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山东大学硕士学位论文 脉冲g m a w 焊接熔滴过渡主动控制模式的数值分析 摘要 在g m a w 焊接的几种过渡形式中，射滴过渡被认为是最理想的熔滴过渡形 式，但无论是对于连续电流的g m a w 还是脉冲g m a w 焊接，射滴过渡仅存在 于一个较窄的临界电流区间，并受到多种焊接条件的影响。本文通过数值分析来 研究稳定射滴过渡的工艺条件及其影响因素，为实现脉冲g m a w 焊接熔滴过渡 主动控制提供理论基础。 本文基于熔滴过渡的受力分析，并考虑振荡速度对熔滴长大和脱离过程的影 响，利用“质量一弹簧”理论建立了熔滴过渡的动态模型，在此基础上利用 f o r t r a n 语言编写了熔滴过渡动态过程的数值分析程序。 利用模型对连续电流条件下熔滴的长大和脱离过程进行数值分析，计算了焊 接电流、熔滴振荡速度、外部作用力等对熔滴过渡行为的影响，并分析了熔滴过 渡方式随焊接电流的变化规律。对熔滴的临界尺寸和过渡尺寸进行计算和比较， 并对熔滴的过渡尺寸和频率等进行了理论预测，预测结果和实验结果基本吻合。 利用模型对脉冲g m a w 焊接主动控制模式下的熔滴过渡进行了计算，分析 了熔滴在长大过程中的振荡和脱离，并讨论了熔滴振荡频率的影响因素和振荡激 发电流、过渡激发电流的大小及施加时刻对熔滴过渡的影响。根据脉冲电流作用 下熔滴受力的数值分析结果设计了相应的脉冲波形。计算结果表明，在脉冲 g m a w 焊接熔滴过渡主动控制模式下，通过激发熔滴振荡来促进熔滴过渡，可 显著降低临界焊接电流的数值。 关键阒l 脉冲g m a w 焊接，熔滴过渡，“质量一弹簧”理论，数值分析，熔滴 振荡，主动控制模式 n u m e r i c a l a n a l y s i so fd r o p l e tt r a n s f e ri na c t i v ec o n t r o lm o d e 0 f t h ep u l s e dg n 蜊 a b s t r a c t s p r a yt r a n s f e ri st h em o s te x p e c t e dm o d eo fd r o p l e tt r a n s f e ri ns e v e r a lk i n d so f t r a n s f e rm o d e si ng m a w h o w e v e r , t h ew e l d i n gc u r r e n tr a n g ew i t hi nw h i c ht h e s p r a yt r a n s f e ro c c t i r si nc o n t i n u o u sg m a w o rp u l s e dg m a wi sv e r yn a r r o wa n d a f f e c t e db ym a n yw e l d i n gp a r a m e t e r s i nt h i st h e s i s ，n u m e r i c a la n a l y s i si su s e dt o s t u d yt h ep r o c e s sc o n d i t i o n sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h es p r a yt r a n s f e r ，w h i c hc a n p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rr e a l i z i n gt h ea c t i v ec o n t r o lo fd r o p l e tt r a n s f e ri nt h e p u l s e dg m a w b a s e do nt h ea n a l y s i so ff o r c e se x e r t e do nt h ed r o p l e ta n dt h ee f f e c to f d r o p l e t o s c i l l a t i o nv e l o c i t yo nt h ed r o p l e tg r o w t ha n dd e t a c h m e n t ，ad y n a m i c a lm o d e lo f d r o p l e tt r a n s f e ri sd e v e l o p e db yu s i n g “m a s s s p r i n g t h e o r y f o r t r a nl a n g u a g ei s u s e dt oc o m p i l et h en u m e r i c a la n a l y s i sp r o g r a mo ft h ed r o p l e tt r a n s f e rd y n a m i c a l p r o c e s