淺談焊接重力對(duì)焊縫的影響

高建生 林鵬皓 曹春鵬 馬敬旗

摘 要：了解焊接過(guò)程中涉及的物理現(xiàn)象對(duì)于提高材料的可焊性具有重要價(jià)值，而重力作為焊接過(guò)程中的重要影響因素之一，其在大小和方向上的改變都會(huì)通過(guò)影響焊縫的熔池形狀等因素進(jìn)而影響焊接性能。本文主要以鎢極氣體保護(hù)焊（TIG焊）以及激光焊為說(shuō)明對(duì)象，淺析了重力方向及大小發(fā)生改變對(duì)焊縫產(chǎn)生影響的具體原因以及現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：焊接;重力;TIG焊;激光焊

1序言

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的大部分維護(hù)和維修工作都在地面上進(jìn)行，而不是在太空中進(jìn)行。NASA 的技術(shù)專家總是盡力避免任何空間焊接。

采用這種方法的原因是空間內(nèi)焊接極具挑戰(zhàn)性。焊縫的結(jié)構(gòu)、成分和質(zhì)量取決于熔池中的溫度分布和焊縫形成時(shí)熔化材料的分布，這在空間上是難以控制的，因?yàn)闅怏w在低重力和無(wú)空氣環(huán)境中的行為是與地球上的環(huán)境不同。太空飛行器由足以承受太空旅行的材料制造，這些材料由陶瓷和鋁等材料制成。由于鋁是空間建造中使用的主要金屬，鎢極氣體保護(hù)焊（TIG焊）將成為修理航天器部件的首選技術(shù)。但是，TIG 焊接所需的靈巧性和精度在零重力下很難實(shí)現(xiàn)。

在焊接過(guò)程中，重力不僅決定了焊道的不同形式，而且還會(huì)通過(guò)影響熔池的形狀進(jìn)而改變焊縫金屬的微觀結(jié)構(gòu)。熔池中的熱傳遞和流體流動(dòng)會(huì)顯著影響熔池幾何形狀、溫度梯度、局部冷卻速率和凝固結(jié)構(gòu)等特性。而影響熔池中流體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力有很多，其包括浮力、電磁力、熔池表面的表面張力梯度和電弧等離子體的沖擊力。

重力會(huì)通過(guò)影響熔池行為從而影響焊接性能。因此，有必要了解重力對(duì)焊縫對(duì)流、焊縫尺寸、微觀結(jié)構(gòu)演變和焊縫結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。本文將以TIG焊以及激光焊為對(duì)象，淺析重力大小以及方向?qū)附淤|(zhì)量的影響及其原因。

2重力方向的影響

由于焊縫的位置不同，在焊接時(shí)焊接的角度也會(huì)產(chǎn)生改變，如垂直向上位置、垂直向下位置和平面位置等，焊接角度不同也會(huì)導(dǎo)致重力相對(duì)于焊縫的方向發(fā)生改變。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)垂直向上時(shí)穿透深度會(huì)比垂直向下的位置更深，大約為 21%[1]，這可能的原因是重力方向顯著影響著熔池形狀，進(jìn)而影響凝固形態(tài)和初級(jí)枝晶間距。

具體一點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，在TIG焊中，焊接方向發(fā)生改變也會(huì)影響重力的方向，比如平焊、45°下向焊和立向下焊三種焊接方式會(huì)因?yàn)楹附又亓Φ姆较虿煌鴮?dǎo)致熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)具有明顯影響。劉文吉等人[1]通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)：平焊、45 °下向焊以及立焊下向焊的速度場(chǎng)明顯不同，重力的作用方向?qū)θ鄢貎?nèi)液態(tài)金屬的流場(chǎng)溫度場(chǎng)產(chǎn)生明顯的影響。立焊下向焊接熔池內(nèi)金屬流動(dòng)速度較大，且主要從焊縫中心向前后流動(dòng)（熔池上表面從前向后流動(dòng)，熔池底部從后向前流動(dòng)）。相同條件下平焊位置熔池內(nèi)的金屬流動(dòng)速度最小，在熔池表面金屬除了向后流動(dòng)還會(huì)向兩側(cè)流動(dòng)，因此熔池較寬。45° 位置的速度場(chǎng)情況居干平焊和立焊之間。在平焊位置，隨著重力加速度值的增加下，x、y、z三個(gè)方向的速度平均值均顯著增加，這說(shuō)明重力加速度的大小對(duì)流場(chǎng)影響明顯。

