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1、高等学校工程热物理第十六届全国学术会议论文集 编号：B-100050 送丝速度对 GMAW 焊接过程稳定性的影响 送丝速度对 GMAW 焊接过程稳定性的影响 饶政华 廖胜明 (中南大学能源科学与工程学院，长沙，410083 ) （联系电话：0731-82655054，Email：） 摘摘 要：要：熔化极气体保护焊（GMAW）中，送丝速度必须与焊丝熔化速度保持平衡以获得稳定的焊接 过程。本文建立了二维数学模型，研究了焊接过程的输运现象（包括焊丝熔化，熔滴形成、脱离和过 渡，等离子电弧）及其相互作用；得到了不同条件下，可获得稳定焊接的送丝速度。研究表明，稳定 的焊接过程中，焊丝熔化速度随送丝速度自
2、我调节，两者实现动态的平衡，焊丝伸出长度在合理的范 围内变化。送丝速度太慢会使焊丝烧导电嘴，太快会伸入到熔池内。本文的计算结果与相关的实验结 果相吻合。 关键词：关键词：GMAW；送丝速度；焊丝；数值模拟 1 前言前言 送丝速度对GMAW焊接过程的稳定性和焊接质量具有重要影响。 在焊接过程中， 熔 化的金属积聚在焊丝端头，形成熔滴并周期性地脱离、过渡到熔池内。因此，送丝速度 必须与焊丝的熔化速度保持动态的平衡，以保证适当的弧长以及焊接过程的稳定。许多 研究者对焊丝熔化和送丝过程进行了实验和数值研究1-4。然而，关于GMAW焊丝熔化 的机理尚未被完全掌握，送丝速度其对焊接过程稳定性的影响仍不清楚
3、。 本文建立了非稳态的GMAW模型，考察了焊丝的送入与熔化，熔滴的形成、脱离与 过渡，以及焊丝与电弧间的相互作用；分析了不同焊接电流和焊丝直径下，送丝速度对 焊接过程的影响；并给出了不同条件下稳定的送丝速度。本研究结果有助于更好地理解 GMAW焊接中焊丝熔化过程以及确定送丝速度， 对焊接设备和过程参数控制具有重要意 义。 2 数学模型 2 数学模型 2.1 控制方程 2.1 控制方程 图 1 为 GMAW 焊接系统的轴对称示意图。 其中， 焊接电源连接系统顶端的导电嘴， 提供焊接所需要的能量。焊丝（阳极）和工 件（阴极）之间形成高温电弧，连续送入的 焊丝熔化后在其端头形成熔滴， 熔滴长大后 脱
4、离并过渡到工件上形成熔池。 喷嘴喷出保 护气体，以防止熔化的金属被氧化。焊接停 止后，电弧熄灭，熔池逐渐凝固形成焊缝。 如图 1，由于该系统沿 AG 轴对称构成柱坐 标系统，因此计算区域只考虑系统的一半， 如 ABCDEFGA 所示。 计算区域分为电弧区 和金属区（包括焊丝、工件及熔滴三部分） 。本模型中，等离子流动假设为层流，在电 弧区和金属区内采用如下统一的非稳态控制方程组： 图图 1 GMAW 焊接系统的轴对称示意图 （未按比例） (1) 连续性方程： ( )()0=+ V t r (1) (2) 动量方程： ()()()() () BJuVff uuuu K C uu Kr p uuV
5、u t zrrls ss l s l l l l rrr r =+ 2/1 2 (2) ()()()() ()() BJTTgvVff vvvv K C vv Kz p vvVv t rTrrls ss l s l l l l rrr r + =+ 0 2/1 2 (3) (3) 能量方程： ()()()()()() + + + + + =+ z h c J r h c J e k S JJ t f HhhVVhh c k h c k hVh t s z s rb R e zr l lss ss 5 22 rrr (4) (4) 电流连续性方程： 0 1 2 2 2 = + = zr r rr