s t h em o d e li su s e dt oa n a l y z et h ep r o c e s so fd r o p l e tg r o w t ha n dd e t a c h m e n ti n c o n t i n u o u sc u r r e n ta n dc a l c u l a t et h ee f f e c to fw e l d i n gc u r r e n t ，d r o p l e to s c i l l a t i o n v e l o c i t ya n de x t e r n a lf o r c e so nd r o p l e tt r a n s f e rm e c h a n i s m d r o p l e tt r a n s f e rm o d ei s a n a l y z e di nv a r i o u sl e v e l so fw e l d i n gc u r r e n t t h ec r i t i c a ld r o p l e ts i z ea n dd e t a c h i n g d r o p l e ts i z ea r ec a l c u l a t e da n dc o m p a r e dw i t he a c ho t h e r t h ed e t a c h i n gd r o p l e ts i z e a n dt r a n s f e rf r e q u e n c y p r e d i c t e db y t h em o d e ls h o w a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a l d a t a t h em o d e li sa l s ou s e dt oa n a l y z e dt h ed r o p l e tt r a n s f e ri na c t i v ec o n t r o lm o d eo f t h e p u l s e d g m a w t h eg r o w t ha n dd e t a c h m e n to f d r o p l e t i s a n a l y z e d t h e i n f l u e n c i n g f a c t o r so fd r o p l e to s c i l l a t i o n f r e q u e n c ya n dt h e e f f e c to fo s c i l l a t i o n e x c i t i n gc u r r e n t ，d e t a c h m e n te x c i t i n gc u r r e n ta n di t se x e r t i n gt i m eo nd r o p l e t t r a n s f e r a r ed i s c u s s e d p u l s e dc u r r e n tw a v e f o r mi sd e s i g n e db a s e do nt 1 1 en u m e r i c a la n a l y s i s r e s u l t so ff o r c e se x c e e do nt h ed r o p l e ti np u l s e dg m a w d r o p l e tt r a n s f e ri sp r o m o t e d b ye x c i t i n gd r o p l e to s c i l l a t i o ni na c t i v ec o n t r o lm o d e o f t h e p u l s e dg m a w , w h i c h c a n r e d u c et h ec r i t i c a lw e l d i n gc u r r e n to b v i o u s l y k e y w o r d s ：p u l s e dg m a w , d r o p l e tt r a n s f e r , “m a s s s p r i n g t h e o r y , n u m e r i c a l a n a l y s i s ，d r o p l e to s c i l l a t i o n ，a c t i v ec o n t r o lm o d e - l l - 附件一 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：- 查兰塑日期：型望：生：塑 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：壅兰纽导师签名：醒复日期：旦盔笙：净 山东大学硕士学位论文 主要符号表 自由空间磁导率t 等离子流拉力系数x 气体流速坼 焊丝熔化速度x o 焊丝密度e 。 