文章编号:1005-0299(1999)04-0082-05GMAW 焊接熔池的流场及其对熔池形状的影响孙俊生1,魏 星1,李宁洋2(山东工业大学材料学院,山东济南250061;2.山东省交通干部学校,山东济南250000)摘 要:采用数值分析方法研究了GMAW 焊接熔滴为滴状、射流过渡时焊接熔池的流场,分析了流场对熔池形状的影响.实验表明,焊缝尺寸的计算值和实测值吻合良好,建立的数值分析模型可精确地模拟GMAW 焊接熔池的流场,这对控制焊缝成形,提高焊接质量具有重要意义.关键词:GMAW ;熔池;流场;熔池形状中图分类号:TG444 文献标识码:A The fluid flow of G MAW weldpool and its effect on weldpool geometrySUN Jun -sheng 1, WEI Xing 1, LI Ning -yang 2(1.School of Material ,Shandong Universit y of Technology ,Ji ′nan 250061,China ;2.Shandong Transportation Cadre School ,Ji ′nan 250061,China )A bstract :The weldpool fluid flow field is studied by means of numerical simulation when the metal mode is globular or spray transfer and its effect on weldpool geometr y is analyzed .The experiment r esult sho ws that the calculated weld size is in good agreement with the experiment result .The simulation model established can accurately simulate the fluid flow field of the GMAW weldpool .Therefore ,it has great significance in controlling weld geometr y and in -cr easing weld quality .Key words :GMAW ;weldpool ;fluid flow field ;weldpool geometr y 焊接熔池中液态金属的流动状态(流场),对熔池中的冶金反应、结晶方向、晶体结构、焊缝中夹杂物的分布及数量,以及焊接缺陷(气孔和结晶裂纹)的产生均有极其重要的影响.因此,准确定量地分析焊接熔池的流场具有重要的理论意义和实际意义.目前由于实验手段的限制,采用实验方法研究熔池的流场还存在较大的困难,用计算机进行数值模拟是一种有效的手段.近十几年来,国内外学者对GTAW (钨极氩弧焊)焊接熔池流场、温度场的数值模型进行了深入研究,并取得了较大的进展,但对焊接生产中广泛应用的GMAW (熔化极氩弧焊)焊接的研究较少,这是由于GMAW 焊接的熔滴过渡传输给焊接熔池动量、热量和质量,增加了研究的难度.熔滴的动量和质量使熔池表面产生了严重的表面变形,电弧中心线附近熔池表面下凹,而熔池尾部隆起.由于熔池表面变为收稿日期:1998-12-22作者简介:孙俊生(1963-),男,博士,副教授. 第7卷 第4期 材 料 科 学 与 工 艺 Vol .7 No .4 1999年12月 MATERI AL SCIENCE &TECHNOLOGY Dec . 1999复杂曲面,因此高斯热流分布模型已不再适用;同时熔滴热焓量在熔池中的分布模型目前也是人为地设定.因此建立熔池表面变形情况下电弧热流在熔池表面及熔滴热焓量在熔池中的分布模式是对GMAW 焊接熔池温度场、流场进行数值模拟的两个关键问题.本文作者根据电弧作用的物理过程,建立了上述两个模型,其详细内容已在文献[1,2]论述,在此不再讨论.本文利用上述模型,采用数值分析方法研究分析了GMAW 焊接熔滴为滴状过渡、射流过渡时熔池中的流场及其对熔池形状的影响.1 数值分析模型 如图1所示,焊接电弧以恒定速度v 0沿x 方向在工件表面运动,焊丝以一定速度熔化形成熔滴进入熔池,形成焊缝加厚高,并将其能量、动量和质量传输给熔池.熔滴过渡的动量,加上电磁力、浮力和表面张力梯度的作用,使熔池中的液态金属激烈运动.