高速焊接时熔池形状的解析计算.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除高速焊接时熔池形状的解析计算 陈姬 武传松（山东大学 材料连接技术研究所, 济南250061）* 山东省自然科学基金重点项目（Z2003F05）摘 要：结合薄板高速焊接的工艺特点，考虑了有限板厚、表面散热和分布热源的作用，给出了焊接温度场和熔池形状的解析计算公式。在高速焊情况下，计算了不同焊接速度（从1.0 m/min变化到3.0 m/min）时的熔池形状。为定量研究熔池形状参数对焊缝成形缺陷（咬边和驼峰）的影响以及高速焊接焊缝成形缺陷的产生机理，奠定了基础。 关键词：高速焊接 熔池形状 解析计算 焊缝成形缺陷 0前言 提高生产效率、降低产品成本是制造业增强市场竞争能力的重要途径。焊接作为一种重要的制造成形工艺，其效率的提高对企业总的生产率的提高有着举足轻重的影响。现代工业生产对焊接生产加工的效率提出了越来越高的要求1。高效焊接方法包括高熔敷率焊接和高速焊接2。对于厚大焊件，高熔敷率焊接方法可以减少焊接层数，从而大大提高生产效率（如TIME焊接工艺3）。而对于薄板焊接，一般不采用多层焊，因此提高焊接效率的主要出发点就是在保证焊接质量的同时提高单道焊接速度3-5。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差，容易产生咬边和驼峰这两类缺陷4，5。如何解决高速焊接（焊接速度都在1.0 m/min以上）时焊缝成形差的问题，是大幅度提高焊接生产效率的关键。高速焊接时熔池的形状参数，是决定焊缝成形缺陷（咬边和驼峰）产生与否的关键因素之一。 为了研究高速焊接焊缝成形缺陷的产生机理，首先需要计算出高速焊接时不同工艺条件下的熔池形状参数。熔池形状尺寸的计算方法，有数值模拟法和解析法。数值模拟采用有限单元法或有限差分法，将焊接工件经过离散化处理，把焊接传热微分方程变为一系列代数方程组，得到数值解。但是，数值模拟法比较复杂，占用机时多。如果能够得出物理意义明晰、精度符合要求、计算公式和方程相对简单的解析法，则有利于工程实际应用。经典的焊接热过程解析公式，如雷卡林公式或罗森塞尔公式，把工件作为无限大薄板或半无限大体，把热源集中于一点或一线，只适合于计算远离熔池部位的温度分布，熔池尺寸本身的计算误差很大6, 7。麻省理工学院Eagar教授8和日本国立金属研究所Suzuki等人9分别以二维分布的高斯热源和三维椭球体热源对罗森塞尔公式做出了重要改进，但仍将工件作为半无限大体处理。韩国学者Boo等人10考虑了有限板厚电弧焊温度分布的解析计算问题，但公式推导和热源处理方面还存在不够完善之处。本文结合薄板高速焊接的工艺特点，给出了焊接温度场和熔池形状的解析计算方程，为研究高速焊接焊缝成形缺陷的产生机理奠定了基础。 1高速电弧焊热过程解析模型 为了建立高速电弧焊接的热过程解析模型，将作用于工件表面上的电弧热源按高斯分布热源处理，考虑高速焊接时电弧的后拖现象，按实际尺寸处理工件厚度，并考虑工件上下表面的散热。如图1所示，在工件上分别建立固定坐标系（0XYZ）与运动坐标系（xyz）。图1 焊件上的坐标系对于一定厚度的板，设其板厚为d，其上作用高斯分布的面热源，该热源沿X方向运动。在固定坐标系下，导热方程为 (1) 考虑到上下表面有散热（对流与辐射），散热方程为：上表面： (2) 下表面： (3)式中，a是导温系数， 是导热系数， 和 分别是工件上下表面的换热系数， 是环境温度。 初始条件是： （4）首先，将工件上作用的高斯分布平面热源分离成无限个点热源，先求解一个点热源作用下的情况。采用分离变量法和特征值，于是，在 时刻，位于（ ， ， ）的点热源 瞬时作用之后，在t时刻于点（X，Y，Z）引起的温度变化为： (5) 式中， (6) (7) (8)然后，假设在工件上作用高斯分布热源： Q（ , ,t）= exp(- ) (9)式中 是热源分布参数， 将热源分布区域离散化，瞬时点热源作用Q（ , ,t） ,在t时刻（x,y,z）引起的温度变化： 在热源作用的时间间隔0, t内积分，得出动坐标系下点（x,y,z）在t时刻的温度：式(10)就是在考虑高斯分布热源、有限板厚、工件上下表面散热的条件下推导出的电弧焊温度场解析计算公式。对于高速焊，会发生热源后拖的现象，在程序中也简单地模拟这种现象，认为热源后拖量与焊速成正比。