气流密度乃 表面张力系数c 电弧半锥角以 阻尼系数五 弹性系数五 重力加速度 脉冲峰值电流 r 脉冲基值电流 r 焊接电流勘 脉冲峰值宽度乃 脉冲基值宽度腹 焊丝干伸长埘 粘滞系数k 熔滴质量v o 焊丝端部形状因子 熔滴体积q 等离子流力作用面积f ，叩 焊丝横截面积 n 、c 时间步长 时间 弹性位移 临界位移 初始位移 电磁力 等离子流拉力 表面张力 重力 弹性力 阻尼力 惯性力 焊丝半径 熔滴半径 液柱半径 临界扰动波长 熔滴临界质量 熔滴脱离质量 临界振荡速度 初始振荡速度 初始相位角 熔滴质量常数 焊丝熔化常量 实验常数 胁a 叶k p 毋 盯 口 6 七 g 易厶 ， 昂乃厶 m 占 矿 4 山东大学硕士学位论文 1 1 选题意义 第一章绪论 g m a w 焊接具有生产率高、焊接质量好、生产成本低、易于实现自动化和 智能化等优点，是一类应用广泛的电弧焊焊接方法。在工业发达国家，g m a w 焊接已在很大范围内取代了手工电弧焊，并在生产中发挥着越来越大的作用。 熔滴过渡是影响g m a w 焊接过程稳定性及焊接质量的关键因素之一，其行 为对电弧稳定性、熔池熔深、焊缝成形、焊接冶金等都有着重要的影响。稳定可 控的熔滴过渡是实现g m a w 焊接过程自动化、智能化的基础，因此对熔滴过渡 行为的控制，一直是人们关心和研究的课题【1 4 】。熔滴过渡是多种因素综合作用 的结果隅1 ，包括熔滴的受力平衡、焊丝的热输入、电弧的热输入以及熔滴中电流 密度的分布等，有着复杂的物理化学过程。仅通过试验数据来分析熔滴过渡对焊 接过程的影响，不但成本昂贵，而且会消耗大量的人力物力。计算机模拟是使包 括焊接在内的热加工工艺研究从“定性”走向“定量”、从“经验”走向“科学” 的重要标志c 9 3 , 因此，数值模拟正成为熔滴过渡研究的重要手段。 随着焊接电流的变化，g m a w 焊接熔滴过渡形式主要有滴状过渡、射滴过 渡、射流过渡和旋转射流过渡等几种形式。其中射滴过渡焊接过程稳定、焊缝成 形好、产生的飞溅少、熔滴尺寸适中，并且金属传输具有定向性，被认为是连续 电流g m a w 焊接最理想的过渡形式。但在常规的焊接方法中，射滴过渡仅存在 于一个很窄的临界电流区间1 3 ，1 0 1 ，并受到多种焊接条件的影响，包括焊丝干伸长、 保护气体成分、焊接材料和焊丝半径等。脉冲g m a w 焊接比连续电流g m a w 焊接具有更优的工艺性能及控制性能，在平均电流小于临界电流的条件下就能实 现射滴过渡。但目前对脉冲g m a w 焊接熔滴过渡的控制还存在着熔滴脱离时刻 不确定和熔滴尺寸不规则等问题，而且脉冲可调参数较多，脉冲参数的选择主要 是通过经验公式得到。近年来，国内外研究者不断对常规的脉冲g m a w 焊接工 第一章绪论 艺和设备做出改进n 1 ，1 ，但仍然是凭经验和工艺试验来选择脉冲参数，操作复 杂，成本高，不利于实际工业应用。因此，实现射滴过渡形式仍需要进行大量的 研究工作。 本文将通过数值模拟方式分析熔滴过渡过程中的规律和现象，可为熔滴过渡 的控制提供理论基础。 1 2 熔滴过渡的影响因素 对熔滴过渡进行数值分析，首先要对熔滴过渡的影响因素进行分析。熔滴过 渡的影响因素很多，其中包括焊接电流、保护气体的成分、焊丝干伸长、焊丝直 径、环境压力、焊接材料和极性等”。 1 2 1 焊接电流的影响 在g n a w 焊接过程中，许多工艺参数都与熔滴过渡形式的转变有着密切的 关系。在这些工艺参数中，人们最为关注的是焊接电流对熔滴过渡形式的影响。 焊接电流是最主要的工艺参数，可以通过调节电流得到所需的熔滴过渡形式。在 其它条件不变的情况下，当电流较小时发生滴状过渡，而在电流相对较高时发生 喷射过渡。在喷射过渡范围内，若电流较低，将发生射滴过渡，此时的熔滴直径 与焊丝直径大体相同，熔滴过渡稳定。随着焊接电流的增加，熔滴过渡形式由射 滴过渡向射流过渡转变，直至形成旋转射流过渡，而旋转射流过渡是极不稳定的。 射滴过渡存在于滴状与射流过渡之间的一个很窄的电流区间，一般认为在滴状过 渡与射流过渡的临界电流处，熔滴尺寸和过渡频率会发生突变 1 3 - 1 5 2 。近几年的 研究发现 1 6 , 1 73 熔滴过渡形式从滴状到射流过渡是逐渐转变的，在滴状过渡和 射流过渡的临界电流区间还存在一种混合过渡方式，即有滴状过渡和射滴过渡两 种过渡方式共存的现象。 1 2 2 保护气体成分的影响 保护气体成分也是影响熔滴过渡的重要因素。保护气体的成分对熔滴的过渡 形式、焊道形状、熔深程度以及焊缝金属的机械性能都有着重要的影响。文献 1 8 山东大学硕士学位论文 认为钢焊丝混合气体保护焊时，在氩中加入c 0 2 或0 2 ，对射流过渡的临界电流 的影响是不一样的。文献 3 ，1 4 中研究保护气体对熔滴过渡的影响，得出在其 它条件不变的情况下，以c 0 2 为保护气体时得到的熔滴尺寸最大，而在用混合 气体9 5 a x + 5 c 0 2 时得到的熔滴尺寸最小，随着c 0 2 含量的增加，熔滴的临 界过渡电流减小，见图1 1 。文献 1 5 认为气体成分对熔滴过渡的影响存在临 界值，在心和c 0 2 混合气体中，当加入的c 0 2 含量超过3 0 时，不能形成射流 过渡，而具有c 0 2 气体保护焊细颗粒过渡的特点。 