在动坐标系o -xyz 下,描述GMAW 熔池流场和温度场的控制方程为·v =0ρ(v · )v =F b - p +μ 2v ρc p (T )(v · T )= ·[λ(T ) T ]+H w 式中,v 为流速矢量(m /s );ρ为密度(kg /m 3);F b 为体积力[2](N /m 3);p 为压力(Pa );μ为动力粘度系数(kg /m ·s ),c p 为比定压热容(J /kg ·K );T 为温度(K );λ为热导率(W /m ·K ),H w 为熔滴带入熔池的热焓量,其大小根据熔滴的过渡频率ν、熔滴质量m d 、熔滴与熔池液态金属热焓差值ΔH 以及焊丝直径d 和送丝速度v m 由下式计算H w =4νm d ·ΔHπd 2v m ,计算表明,熔滴热焓量分布于熔池最大凹陷处下方的一近似圆锥体内,该圆锥体的体积与焊接规范参数有关,其确定方法见文献[2].采用显热容法处理液固两相区[3].如图1所示,在坐标系o 1xy Υ下,熔池表面变形的控制方程为[1]p a -ρg Υ+p d +λ=-γ(1+Υ2y )Υxx -2Υx Υy Υxy +(1+Υ2x )Υyy (1+Υ2x +Υ2y )3/2(1)式中,p a 、p d 分别表示电弧压力和熔滴冲击压力(N /m 2);g 为重力加速度(9.8m /s 2);λ为待定常数,根据熔池体积守恒确定;γ为表面张力(N /m );Υ为熔池表面形状函数(m ),带下角标的Υ表示Υ对该角标变量的偏导数,如Υxx = 2Υ2x.单道焊时焊缝加厚高面积为A =v m πd 2/4u 0,其几何形状由熔池表面变形方程(1)求出的形状函数Υ(x ,y )确定.边界条件具有如下形式:能量方程的边界条件为-K T ·n b =q s式中,n b 为工件表面的单位法向矢量;q s 为电弧热流密度.当y =0时,q s =0;在焊件上表面,q s 的计算方法见文献[1];在其它表面,q s =α(T -T 0),其中,α为换热系数[1],T 0为环境温度(K ).动量方程的边界条件为-μ( u z ＊z ＊ z ·n b x )= γ T ( T x ·t b x )-μ( v z z ＊z ·n b y )= γ T ( T y ·t b y )(w ·n b )=0其中,u ,v ,w 为流速分量(m /s );z ＊为曲线坐标;n b x 和n b y 分别为n b 在xo z 平面和yoz 平面内的投影,t b x 、t b y 分别表示工件上表面沿x 和y 方向的切向单位矢量.在液固两相区和固体中u =-u 0,v =w =0 熔池表面变形方程(4)的边界条件为Υ(x ,y )=0, T ≤T s 其中T s 为固相线温度(K ).图1 GMAW 焊接示意图Fig .1 Schematic sketch of GMAW welding system·83· 第4期 孙俊生,等:GMAW 焊接熔池的流场及其对熔池形状的影响 2 计算结果与讨论 采用非正交帖体曲线坐标系和有限差分技术,克服了复杂熔池表面形状的描述困难.为了提高计算精度,应用了间距变化的非均匀网格.对低碳钢GMAW 焊接熔池的流场、温度场进行了数值计算,所用试件的尺寸为150mm ×80mm ×6mm ,材料的物理性能参数与文献[1]相同.采用上述计算模型分别计算了熔滴为滴状过渡(焊接电流I =180A )和射流过渡(I =240A )时[4]焊接熔池的流场、温度场.图2为熔滴射流过渡时焊接熔池流场的计算结果,图2(a )、(b )分别为y =0熔池纵向截面和x =0熔池横向截面上液体金属的流速矢量图,图2(c )为射流过渡时焊接熔池流场的示意图.从图2(a )的计算结果可以看出,在焊接熔池中有两个环流,一个在熔池的中部,另一个在熔池的尾部,图2(a )、(b )均表明,在电弧中心线附近,液体金属流向熔池根部.熔池中部环流的形成主要与电磁力、熔滴冲击力的作用有关,在电弧中心线z 轴附近,电磁力、熔滴冲击力的作用方向向下,推着高温的液态金属流向熔池底部,将作用于熔池表面的电弧热带入熔池根部,促使形成指状熔深,所以液体金属的流动是GMAW 产生指状熔深的一个原因.熔池尾部的环流主要是由于熔池表面张力温度梯度引起的,由于表面张力温度梯度通常为负值,所以越靠近电弧中心线的区域,液体金属温度越高,表面张力越低;而在熔池的边界附近,熔池液态金属的温度较低,表面张力较高,因此熔池表面的液态金属就由靠近电弧中心线的区域向熔池边界流动.