CO2氣保焊跳躍電弧下溫度場的模擬

吳春德，王 宏，張建寶

（太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024）

CO2氣保焊跳躍電弧下溫度場的模擬

吳春德，王 宏，張建寶

（太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024）

建立了改進的雙橢球熱源模型和熔滴熱的復(fù)合熱源模型，對CO2氣體保護焊的溫度場及其流場進行了模擬和計算。分析了CO2氣體保護焊在跳躍電弧下的溫度場和流場的特征，同時得出跳躍電弧下不同焊接電流的CO2氣體保護焊熔池的熔深和熔寬。

跳躍電??；復(fù)合熱源；數(shù)值模擬

0 前言

CO2氣保焊是當今材料加工工業(yè)領(lǐng)域使用最廣泛的焊接方法之一，具有成本小、抗油膩、變形小、效率高、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，在焊接的過程中電弧不僅對熔池提供熱輸入，同時電弧壓力對熔池有攪拌作用，因此研究電弧對熔池的影響有重大意義。

CO2氣體保護焊中電弧焊，電弧并不像TIG焊接那樣穩(wěn)定，而是一直處于熔滴斑點下端，隨著熔滴的震蕩而震蕩，當熔滴過渡到熔池后，熔滴從焊絲脫離，電弧瞬時從熔滴下端跳躍到焊絲末端，這一過程電弧的動態(tài)行為決定了熔池的形狀，穩(wěn)定的電弧熱源忽略了CO2氣體保護焊電弧在焊接過程中的動態(tài)變化，因此建立動態(tài)的焊接熱源有著重要的現(xiàn)實意義。

1 計算模型的建立

1.1 熱源模型

1.1.1 電弧作用焊件表面熱流

雙橢球熱源模型（見圖1）不僅考慮了電弧的熱輸入也考慮了電弧的挺度，但是CO2氣體保護焊在焊接中電弧是震蕩的，因此對雙橢球熱源進行如下改進。

圖1 熱源模型Fig.1 Sourse model

改進的雙橢球熱源模型公式：

前半部分

后半部分

式中 af、ar分別為橢球體前后的半軸長；ff、fr分別為半橢球體前半部分和后半部分的熱效率，且ff+fr= 2，ch=c+m sin（wt）；c、bh為常數(shù)；w為熔滴過渡周期有關(guān)的常數(shù)。

1.1.2 熔滴熱輸入

熔滴相對于熔池明顯過熱，熔滴帶入熔池的熱焓量Q1，作為內(nèi)部源項處理，其數(shù)學(xué)表達式為

式中 v熔滴過度頻率；ΔH為熔滴和液態(tài)金屬的焓差值；d為焊絲的半徑；Sm為焊絲熔化速度。

1.2 建立幾何模型和劃分網(wǎng)格

對100 mm×60 mm×3 mm的低碳鋼進行模擬，焊縫區(qū)域溫度梯度大，將焊縫區(qū)進行網(wǎng)格加密，遠離焊縫區(qū)溫度梯度較小使用相對較疏的網(wǎng)格。工件模型及網(wǎng)格的劃分如圖2所示。

圖2 工件模型及網(wǎng)格的劃分Fig.2 Workpiece model and grid systern

1.3 邊界條件及初始條件

能量守恒方程的邊界條件為

工件上表面

式中 qa為工件的電弧熱流密度；qcr、qevp分別為對流輻射和蒸發(fā)熱損失；Ta為環(huán)境溫度；mer為蒸發(fā)率；L為相變潛熱；α為對流和輻射邊界條件的綜合散熱系數(shù)。

工件下表面

能量方程的邊界條件為

2 結(jié)果與討論

圖3是電流分別為140 A、160 A、180 A、200 A焊接速度0.005 m/s時，沿x軸方向水平移動4 s后x-y面形成的溫度場。

圖3 x-y面溫度場Fig.3 Temperature filed distribution in the x-y plane

由圖3可知，隨著電流的增加，熔池的高溫區(qū)在焊接方向上增長，在熔池寬度方向上不明顯，越靠近熔池溫度梯度越大，離熔池中心越遠溫度梯度越小，且熔池中心的溫度達到最大值。x-z面的溫度場如圖4所示，x-y面的流場如圖5所示。

圖6是取張力系數(shù)為-0.43e-3在不同電流下的熔池流場，熔池內(nèi)部的液體由熔池中心流向四周。當電流增大時，熔寬和熔池的長度都不同程度的增大，但熔寬改變不明顯，這是因為當電流增大時，對熔池的熱輸入增大。