1 2 3 焊丝干伸长的影响 焊丝干伸长对熔滴过渡和电弧稳定性也有一定的影响，见图1 2 。焊丝干伸 长增加，加强了焊丝的电阻热作用，可促进熔滴过渡，但过大的焊丝干伸长会引 起伸长部分软化。文献 3 ，1 9 认为随焊丝干伸长的增加，射流过渡的临界电流 值降低。在g 删焊接中，干伸长的自身调节作用在细丝时较为明显 2 9 o 图1 1 保护气体成分对熔滴过渡的影响 f i 9 1 1t h es h i e l d i n gg a s e f f e c tt od r o p l e tt r a n s f e r i 兰 窖 蚤 暑 苫 图1 2 焊丝干伸长度对熔滴过渡的影响“4 f i 9 1 2t h e e l e c t r o d ee x t e n s i o ne f f e c t t od r o p l e t t r a n s f e r 【1 4 1 3 脉冲g m a w 焊接熔滴过渡的研究现状 脉冲g m a w 焊接对熔滴过渡具有可控性，平均电流低于g m a w 焊接喷射 过渡的临界电流，使得母材的热输入量低，焊接变形小，因此在g m a w 焊接中 的应用范围越来越广。 第一章绪论 国内外许多焊接工作者对脉冲g m a w 焊接的熔滴过渡形式进行研究，为了 获得一脉一滴的过渡形式并对其进行了控制。本节就熔滴过渡的几种形式及其对 焊接质量的影响予以说明，并讨论一脉一滴的研究现状，指出熔滴过渡控制的发 展趋势。 1 3 1 脉冲g m a w 焊接熔滴过渡的三种形式 研究表明，脉冲g m a w 焊接熔滴过渡的形式主要有多脉一滴、一脉滴和 一脉多滴三种控制模式1 2 2 1 。 1 、多脉一滴 多脉一滴出现在脉冲频率高、基值电流较小的情况下。由于脉冲时间非常小， 在一个周期内没有足够的能量使熔滴过渡，熔滴持续增大，此时主要是表面张力 对熔滴过渡起阻碍作用。当熔滴长大到一定尺寸时，熔滴受到的脱离力超过表面 张力，熔滴开始过渡。多脉一滴多是大滴过渡，电弧不稳定，在焊接过程中产生 的飞溅大，焊接熔池宽，因此在实际中应用比较少。 2 、一脉一滴 一脉一滴过渡形式有两种：基值电流期间过渡和峰值电流期间过渡。在峰值 电流期间过渡时，熔滴受到的电磁力比较大，加速度非常大，而在基值电流期间 过渡时熔滴的加速度非常小。当熔滴向熔池过渡时，熔池受到熔滴的冲击，会产 生较大的熔深。另外，熔滴的速度也影响电弧力，电弧气流也冲击着焊接熔池表 面。一般认为基值期电流间过渡时由于飞溅少，被大家普遍接受；但在需要较大 熔深时峰值电流过渡比较理想。一脉一滴过渡产生的飞溅少，过渡规则，熔滴尺 寸与焊丝直径相当。 3 、一脉多滴 当峰值电流较高、峰值持续时间较长时会产生一脉多滴过渡，此时是射流过 渡，由于熔滴尺寸比较小，产生的飞溅大，过渡频率高，熔滴过渡的控制比较困 难。 1 3 2 一脉一浪过渡的研究现状 一脉一滴是所有过渡形式中最理想的种，熔滴直径近似于焊丝直径，焊接 山东大学硕士学位论文 过程稳定，这种过渡方式在脉冲g m a w 焊接中产生的飞溅和焊接缺陷最少。对 常规的脉冲g m a w 焊接来说，实现一脉一滴的控制主要是靠脉冲参数的设置来 保证，包括峰值电流，和脉冲宽度0 、基值电流，。和脉冲宽度瓦等。 k i m 砼引应用静力平衡理论对脉冲电流条件下的熔滴尺寸及过渡频率进行了 预测，提出了实现一脉一滴的过渡频率区间：认为当脉冲频率增加而脉冲宽度减 小时，熔滴的尺寸会减小，并有一个最小值，随着峰值电流的增加，最佳的脉冲 频率区间也会相应扩大。 文献 2 4 2 5 认为，在峰值电流期间过渡的第一个熔滴总是以射滴过渡的 形式出现，而在第一个熔滴脱离后，若峰值电流持续，熔滴将会转变为射流过渡。 将熔滴过渡过程分为三个阶段：加热阶段、熔滴长大及形成缩颈阶段和过渡阶段， 每个阶段的持续时间分别为t 。，t ：，屯，一脉一滴的最佳脉冲宽度区间可表示为 t ， 乙 + r 3 。熔滴缩颈一旦形成，即使在基值电流期间仍会发生射滴过渡。 a l l u m 2 6 1 利用不稳定收缩理论建立了脉冲g m a w 焊接熔滴过渡的模型，对 焊丝直径为1 2 m m 的铝焊丝建立了基值电流。和脉冲宽度l 的之间的关系： 0 ，”6 = - 3 2 8 27 2 2 ( 1 1 ) 式中，占为焊丝端部的形状因子。 a l l u r e 考虑基值电流j 。和脉冲宽度瓦的影响，提出熔滴脱离时基值电流条件的关 系式： z b ! ：! 掣i $ 6 ：6 1 竺 ( 1 2 )一 r r 一， 1 6 式中，r 为焊丝半径。 j a c o b e s n 2 7 1 研究了脉冲g m a w 焊接条件下的熔滴过渡，建立了峰值电流j 。 和最小熔滴过渡时间丁赢。之间的关系 乃。，。1 6 7 = 4 3 乃。，1 ”= 2 4 ( i p 3 5 0 a ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 第一章绪论 文献 2 8 研究表明，在焊丝材料和保护气体一定的条件下，只要满足峰值 电流和脉冲宽度的匹配关系，就能实现一脉一滴的控制，如图1 3 所示。