训力= 麓e x p ( 一等一罢o h 一等 ，娩。 o f b h ch 死7 【u fc h 纵w 力= 船e x p ( 一等一等o h 一等c h ，z 。 n r b h ch 氕冗 n r j i i 心一彳 i i i i i a a 图2 1高速g m a w 电弧运动示意图 图2 2 双椭球体热源分布示意图 2 fj c o 胁出z ，蚴= 蒜r e x p 一号户 j f o e x p ( 一等砂x p ( 一等卜 = 2 6 4 而i f 忑 q a 丝巫垒巫皂巫= 三q ) b 4 3 2 4 324 3 22 h c h 冗死 、j 一。 同理，对于后半部分( 相当于另一个半椭球体的二分之一) ，热输入为： 2 j c oj c on ( w ，z ) 撕：昙q ) ( 2 1 a ) ( 2 1 b ) 山东大学硕十学位论文 由叼，虬= q = 三q ) + 三q ) = 丢q 以+ ，) 可以得到： 力+ ，= 2 ，9 = g l u 。 ( 2 2 ) 式中，a f ) 口，b 。，气为热源分布参数( 与焊接工艺参数有关，尤其主要与焊接速 度相关) ，仃。是热流分布参数。而热源分布参数又会影响到前、后半椭球体内热 输入的份额乃、一，可根据近似式取得：乃= 老，= 告。 2 1 2 熔滴的热焓与动量 与t i g 不同，g m a w 焊接过程由于熔化极金属的过渡而具有明显不同的特 点。熔滴到达熔池后，不但将其本身的质量带入熔池，使熔池液态金属的体积增 加，同时也将其本身所携带的热量传递给熔池。焊接过程中，熔池所获得的热输 入是电弧和熔滴共同作用的结果，这一部分热量也是影响熔池及热影响区温度分 布的重要因素。另一方面，一定质量的熔滴到达熔池时已经具有了较高的速度， 所以熔滴到达熔池时对熔池产生一个冲击力( 动量) 。这种冲击力和电弧压力共 同作用使焊接熔池表面产生变形。 在高速g m a w 过程中，由于焊接电流较大，熔滴过渡频率更大，呈射流过 渡。大电流也使熔滴具有更大的动量冲击熔池。因此熔滴的因素起到了很重要的 作用，在数值计算过程中要全面地考虑。 由于熔滴相对于熔池明显过热，本文将熔滴带入熔池的焓量q d 看作是一个 很薄的圆柱体分布在熔池表面，因此将其在表面能量方程中作为附加热源项处理 【4 2 _ 4 3 1 ，其大小有下式给出： 锄= 掣 ( 2 3 ) 历髟名 式中，d 为熔滴过渡的频率，朋d 为熔滴的质量，d 。为焊丝的直径，为焊丝的 熔化速度，脯j 为熔滴和熔池液态金属的热焓差值。 在g m a w 焊接过程中，焊丝熔化形成的熔滴经过弧柱区获得动能，使其具 有了一定的动量，产生较大的冲击力作用于熔池表面，使熔池表面产生严重的凸 第2 章高速g m a w 熔池形状的数值模拟 凹变形。熔滴对熔池的冲击力e a 按下列公式计算【4 3 】： 只2 等 ( 2 4 ) 式中，d o 为熔滴的直径，d 为熔滴的速度。式( 2 3 ) 及( 2 4 ) 中，熔滴参数( 过渡 频率d ，熔滴的质量所d 、速度v d 、直径d d ) 以及计算中用到的参数可以通过式 ( 2 5 ) ( 2 11 ) 计算得到。 熔滴过渡频率d 采用下式计算得到删： d 2 2 4 3 4 4 加p ( 镊期 + 3 2 3 5 0 6 0 8 7 4 + 0 0 0 2 5 2 ( 2 5 ) y = 口一 + 6 c 三半 二+ c式中，厶是焊丝干伸长，p 是液态金属密度，口，b 和c 是常数。 熔滴和熔池液态金属的热焓差值刖l 通过文献 4 6 和【4 7 】可以得到： 刖l = o 5 5 1 9 i + 1 7 1 5 1 8 0 1 1 5 5 0 伽2 ( 割3 熔滴的初速度，可以看作是焊丝的熔化速度： 2 孑 焊接过程中，熔滴受到的电弧力的作用可以近似看作为： b = 等孚= 警 式中，肋是磁导率，6 是电流密度分布系数，c 是电弧压力调节系数。 则熔滴下落的加速度： = 卺+ g = 而3 c 面t o i 万2 + g历d1 0 7 r d 。