6、 (5) (5) 欧姆定律： r J er = z J ez = , (6) (6) 麦克斯韦方程： = r zrdr J r B 0 0 (7) 上述方程组用于确定电弧区和金属区的基本物理参数，包括压力p，速度v 、v rz，温 度T，电势，电流密度Jr、Jz，自感应角向磁场。电弧和金属的材料性质包括密度， 粘性系数，比热c，导热系数k，电导率 B e，渗透函数K，焓h和惯性系数C，固液态质量 分量f。下标s和l分别表示固态和液态金属。V = V - V rls为两相区内液相与固相的相对速度 矢量。本研究忽略金属蒸气的影响。假定电弧等离子处于局部热动平衡以及光学薄状态， 因此在方程(4)中可
7、用单位体积内辐射热损失SR近似表示电弧内的辐射传热5。模型中， 采用连续介质模型6处理固液相变边界；能量方程(4)以焓函数给出，考虑了金属相变时 的潜热。 因此， 计算中不需要显式地追踪相变界面。 以上方程各项的物理意义见文献6， 在此不再赘述。 2.2 自由表面的跟踪 2.2 自由表面的跟踪 利用流体体积（VOF）法跟踪自由运动表面7，该方法引入流体体积分数F(r, z, t) 表示单位容积内流体所占的比例，满足以下方程： ()0=+ =FV t F dt dF r (8) 在计算网格单元内取平均值，即为该单元内金属所占的容积分量。若 F = 1，对应 的单元格内充满金属；若 F = 0，单
8、元格内没有金属；而当 F 为 01 之间时，则表示金 属的自由表面位于该单元格内。这样，可利用 F 计算自由表面单元及其法线方向，确定 熔滴和熔池的自由表面轮廓。 2.3 局部自由表面受力 2.3 局部自由表面受力 熔融金属受到重力、电磁力等体积力的作用，还受到表面张力、Marangoni 切应力、 电弧压力及拖拽力等表面力的作用。在包含自由表面的单元格内，表面张力垂直于自由 表面，表示为： = s p (9) 为自由表面的曲率。 其中为表面张力系数， 自由表面切线方向上，温度相关的 Marangoni 切应力表示为 s T T Ms r = (10) 其中为正切于自由表面的矢量。 s r 自
9、由表面上，等离子拖拽力由紧邻金属自由表面的等离子速度梯度计算得到： s V Ps r r = (11) 是等离子的粘性系数。 其中 金属表面的电弧压力由电弧区的计算结果得到。 利用VOF函数将以上表面力转化为 局部的体积力7，作为边界单元格上的源项加入动量方程。 2.4 电弧与金属表面的能量平衡 2.4 电弧与金属表面的能量平衡 电弧在与焊丝、工件界面上分别存在阳极区和阴极区。该区域内，等离子和金属蒸 气混合物不再满足局部热动平衡条件，无法使用上述模型8。由于该区域非常薄，因此 可将其处理为一个特殊边界。在阳极表面的能量方程中附加以下源项Sa，以考虑作用在 焊丝上的热效应： () evevab
10、wa aarceff a HqTkJ TTk S+ = 4 (12) 其中，keff为有效导热系数；为阳极区的厚度。Tarc为阳极表面外的电弧温度，Ta为阳极 表面温度。为和的平方根， 2 r J 2 z J a J w 为阳极材料逸出功。为发射率，为 Stefan-Boltzmann常数。为液滴上产生金属蒸汽的质量蒸发率 b k 6， 为蒸发潜热。 ev q ev H 在电弧阳极表面，电弧的能量方程考虑因导热引起的冷却效应，源项Sap为： () aarceff ap TTk S = (13) 在金属阴极表面的能量平衡方程仅考虑导热、辐射和蒸发的影响： () evevcb carceff c