即满足： j ；0 = d( 1 5 ) 式中，d 为实验获得的常数，与焊丝材料、直径、保护气体等有关。 图1 3 峰值参数对熔滴过渡的影响【2 8 】 f i g 】3 i n f l u e n c e o f p e a k p a r a m e t e r s o n d r o p l e t t r a n s f e r l 2 8 1 通过这一领域的研究成果可以看出，在脉冲( m a w 焊接中，对一脉一滴过 渡区间的控制主要是通过控制实验建立起来的经验公式。对于不同的焊丝材料和 不同的保护气体，在其它条件不变的情况下，可用峰值电流，和脉冲宽度乙存 在的关系表征一脉一滴过渡区间： c = c ( 1 6 ) 式中，n 、c 为通过实验确定的常数。 综上可以看出，对脉冲熔滴过渡的控制存在两个问题：熔滴脱离时刻的不确 定性和熔滴过渡尺寸的不规则性，主要是通过正确的选择峰值电流来保证获得一 脉一滴过渡并加以控制。保证熔滴的脱离，峰值电流必须大于过渡熔滴的临界电 流；然而较大的电流使得熔滴过热，发烟率较高，并导致熔滴过渡速度过高，熔 6 山东大学硕士学位论文 滴尺寸变形而体积不规则。 近年来，国内外研究者不断地试图对常规脉冲g m a w 焊接工艺和设备做出 某种改进。哈尔滨工业大学杨世彦研制出一种m i g m a g 焊接系统，在焊丝端部 的熔滴达到一定尺寸时，通过控制送丝机构使焊丝突然回抽向熔滴作用一附加机 械力，将熔滴过渡到熔池【1 1 1 。这种通过机械方式对熔滴过渡的控制需要专门设计 特殊的送丝机构。美国k e n t u c k y 大学y m z h a n g 1 2 1 2 9 1 发现，当电流从峰值切换 为基值时，熔滴会产生明显的振荡。如果在熔滴长大到适当尺寸时，将脉冲电流 切换为基值电流，并在熔滴向下振荡时，再将电流切换为幅值较高的过渡激发电 流，利用熔滴向下的惯性动量和突然增加的电磁力产生足够大的力使熔滴脱离焊 丝，在峰值电流低于临界电流的条件下就能实现过渡，并保证了熔滴过渡的规则 性。但y m z h a n g 采用了高速摄像机实时检测熔滴的运动来捕捉合适的熔滴过渡 瞬间，通过一系列复杂图像处理算法确定出熔滴的位置需要占用一定的时间，操 作复杂，成本高，不利于实际工业应用。另外，仍然是凭经验和工艺试验来选择 脉冲参数。 因此，对脉冲g m a w 焊接来说，如何可靠地、低成本地实现一脉一滴过渡 仍然是还没有彻底解决的问剧3 0 3 ”。 1 4 g m a w 焊接熔滴过渡理论的研究现状 数值分析结果的准确性，首先取决于所描述的物理问题的数学模型的准确 性。熔滴过渡的数学模型建立在一定的熔滴过渡理论之上因此熔滴过渡的理论 是进行熔滴过渡模拟的基础。目前用于熔滴过渡的理论主要包括：静力平衡理论、 不稳定收缩理论、能量最小原理、流体动力学理论、“质量一弹簧”理论等。本 节将对这一领域的研究成果进行详细的描述。 1 4 。1 赞力平衡理论和不稳定收缩理论 关于熔滴过渡的许多理论中，静力平衡理论和不稳定收缩理论【2 3 ，7 。6 明应用 最为广泛。很多人利用这两个理论对熔滴尺寸、过渡频率及熔滴过渡方式的转变 等问题进行了预测，并取得了一定的成果。 1 4 1 1 静力平衡理论 在焊接过程中，熔滴是在重力、电磁力收缩力、表面张力、等离子流拉力 等的联合作用下过渡到熔池中的。 静力平衡理论的原理是当促使熔滴过渡的力大于阻碍熔滴过渡的力时，熔 滴实现过渡。将熔滴受到的脱离力和保持力的平衡条件作为熔滴过渡的判断依 f e m + f l + f d = f ， ( 1 7 ) 式中，j _ 、气、冗、分别为熔滴受到的电磁收缩力、重力、等离子流拉力， 为阻碍熔滴过渡的表面张力。 1 4 1 ，2 不稳定收缩理论 该理论由r a y l e i g h 液柱不稳定模型发展而来。其原理如图1 4 所示。因为球 体比圆柱体具有更低的自由能，因此，液柱有不断收缩形成小液滴的趋势，表面 发生波动。当z 口符合一定条件时，a 、b 两处的压力差促使柱体转变为球体。 临界扰动波长以可由下式确定： 护鑫 s ， n + 一2 芏r r l 2 ：r r r 、2 式中，r o 为液柱半径，a o 为真空磁导率，为焊接电流，盯为表面张力系数。 图1 4 不稳定收缩理论模型卧n 1 f i g 1 4d i a g r a mo f t h ep i n c h i n s t a b i l i t yt h e o r y 1 l 】 山东大学硕士学位论文 在电流增大时，临界扰动波长减小，液柱稳定性减弱；随着液柱半径的变小， 液柱的稳定性减弱。 图1 5 是分别利用静力平衡理论和不稳定收缩理论对熔滴尺寸的预测口 。可 以看出，应用静力平衡理论，在滴状过渡范围内预测的熔滴尺寸，理论计算值与 实验结果吻合较好，但在喷射过渡范围内有很大的误差，这种偏差的出现是因为 焊丝端部形成铅笔尖，使焊丝形状发生变化引起的。在射流过渡中存在液柱不稳 定现象，可应用不稳定收缩理论解释。