从图2可以看出,熔滴为射流过渡时,焊接熔池形成了指状熔深,这是由于射流过渡时,电流较大,使得电弧压力提高;熔滴速度增加,使熔滴的冲击力提高;熔池液态金属的流向也把作用于熔池表面的电弧热带到熔池根部,这些因素均导致形成指状熔深.图3表示熔滴为滴状过渡时焊接熔池流场的计算结果.图3(a )、(b )分别为y =0熔池纵向截面和x =0熔池横向截面上液体金属的流速矢量图,图3(c )为滴状过渡时焊接熔池流场的示意图.比较图2、图3可见,滴状过渡时焊接熔池的流场与射流过渡的明显不同.图3(a )表明,滴状过渡 (I =240A ,U =25V ,v 0=430mm /min ,d =1.2mm ,L =16mm )图2 熔滴射流过渡时焊接熔池流场的计算结果(a )y =0m m 纵向截面(b )x =0mm 横向截面(c )流场示意图Fig .2 Predicted fluid flow field in GMA weld pool during spraytransfer时,熔池的流场只有一个环流,此环流的流向不是把电弧热带入熔池根部,而是带到熔池尾部,由图3(b )可见,液态金属的流向也是离开电弧中心线,这样的液态金属流动显然不利于指状熔深的形成.另外滴状过渡时,焊接电流相对较小,电弧压·84· 材 料 科 学 与 工 艺 第7卷力和由熔滴速度决定的熔滴冲击力变小,所以在熔滴为滴状过渡的情况下,形成半圆形熔深,不产生指状熔深.(I =150A ,U =25V ,v 0=430mm /min ,d =1.2mm ,L =16mm )图3 熔滴滴状过渡时焊接熔池流场的计算结果(a )y =0mm 纵向截面(b )x =0m m 横向截面(c )流场示意图Fig .3 Predicted fl uid flow field in GMA weld p ool durin g globulartransfer 综上分析,焊接参数的变化改变了熔滴的过渡形式,熔滴过渡形式的变化极大地影响着熔池中流体流动的方式,而流体的流动方式影响熔池的温度场,温度场决定着熔池和焊缝的几何形状.为了验证本文所建立的数值分析模型的可靠性,进行了焊接工艺实验,测定了焊缝几何尺寸.试件材料、尺寸与数值分析中所采用的相同,即尺寸为150m m ×80mm ×6m m 的低碳钢,焊接电流I 为270A ,电弧电压U 为25V ,焊接速度v 0为430m m /min ,焊丝直径d 为1.2mm ,焊丝干伸长度L 为16mm ,保护气体为Ar +2%C O 2.图4表示实验结果与计算结果的比较,可见本文模型的计算结果与测试结果吻合良好,因此本文所建立的模型明显提高了计算精度. (I =270A ,U =25V ,v 0=430mm /min ,d =1.2m m , L =16mm )图4 焊缝几何形状计算结果和实测结果的比较Fig .4 Comparis on bet ween measured weld dimensions and predictedones3 结论 (1)利用本文的数值分析模型,计算了焊接熔池的流场、温度场,结果表明,熔滴为射流过渡时,在电弧中心线附近,熔池中的液态金属流向熔池根部,从而将作用于熔池表面的电弧热带入熔池根部,促使产生指状熔深.滴状过渡时,熔池中液态金属流向熔池尾部并将作用于熔池表面的电弧热带走,不利于产生指状熔深.(2)焊接工艺实验结果表明,利用本文建立的数值分析模型,计算出的焊缝几何形状与测试结果吻合良好,明显提高了计算精度,本文建立的数值分析模·85· 第4期 孙俊生,等:GMAW 焊接熔池的流场及其对熔池形状的影响 型可精确地模拟GMA W 焊接熔池的流场.参考文献:[1]WU C S ,SUN J S .Modelling the arc heat flux d istribution in GMA W welding [J ].Computational Materials Science ,1998,9:297-402.[2]孙俊生.G MA W 焊接熔滴热焓量分布模型[J ].山东工业大学学报,1998,29(3):212-216.[3]武传松,郑 炜,吴 林.脉冲电流作用下TIG 焊接熔池行为的数值模拟[J ].金属学报,1998,34(4):416-422.[4]傅积和,孙玉林.焊接数据资料手册[M ].北京:机械工业出版社,1994.(责任编辑:吕雪梅)杜善义教授当选为中国工程院院士 《哈尔滨工业大学学报》编委会主任杜善义教授,1938年生于辽宁省大连市。