d p ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 山东大学硕+ 学位论文 式中，g 是重力加速度。 由2 一 ，。2 = 2 a d ，其中口d 为熔滴的加速度，为熔滴到达熔池表面的距离， 在计算中近似的取为焊丝端部道母材表面的距离厶，得到熔滴到达熔池表面的 速度： 驴。( 4 v 、2 + 2 l o ( 13 c 1 u 。1 2 + g - ， 2 1 3 电弧压力的作用 在高速g m a w 中热源模型采用了双椭球体的分布模式，因此电弧压力也相 应的采用了双椭圆分布模式【4 8 】，如图2 3 所示： jl ， 、 口o i 一 j- ：一 一一 6 一 图2 3 电弧压力双椭圆分布示意图 电弧压力的双椭圆分布的数学表达式为： 驰川= 警唧c 等一警删 亿2 曲 p o ( x , y ，= 簪唧c 鲁一净删 亿m ， 式中，为电弧压力，。为磁导率( 卢。= 1 2 5 6 1 0 巧) ，1 为焊接电流，8 为 电流密度分布参数( 8 = 2 8 x 1 0 4 ) ， a ob l ，b 2 为双椭圆分布参数( 其取值与之 前相对应的热源分布参数相同) ，c 为电弧压力修正系数( 与焊接电流、弧长、 第2 章高速g m a w 熔池形状的数值模拟 保护气体成分和流量等有关4 9 1 ，本文取1 1 ) 。 2 1 4 熔池自由表面的变形 本课题采用厚度为6 m m 的低碳钢板为母材金属，在试验及模拟过程中均禾 出现熔透现象，因此以未熔透表面变形的情况进行研究。 w u 5 0 】利用静力平衡理论，根据电弧压力所做的功等于熔池自由表面变形前 后的表面能和势能变化之和，并运用欧拉判据推导出了g t a w 熔池自由上表面 的变形方程为： p。一pg妒一a=仃垦二二!兰蔓生ii毫塞铲 c 2 j 3 ， i l + ：+ 缈jr ” 式中，见是电弧压力，p 是密度，g 是重力加速度，9 ( x ，y ) 是熔池上表面形状函数， 仃是表面张力，a 是由拘束条件确定的一个常数。吼= a ，9 y = a ， 9 。= 扩：，旷a ，= a ：。当五取值合理时，由式计算出来 的工件未全熔透时熔池上表面的变形才能满足拘束条件。 在g m a w 过程中，需要考虑熔滴冲击力见的影响，则熔池上表面变形的方 程可以描述为： p。+pdpg妒一a=仃垒!竺三蔓生ii三三；铲 c 2 _ 4 ， 2 2 数值分析方法和程序设计 通过对高速g m a w 焊接熔池形状的模拟来研究焊缝成形缺陷的产生机理。 为了在获得结果的基础上尽量简化计算过程，采用准稳态熔池为研究对象，也没 有考虑熔池流体流动对温度场及表面变形的影响。 2 2 1 网格划分 在焊接熔池的数值分析中，网格系统的建立( 即计算区域离散化) 是十分重 要的，它将直接影响计算精度与计算成本【4 1 1 。因此，在保证计算精度的前提下， 山东大学硕十学位论文 应该尽可能地减少计算时间，提高效率。由于焊接过程中，熔池附近的温度梯度 较大、变化速度特别快，并存在较大的熔池表面变形，采用均匀网格解决不了计 算精度与计算速度之间的矛盾。近期的研究者大都采用一种固定的不均匀网格解 决这一问题，如图2 4 所示，即在热源附近采用较细的均匀网格，而在远离热源 处则采用逐渐扩张的非均匀网格，这就在很大程度上得以兼顾计算精度与计算速 度。在准稳态条件下，划分的网格是固定的，简化了计算过程，缩短了计算时间。 2 2 2 网格的生成 图2 4 不均匀网格划分示意图 三维非均匀网格的生成原理与二维的相同，为讨论方便，本文以二维动态非 均匀网格的划分为例讨论。 如图2 5 定义工件上表面网格几何参数。其中，x o y 为开始焊接时的坐标系 位置，x k 为开始焊接位置距工件边缘的距离。当0 到达0 点时达到准稳态， x l z 为焊接热源前方x 方向需划分为细网格区的长度，x l l 为需划分为粗网格区 的长度；x l f 为焊接热源后方工方向需划分为细网格区的长度，x l 2 为需划分为 粗网格区的长度。