而在滴状过渡中，利用高速摄影可以看到 固体金属一旦熔化，将形成球形液态熔滴，比圆柱形液态金属处于更低的自由 图1 5 熔滴尺寸理论计算值与实验结果比较【3 】 f i g 1 5c o m p a r i s o no f p r c d i c t e d 卸d m e u r e dd m p l e ts i z e 【3 】 能状态，因此把不稳定收缩收缩理论用于不存在圆柱形液态束的问题是不合逻辑 的。同时，不稳定收缩理论很难解释排斥滴状过渡和焊丝干伸长的影响。 因此，静力平衡理论和不稳定收缩理论对熔滴的预测虽然取得了一定的成 果，但也存在很大的局限性。而且这两种模型均不能解释滴状过渡和射滴过渡共 存的现象1 酗。 1 4 2 能量最小原理 熔滴过渡不仅是一种力学行为，也可以理解为一种能量行为。对于熔滴而言， 液面的变化趋势总是趋于能量最小，以使包括电弧在内的整个熔滴过渡系统能量 最小。杨世彦h 等利用s u r f a c ee v o l v e r 软件作为有限元分析手段，从能量的角 度出发，根据电动力学和其它相关的基础理论，通过对射滴过渡系统中电磁能和 重力势能等的数学变换和描述，建立了适合于该软件的射滴过渡能量模型，在此 第一章绪论 基础上实现了对熔滴平衡和临界失稳状态的有限元分析，计算了不同电流条件下 的熔滴尺寸，并分析了附加机械力对熔滴过渡行为的影响。该模型模拟结果与工 艺试验基本吻合。j o o 【3 3 】等利用表面能最小原理计算了焊丝端部熔滴的形状及体 积。以上计算所依据的模型均为静态模型，不能描述熔滴过渡过程中熔滴尺寸及 形状的变化规律，而这些变化包含了丰富的关于熔滴过渡的信息，因此对熔滴过 渡进行动态模拟更具有意义。 1 4 3 流体动力学理论 s i m p s o n l 3 4 等以流体动力学连续性方程、动量方程为基础建立了g m a w 焊 接熔滴过渡的一维动态模型，将悬挂熔滴的尺寸及形状看作电流及时间的函数， 考虑重力、电磁收缩力、等离子流拉力、表面张力等的影响，对熔滴在不同时刻 的形状及尺寸进行了计算。h a i d a rb 5 1 等建立了滴状过渡及射流过渡的动态模型， 利用v o f 算法对熔滴过渡进行了模拟。k i m l 3 6 j 刀等建立了g m a w 焊熔滴过渡的 二维动态模型，同时考虑了熔滴温度的不均匀性及变化，利用v o f 算法进行求 解，得出了熔滴的速度场及温度场，并求解出熔滴的尺寸及过渡频率。但该模型 主要适用于大电流情况下的喷射过渡，不能预测滴状过渡向射流过渡转变的临界 条件。f a n 3 卅等利用v o f 算法计算了熔滴与熔池相互作用时的热传递及流体速度 场，该理论模型复杂，计算时间比较长。 1 4 4 。质t t - 弹簧”理论 该理论由s h a w 9 1 等提出，最先用于模拟水龙头中缓慢流出的水滴，后由 w a t k i n s 们等用于对熔滴过渡的模拟。目前国内外对这方面的探索比较少， w a t k i n s 利用该理论模型计算出熔滴的尺寸和过渡频率，模拟值与实验结果基本 吻合，但只是分析了临界电流范围内熔滴位移随时间的变化过程，没有模拟出滴 状过渡和射流过渡情况下熔滴的位移及振荡速度等对熔滴过渡行为的影响。 c h o i l 4 哪等利用该理论模型分析了连续电流条件下熔滴的振荡，并计算出弹性系数 随熔滴位移的变化，熔滴尺寸的预测值跟实验结果基本吻合，但只是分析了单个 熔滴的位移随时间的变化，并假定熔滴起始阶段是不振荡的，这种假设显然是不 合实际的。研究发现，熔滴在脱落以后，残留在焊丝端部的液态金属及脱落 山东大学硕士学位论文 后的熔滴形状均发生变化，残留熔滴会在焊丝端部产生明显的振荡。j o n e s 4 2 1 将 熔滴看作形状复杂的椭球建立了熔滴过渡的动态模型，并在计算过程中引入弹簧 力和阻尼力对熔滴进行受力分析。综上可以看出，利用该理论模型对熔滴过渡的 模拟还不成熟；另外，对熔滴过渡行为的模拟还仅局限在连续电流范围内，将该 理论用于脉冲g m a w 焊接熔滴过渡行为的研究，目前尚属空白。 1 5 本文的主要研究内容 基于上述对g m a w 焊接熔滴过渡研究现状的分析，本文拟利用“质量一弹 簧”理论建立适合于熔滴过渡的模型，分别对连续电流和脉冲电流条件下的熔滴 过渡进行动态模拟。具体内容如下： 1 分析熔滴的受力情况，利用“质量一弹簧”理论建立g m a w 焊接熔滴过 渡的动态模型。模型考虑熔滴在长大和脱离过程中振荡速度的影响，熔滴的质量 随时间线性变化。 2 利用所建立的模型，对连续电流条件下的熔滴长大和脱离过程进行数值 模拟，分析熔滴的振荡和脱离过程，定性讨论熔滴在长大和脱离过程中的振荡速 度以及熔滴受力等对熔滴过渡行为的影响。计算熔滴的尺寸和过渡频率，并将模 拟值与实验结果进行比较。 3 利用所建立的模型，计算并分析脉冲电流条件下熔滴的长大和脱离过程， 研究脉冲g m a w 焊接一脉一滴主动控制模式，为实现优质高效的脉冲g m a w 焊接作初步的理论探讨。 第二章g m a w 焊接熔滴过渡的动态模型 第二章g m a w 焊接熔滴过渡的动态模型 正如第一章所述，许多研究者采用不同的数学模型对g m a w 焊接熔滴过渡 行为进行了多方面的理论研究。