圖4 x-z面溫度場Fig.4 Temperature filed distribution in the x-z plane

圖5 x-y面的流場Fig.5 Flow filed distribution in x-y plane

電流的變化極大地影響著熔池的表面形狀，隨著電流和熱輸入的增加，焊絲的熔化速度加快，電弧壓力和熔滴的沖擊力提高，從而使熔池的下凹變形，隆起等增大，熔池的表面變形也更加嚴重。

在工件上取A（0.005，0，0），B（0.005，0，-0.001），C（0.005，0，-0.002），D（0.005，0，-0.003）四個點進行跟蹤，這四點在不同焊接電流下焊接4 s的熱循環(huán)曲線如圖7所示。

圖7 不同點的溫度場Fig.7 Temperature filed distribution at different points

由圖7可知，同一點在同一時間，電流越大該點的溫度越高，溫度震蕩越劇烈，且隨時間的增加呈上升趨勢，在跳躍電弧影響下的熱循環(huán)曲線并不是一條光滑的曲線，而是呈波浪式增長。熱源在靠近A點的過程中，A點的溫度并不是呈線性增長，而是呈波浪式增長，當電流一定時，該點溫度場的波動隨時間的變化而變化，且在1 s附近溫度的波動最巨烈，這是因為熱源以0.005 m/s的速度沿x軸移動，當1 s時剛好到達A點，因此在熱源移動方向越靠近熱源，溫度波動的越厲害。由圖7還可知，在垂直方向工件的下表面的D點受跳躍電弧的影響較小，上表面的A點受跳躍電弧的影響最大，B點次之。因此在垂直方向上跳躍電弧對熔池的影響，由上表面到下表面依次遞減，在工件的上表面影響最大，在下表面影響很小。

在不同電流下，焊接速速為0.005 m/s的熔深與熔寬如圖8、圖9所示，具體數(shù)值如表1所示。由表1可知，模擬的熔深與熔寬與實際有一定的誤差，但誤差較小，較為準確。

圖8 焊接電流對熔深的影響Fig.8 Penetration varied with current

圖9 焊接電流對熔寬的影響Fig.9 Weld width varied with current

表1 熔深熔池寬

3 結(jié)論

（1）跳躍電弧受電流的影響，電流越大電弧跳躍頻率越高，溫度場受到跳躍電弧的影響越小，當電流增加到足夠大時溫度場受到跳躍電弧的影響可以忽略。

（2）跳躍電弧對焊件上點溫度場影響：在板厚方向上隨厚度的增加，跳躍電弧對其溫度場的影響減弱。在工件的上表面溫度場受跳躍電弧的影響最大，下表面較小。

（3）通過模擬得出了不同電流下，焊接速度為0.005 m/s時的熔深與熔寬。

[1]武傳松.焊接熱過程與熔池形態(tài)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：183-206.

[2]黃衛(wèi)星，李建明，肖澤義.工程流體力學(xué)（第2版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：136-138.

[3]仝維維.CO2氣保焊短路過渡過程的熔滴與熔池行為的仿真研究[D].安徽：合肥工程工業(yè)大學(xué)，2010.

[4]Fan H G，Kovacevic R.A unified model of transport phenomena in gas metalarc welding including electrode，arc plasmaandmolten pool，J.Phys.D：Appl.Phys.，2004（37）：2531-2544.

[5]DebRoy T，Basu S，Mund K，et al.Weld pool dynamics and the formation of ripples in 3D gas metal arc welding[J].Int.J. Heat Mass Transfer，2008（51）：2537-2552.

[6]Wahab M A，Painter M J，Davies M H.The prediction of the temperature distribution and weld pool geometry in the gas metal arc welding process[J].J.Mater.Process.Technol.，1998（77）：233-239.

CO2gas shielded arc welding simulation of temperature field with the skip arc

WU Chunde，WANG Hong，ZHANG Jianbao
（Colledge of Materials Sicence and Engineering，Taiyuan Unversity of Sicence and Technology，Taiyuan 030024，China）

To establish an improved double ellipsoid heat source model and melt dripping hot composite heat source model，the CO2gas shielded welding temperature field and flow field is simulated and calculated.Analyze the characteristics of CO2 gas shielded welding temperature field and flow field under the skip arc,at the same time draw the pool depth and width under different welding current with the skip arc.

skip arc；composite heat；simulation

TG402

：A

：1001-2303（2015）10-0077-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.17

2014-09-05；

：2015-02-20

吳春德（1987—），男，山西朔州人，碩士，主要從事CO2氣體保護焊的模擬工作。