11、HqTk TTk S = 4 (14) 其中，为阴极表面的温度。阴极表面电弧的热损失则表示为： c T () carceff cp TTk S = (15) 2.5 边界条件 2.5 边界条件 方程(1)至(7)相应的外边界条件如表 1。其中，AG 为对称边界；AB 为焊丝顶端， 其速度即为送丝速度： ( ) () () () () () () () wn n w wn wn wn wn n wnn RR rR V RR RR RR RR Rr RRrR Q rv ln ln ln ln ln 2 2 22 44 2222 + + + = (16) 其中，Q为送入的保护气体流率，Rw为焊丝半径
12、，Rn为喷嘴的内径，Vw为送丝速度。 表表 1 外部边界条件 vu h边界 2 c R I z = w v T = 300 K AB 0 0= z T = 300 K BC 0 方程(16) () 0= z v 0= z T = 300 K CD 0 () 0= r u 0= r T = 300 K DE 0 0= T = 300 K EF 0 0 0= T = 300 K FG 0 0 0= r v 0= r T 0= r GA 0 3 数值方法 3 数值方法 计算过程中，电流连续性方程连同相应的边界条件在整个计算区域内进行迭代求 解，获得电流密度的分布。其它主要变量（如p，u，v和T等）则
13、按电弧区和金属区内分 别计算。在每个时间步长内，两个计算区域通过界面上的边界条件相互耦合。对于金属 区，采用Torrey等 7给出的计算方法求解变量p、u、v和T。对于电弧区，采用全隐式的 方法求解非稳态项，采用迎风格式计算对流扩散系数。利用SIMPLE算法 10 求解动量方 程和质量连续性方程，以获得电弧速度场。在每个时间步长，基于更新的参数首先求解 电流连续性方程，由此获得新的电流密度和电磁力分布，更新动量和能量方程源项；迭 代求解动量方程和质量连续性方程获得压力场和速度场，求解能量方程获得温度场；然 后，更新温度相关的物性参数，将程序返回到第一步，计算电流连续性方程。在每个时 间步长重复
14、该过程，直到达到收敛标准。 计算区域的尺寸为rz = 5.0 cm3.05 cm。本计算采用了非均匀网格系统，在阳极和 阴极附近的电弧区内对网格进行了加密。兼顾计算时间和计算精度，选取了合理的网格 数和时间步长。阳极和阴极附近的网格最小达 0.01 cm，时间步长为 5 106 s。 4 计算结果与讨论 4 计算结果与讨论 焊丝材料为软钢，向下匀速送入。工件为直径 3 cm、厚 0.5 cm 的软钢圆盘。保护 气体Ar由内径1.91 cm的喷嘴流出， 流量为23 l/min。 软钢和Ar的热物性参数见文献11。 焊丝初始的伸出长度为 16.0 mm，初始弧长（焊丝端头与工件表面之间的距离）9.
15、5 mm， 焊丝端头的位置即为 z = 14.5 mm。计算中假定电流强度恒定，分别改变送丝速度、焊接 电流和焊丝直径，以考察这些变量对焊丝熔化、焊接过程稳定性的影响。 4.1 送丝速度对焊接过程的影响 4.1 送丝速度对焊接过程的影响 图 2 显示了Vw = 4 cm/s，I = 200 A和d = 1.6 mm条件下，t = 10 ms到t = 606 ms期间， 电弧区和金属区内温度和速度的分布变化，包含前三个熔滴的形成、脱离、过渡到熔池 内的过程。金属区的形状由粗实线标出，虚线表示熔化分界面（T = 1800K） 。该条件下， 熔滴过渡为滴状模式， 熔滴呈球形且直径大于焊丝， 这与相关实验12观察到的现象一致。 金属区内导热、对流换热、电阻热以及等离子电弧热传递等的能量平衡决定了焊丝的传 热与熔化过程。如图 2(a)，焊丝被明显地分为两个部分，即上部固态区和下部构成熔滴 的液态区。由于焊丝端头表面与电弧直接接触以及熔滴内的对流换热，熔滴内的等温线 呈U形分布，最高温度出现在熔滴表面上（约为 3020 K） 。焊丝上固液分界面不是平的， 中部略向下凹（如图 2 中虚线所示） 。图 2(b)显示了熔