经典的熔滴过渡理论( 主要有静力平衡理论和不 稳定收缩理论) 对熔滴过渡的计算只是考虑了熔滴在脱离时刻的静态平衡或波长 不稳定性，没有考虑熔滴在长大过程中熔滴尺寸的变化以及熔化速度对过渡尺寸 的影响，更没有考虑熔滴在长大和脱离过程中的振荡速度，因此理论预测值与实 验结果偏差较大。近年来熔滴过渡的动态模拟有了很大的进展，使熔滴的理论预 测更趋近于实验结果，计算精度提高。目前，利用流体动力学理论和“质量一弹 簧”理论来模拟熔滴过渡动态过程已成为这方面的研究热点。流体动力学理论从 流体动力学的角度出发，建立了较为复杂的g m a w 焊接熔滴过渡的二维动态模 型，但模型作了较多的假设，涉及到一组偏微分方程的联立求解，计算量庞大， 并且不能准确地反映熔滴长大过程中产生的振荡，这种理论主要适用于小电流范 围内滴状过渡的数值模拟，对于临界电流区间出现的混合过渡及喷射过渡不能予 以准确模拟。采用“质量一弹簧”理论对熔滴过渡进行模拟方面的研究还比较少， 而且将该理论用于脉冲g m a w 焊接熔滴过渡，实现一脉一滴过渡的可控性和规 则性的描述，目前国内外尚属空白。 鉴于这种情况，本章根据焊接过程中熔滴过渡的特点和规律，利用“质量一 弹簧”理论建立熔滴过渡的动态模型，为连续电流g m a w 焊接和脉冲g m a w 焊接一脉一滴主动控制模式情况下熔滴过渡的动态模拟和数值分析奠定基础。 2 1 数学模型的建立 根据“质量一弹簧”理论，本文采用的模型将焊丝端部的熔滴看作一个“质 量一弹簧”系统，假想弹簧一端连着固体焊丝，一端连着液态金属熔滴。同时， 为了简化计算和分析过程，模型的建立过程基于以下假设： 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 液态金属的物性参数是恒定不变的； ( 2 ) 焊丝具有恒定的熔化速度； ( 3 ) 系统以焊丝为轴线对称： ( 4 ) 液态金属熔滴在垂直于焊丝方向的速度可以忽略。 基于以上假设，熔滴的长大和脱离过程采用阻尼系数、质量和弹簧系数均 变化的线性“质量一弹簧”系统来表示： 聊等+ k x + 6 妾：鼻 ( 2 1 ) d rd t 1 ”。 等= q = c d 瑚 ( 2 2 ) 础 、7 式中，x 为熔滴的弹性位移，m 为熔滴质量，t 为时间，b 为阻尼系数，k 为 弹簧系数，q 为常量，表示熔滴的质量随时间线性增加，f 为熔滴受到的外部 作用力。其中，弹簧的弹性力为：磊= 奴。熔滴受到的阻尼力为：五= 6 冬。 甜 熔滴受力如图2 1 所示。熔滴的质量随时间线性增加，位移在熔滴的不断的 振荡过程中发生变化。熔滴的表面张力由假想的弹簧力代替，随时间步的增加不 断发生变化。当熔滴的位移达到一个临界值工。时，熔滴的质量突然减小，熔滴 失稳收缩并脱离。焊丝端部的残留熔滴仍按照( 2 1 ) 式振荡，熔滴的质量按照( 2 2 ) 式增大。 ( 2 1 ) 式中，熔滴受到的外部作用力e 可表示如下： 互= + 匕+ 乃 ( 2 3 ) 式中，t 、只。、乃分别为熔滴受到的重力、电磁力和等离子流拉力a 因此，对( 2 1 ) 式熔滴的动态力学平衡方程可表示： f t 一 t 一 t 一 ，= 0 式中，z 为熔滴受到的惯性力。 第二章g m a w 焊接熔滴过渡的动态模型 3 2 2 8 2 。2 e ! ! 目目l e ! ! ；! ；鲨_ e ! 目自i ! t n e c k 二l + 图2 1 熔滴受力示意图 f i g - 2 1s k e t c ho f t h ef o r c e sa c t i n go nt h ed r o p l e t 熔滴的长大鄱脱离是连续发生的，假定熔滴达到临界位移时的临界质量为 m 。，熔滴的脱离质量为a m 。熔滴的脱离质量可通过三种方式可以确定： 肘= f 1 m 。 ( 2 4 ) 埘= z 2 t ( 2 5 ) m = f 3 m 。屹 ( 2 6 ) 式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 中，z 、2 、l3 为待定系数，k 为焊丝末端熔滴的临界振 荡速度。由于熔滴的脱离是作用于熔滴上的力和惯性动量联合作用的结果，式 ( 2 4 ) 、( 2 5 ) 对熔滴脱离质量膨的确定都存在不足，式( 2 6 ) 综合考虑了熔滴的临 界质量和振荡速度的影响，使得计算过程更接近实际，因此本文的研究中采用( 2 6 ) 式。 图2 2 为熔滴的脱离示意图，形状较大的表示脱离熔滴，形状较小的表示残 留熔滴。在所建立的模型中，系统质量中心点的临界位移为x 。，熔滴脱离后， 残留熔滴的初始位移由以下公式确定： 、 铲r 五警 ( 2 ，) 式中，r ；( 3 拿堕) ；，p 为焊丝的密度。 斗刀：d d 吐 r 眦 出 一 姗 蛔 旷妾 山东大学硕士学位论文 图2 2 熔滴脱离示意图 f i g 2 2d e t a c h m e n t s k e t c ho f t h ed r o p l e t 2 2 力学模型的描述 熔滴在长大和脱离过程中，受到的外力主要包括：重力、电磁收缩力、等离 子流拉力、表面张力以及金属蒸发反作用力等。