y l n 为垂直焊接方向上在焊缝的一侧需要划分为细网格区的 宽度，y l 为需划分为粗网格区的宽度，并假设工件的长和半宽为x r 和y r 。 jiy y y l j 记 ， d1 一 x l 2 一x l f 五l z ：一 x l l 一 七 一一 一 一一1 1一 x l 0 u o t 。 x r 图2 5 工件上表面网格参数 第2 章高速g m a w 熔池形状的数值模拟 定义n x z 、n x f 、n y 、n x 。、n x ：、n y 。分别为x l z 、x l f 、y l n 、x l 。、x l ：、y l 段 中的节点个数，计算中取整数值。 x l 0 可根据需计算的具体问题取值。上述其它参数的取值由以下方法确定： ( 1 ) 细网格区范围的确定 计算中由x l z 、x l f 、y l n 的值确定细网格区的范围，程序中通过改变x l z ， x l f ，y l n 的取值，来改变细网格区的大小。 在焊接准稳态条件下，x l z ，x l f ，y l n 的取值根据使焊接热流密度的分布范 围在细网格区内这一原则来确定。本课题采用了双椭球体热源，在x 缈平面上其 分布参数为a ，、口，、钆，因此在保证减少计算量的前提下，要使得x l z 口r ， x l f 口，y l n 0 ，则三相接触线所受合力的方向是向熔池外部的，液体将向外铺 展，不会形成咬边，如图3 2 ( a ) 中虚线所示。 ( 2 ) 卢+ 9 0( b ) 卢+ 妒 0 图3 2 液态金属在熔池边缘的运动趋势 通常焊接条件下，焊接材料、表面状态、温度等条件一定时，固液相之间的 接触角9 是一个定值，则卢+ 9 的大小是影响液面所受合力方向的关键因素，决 定了咬边产生与否。而熔池形状和熔敷金属量又是决定液面角卢和熔化角妒的主 要因素。焊丝熔化速度和焊接速度决定熔敷金属量的大小；而母材上的熔池形状 是根据上一章的熔池模型数值计算出来的。这就是说，熔池形状和熔敷金属量是 最终影响咬边缺陷产生的直接原因。 第3 章焊道咬边缺陷的预测 3 2 3 焊道截面形状的计算方法 本文利用数值模拟计算出的熔池形状结合液态金属表面形状的流体静力学 原理来获得咬边焊道的预测结果。在求解过程中通过以下两个约束条件进行迭代 计算，最终得到符合精度要求的结果。 1 截面积约束条件：设熔化的母材金属截面积为4 ，熔敷金属的截面积为彳，则 总的液体金属的截面积为4 + 彳，如图3 3 所示。当三相接触线处于熔合线上任 意点s 时，需要通过表面张力维持的是通过s 点的水平线以上的液体金属的重力， 这部分液体截面积为4 + 彳，一4 ，面积约束条件应该写为： a o = a 6 + a ，一a ，( 3 3 ) 熔化的母材金属截面积4 可利用前期数据积分得到。熔敷金属的截面积为： 4 = 警 式中，以是焊丝直径，= 4 v 7 r 以2 为送丝速度，其中y 为单位时间熔敷金属 体积，是焊接速度。4 是过点s 的水平线以下的熔化金属截面积，在程序中 积分得到。 图3 3 熔池形状的几何模型 2 接触角约束条件：此时液面底部的斜率己不是由接触角日确定，而要由液面角 卢确定，同时，若在s 点平衡，应满足液面角卢和熔化角妒之和等于p 。即角度 的约束条件应写为【2 7 】： 山东大学硕十学位论文 ：p g h 2 一i h 一1 ( 3 4 )= 一l i j - 2 仃 r 、 卢+ 9 = 0 焊道截面形状的计算过程如图3 4 所示： ( 3 5 ) 1p i 输出形状参 l 上 【赢1 图3 4 熔池液态金属平衡形状的计算过程 - 3 5 第3 章焊道咬边缺陷的预测 3 2 4 咬边预测的计算结果 图3 5 是咬边焊道的预测结果，所对应的焊接工艺条件为：6i i l i n 厚低碳钢 板，焊接电流3 0 0 a ，电压2 7 v ，焊接速度1 3 5m m i n ，保护气体9 2 a r + 8 c 0 2 。 4 2 0 ，一、 e 邑- 2 n _ 4 与