物理量 名称或定义 单位 低碳钢试件的取 值 a 导温系数 mm2 s-1 10.0 导热系数 Wmm-1-1 0.038 热源分布参数 2.2 h1 上表面换热系数 W mm-2-1 5.010-5 h2 下表面换热系数 W mm-2 K-1 1.810-5 Tm 熔点 1497 T0 环境温度 20c 容积比热 J kg-1-1 0.0062 电弧热效率 0.60表1 模型中所用到的参数 2 计算结果 对于3 mm厚低碳钢试件高速焊接，利用焊接温度场解析计算公式（10），编制计算程序，计算出了不同工艺条件下的熔池形状。试件材料的热物理性能参数和其他参数如表1所示。图2比较了高速焊接时热源后拖现象对熔池形状计算结果的影响。可以看出，考虑热源后拖现象时，熔池整体向后偏移。以下计算结果均考虑了高速焊电弧有后拖的实际情况。图3是焊接速度对熔池形状的影响。在电弧功率不变的情况下(U=31 V, I=300 A)，随着焊接速度的提高（从1.0 m/min变化到3.0 m/min），熔池整体收缩、后移。图4比较了不同焊接电流时的熔池形状。当焊接速度保持恒定时，焊接电流增加，焊接热输入也增大，熔池体积整体扩大，熔池最大宽度处和最大熔深处的坐标后移，并且最大熔深处坐标的后移更明显。例如，当焊接速度为1.5 m/min，焊接电流从200 A升高到300 A时，熔池最大宽度处的坐标从x = -2.45 mm后移为x = -2.69 mm，最大熔深处的坐标从x = -3.5 mm后移为x = -5.0 mm。（a）熔池上表面（b）熔池纵截面图2两种情况下熔池轮廓的比较(U=31V, I=300A, V=1.5m/min) (a) 熔池上表面 (b) 熔池纵截面图3不同焊接速度时的熔池轮廓 (U=31V, I=300A) (a) 熔池上表面 (b)熔池纵截面图4 焊接电流对熔池形状的影响(U=30 V, v=1.5 m/min) 3 结 论 综合考虑有限板厚、表面散热和分布热源的作用，推导出了焊接温度场和熔池形状的解析计算公式。对于3 mm厚低碳钢试件CO2高速焊接，考虑了电弧的后拖，计算出了不同工艺条件下的熔池形状。当焊接速度保持恒定时，随着焊接电流增加，焊接热输入也增大，熔池体积整体扩大，熔池最大宽度处和最大熔深处的坐标后移，并且最大熔深处坐标的后移更明显。在电弧功率不变的情况下，随着焊接速度的提高（从1.0 m/min变化到3.0 m/min），熔池整体收缩、后移。高速焊时出现这种熔池的形状特点，对焊缝成形缺陷（咬边和驼峰）的产生有重要的影响。 参考文献： 1 林尚扬, 关桥. 我国制造业焊接生产现状与发展战略研究C. 熔焊新技术及应用研讨会论文集, 2003, 1-26. 2 R. Olsson. High-speed welding gives a competitive edgeJ. Welding Review International, 1995, 14(80):128-131. 3 J. Tusek. Raising arc welding productivityJ. Welding Review International, 1996, 15(8):102-105. 4 冯雷，陈树君，殷树言. 高速焊接时焊缝咬的形成机理J.焊接学报1999,(20)1:1621 5 黄鹏飞, 殷树言, 卢振洋, 等. 高速熔化极气体保护焊机研制C. 汽车焊接国际论坛论文集, 2003, 213-218. 6 D. Rosenthal. Mathematical theory of heat distribution during welding and cuttingJ. Welding Journal, 1941, 20, 220s-225s. 7 A. C. Jr. Nunes. An extended Rosenthal weld modelJ. Welding Journal, 1983, 62, 165s-170s. 8 T. W. Eagar ， N. S. Tsai. Temperature fields produced by traveling distributed heat sourceJ. Welding Journal, 1983, 62, 346s-355s. 9 N. T. Nguyen, A. Ohta, K. Matsuoka, 等. Analytical solution for transient temperature of semi-infinite body subjected to 3-D moving heat sourcesJ. Welding Journal, 1999, 78, 265s-274s. 10 K.