对于金属蒸发反作用力的计算可 以忽略，熔滴受到的表面张力由假想的弹簧力代替，表面张力可以作为判断熔滴 脱离过程的一个依据，对模型计算进行验证。本节将根据动态模型的需要，建立 熔滴过渡的力学模型。 、 2 2 1 电磁收缩力 电磁收缩力是通过熔滴的电流与其自身磁场相互作用的结果，电流通过熔 滴，导体截面是变化的，将产生电磁力的轴向分力，方向是由小截面指向大截面。 电磁力的计算可用下式表示： e 。= d x b ( 2 8 ) 式中，为电流密度，口为磁场强度。 在熔滴的长大和脱离过程中，电磁力的径向分布力作为脱离力可以忽略，这 样作用在熔滴上的轴向分布力可假设为： 第二章g m a w 焊接熔滴过渡的动态模型 = j ( j x b ) s i n q ，d v ( 2 9 ) r 妒为作用力矢量与轴线间的夹角，进行积分可以得到： 民= 等陋rs i n 0 - 一- 1 1 + 南h 而2 亿埘 式中， ，是焊接电流，胁是自由空间的磁导率，r 为熔滴半径，为焊丝半径， 秒为电弧半锥角( 如图2 3 所示) 。文献 3 认为当电弧半锥角占大于6 0 度时， 对电磁力的计算结果影响并不大，为使模型计算简化，本文在计算过程中将电弧 半锥角0 取为1 5 0 度。 图2 3电磁收缩力分析示意图 f i g 2 3c a l c u l a t i o no f e i e c 仃o m a g n e t i cf o r c e 2 2 2 等离子流拉力 熔滴上的等离子流拉力( p l a s m ad r a gf o r c e ) 可看作是侵入运动流体中的球 体受到的拉力。在均速流体中，球体受到的拉力可表示为幢3 ： 乃：c a a ，( 2 )( 2 1 1 ) 式中，c 。为等离子流拉力系数，a ，为等离子流力作用面积，p s 和。，分别为电 弧空间气体的密度和流速。等离子流面积a 。的计算如下： 4 p = x ( r 2 一r 2 )( 2 1 2 ) 山东大学硕士学位论文 对熔滴所受的等离子流拉力，c 。取决于保护气体的雷诺系数。保护气体的 雷诺系数可根据等离子流的流速来确定，目前还没有关于g m a w 焊接的等离子 流流速数据，这里将g m a w 焊接的等离子流流速取为g t a w 焊接的等离子流速， 即1 0 0 m s ，对应的雷诺系数为0 4 4 3 。p ，取氩气的密度。 2 2 3 表面张力和重力 表面张力c 是保持熔滴稳定并阻碍其过渡的主要作用力口 4 ，一般可表示 为： c = 2 盯( 2 1 3 ) 式中，盯为表面张力系数，r 为焊丝半径。文献 4 0 1 根据表面张力的计算推导 了弹性系数的计算方程，这将在下面的分析中提到。 重力的计算公式表示为： 疋= 昙艘3 p g ( 2 1 4 ) 式中，p 为液态熔滴的密度，这里取焊丝的密度，g 为重力加速度，r 为熔滴半 径。 2 3 关键问题的处理 2 3 1 采用的计算方法 2 3 1 1 模型的数值计算 对微分方程的计算，本文采用四阶r k 法h 4 1 进行计算，该数值方法具有四 阶精度，计算精度较高。 对式( 2 1 ) 及式( 2 2 ) 的二阶微分方程的求解可认为是对线性一阶常微分方程 的计算演化而来，并将二阶微分方程转化为一阶常微分方程，对初值问题进行数 值求解。公式推导如下： 由撼埘万d 2 x + 奴+ 嗉= f 第二章g m a w 焊接熔滴过渡的动态模型 式中 设定： y 1 ( f ) = x ( f ) 亟d t = y 2 ， 贿： 霉t l t = 孥d t = 粤t l t _- 由此可得： 鲁咄 1 砒一只一6 警嘲 【d tr e ( t ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) k 1 12 y 2 k k 2 l = f ( t i ，y 1 ，y 2 女) k 1 2 ：y 2 t + a t k 2 1 k 2 2 = f ( f i + i a t ，y l it a 2 t k _ y 2 i + a 2 t r 2 1 ) 蜀3 ：_ y 2 。+ 等k ： 2 2 0 k 2 3 = f ( t k + 了a t ，y i i + a 2 r k 一, y 2 i + a 2 t k 2 2 ) k 2 4 = f ( t t + a t ，y 1 i + a t k l 3 ，y 2 i + a t k ) 式中，f 为时间步长。 设定时间步和初始条件，选取合适的时间步长，利用上述方法对熔滴的长大 和脱离进行动态模拟。在模拟过程中对物性参数进行微调，反复计算直到收敛为 止。其中，熔滴的质量随时间线性增加。 2 3 1 2 模型的解析方法 熔滴的弹性系数k ，熔滴质量m ，以及熔滴所受到的作用力f 都为时间的 j m k 卜 + 砜 + 幢 k k 2 2 + + 芷 足 厅一6一6 + + m 圪 | | | i 山东大学硕士学位论文 函数，对式( 2 1 ) 及式( 2 2 ) 很难进行精确的求解，在进行计算时可先假设这些系数 是恒量，对方程( 2 1