而在激光焊接中，Chang B等人[2]通過(guò)實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了立向上焊縫的咬邊大于立向下焊縫，而立向下焊縫的氣孔率遠(yuǎn)高于立向上焊縫。當(dāng)焊接熱輸入較高時(shí)，垂直向上焊接位置導(dǎo)致焊縫輪廓不佳（咬邊和燒穿孔），而垂直向下焊接位置導(dǎo)致焊縫中的氣孔含量過(guò)多。嚴(yán)重的咬邊和過(guò)多的孔隙都會(huì)對(duì)焊縫的拉伸性能有害。但是通過(guò)使用較低的熱輸入可以改善焊縫外觀并減少孔隙率，從而實(shí)現(xiàn)更好的焊接質(zhì)量。

3重力大小的影響

從古至今絕大部分焊接行為是在正常重力范圍內(nèi)發(fā)生的，即重力加速度值約為9.8的環(huán)境中。而隨著人類活動(dòng)范圍的擴(kuò)大，如深海、高空甚至太空等曾經(jīng)人類無(wú)法涉足的領(lǐng)域現(xiàn)在已經(jīng)越來(lái)越多的出現(xiàn)了人類的足跡，因此在不同重力下焊接會(huì)發(fā)生何種改變這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)被越來(lái)越多科學(xué)家及工程師所關(guān)注。很多科學(xué)家已經(jīng)對(duì)這一現(xiàn)象做了研究。中國(guó)研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真分析的方法得出的結(jié)果是，在重力減小的環(huán)境中，焊珠的寬度會(huì)比正常重力更寬、其穿透力也會(huì)增加。除此之外，在重力降低的情況下，孔隙率和懸浮焊接顆粒會(huì)增加，這可能導(dǎo)致焊接接頭變?nèi)鮗3]。而在高重力下環(huán)境下，焊道的熔合區(qū)形狀和輪廓會(huì)和正常情況有所區(qū)別。比如焊縫熔合區(qū)的縱橫比會(huì)減小。

鎢極氣體保護(hù)焊（TIG焊）焊接過(guò)程中的自由表面變形會(huì)導(dǎo)致焊縫熔深產(chǎn)生變化，這也可能是焊接過(guò)程中焊池的最終幾何形狀變化的一個(gè)促成因素。在電弧焊中，熔池表面（自由表面）會(huì)產(chǎn)生變形。自由表面變形是表面條件和熔池動(dòng)力學(xué)的產(chǎn)物;這些反過(guò)來(lái)會(huì)影響焊縫特性，即焊縫熔深、表面平整度和凝固行為。電弧壓力，以及相對(duì)影響較小的電磁和流體動(dòng)力渦流效應(yīng)，已被認(rèn)為是促進(jìn)自由表面變形的主要原因。表面張力和重力效應(yīng)往往會(huì)使熔池變平。熔池內(nèi)的對(duì)流主要由表面張力梯度驅(qū)動(dòng)，除此之外，浮力效應(yīng)也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生微弱影響。因?yàn)楹缚p池通常很小，自由表面變形很小，所以在低熱輸入焊接過(guò)程中，無(wú)需考慮重力就可以相對(duì)較好地預(yù)測(cè)熔池幾何形狀。但是在熔池尺寸較大時(shí)必須考慮自由表面變形，因?yàn)槿绻雎运?，它?huì)導(dǎo)致在高熱輸入焊接過(guò)程中對(duì)焊縫熔深預(yù)測(cè)不足。鎢極氣體保護(hù)焊實(shí)驗(yàn)表明，高焊接電流下熔深較深，焊接速度低時(shí)表面變形明顯。在薄樣品和完全滲透條件下，表面變形更顯著。王厚勤等人[3]的實(shí)驗(yàn)表明，在重力方向引起的高熱輸入下，表面形態(tài)和熔池幾何形狀會(huì)發(fā)生顯著變化。

在激光焊接過(guò)程中同樣存在著重力取向效應(yīng)。與TIG 不同的是，激光的強(qiáng)聚焦光束會(huì)導(dǎo)致表面汽化和熔池中的小孔效應(yīng)。激光器的凈熱通量通常遠(yuǎn)高于TIG 的凈熱通量。這也會(huì)導(dǎo)致在不同重力水平下激光焊的現(xiàn)象和TIG焊有所不同。

越來(lái)越多的證據(jù)表明，重力通過(guò)在自由表面變形中起著非常重要作用，進(jìn)而影響熔池形狀。并且，在太空的微重力環(huán)境或火星的低重力環(huán)境中，可以減輕這種影響。

4結(jié)論

重力作為影響焊接結(jié)果的重要參數(shù)之一，其在方向和大小上的改變都會(huì)對(duì)焊縫產(chǎn)生較大的影響。其中，重力在方向上的改變通過(guò)影響熔池形狀，進(jìn)而影響凝固形態(tài)和初級(jí)枝晶間距，最終的結(jié)果是熔池的穿透深度會(huì)發(fā)生改變。而針對(duì)重力大小的改變結(jié)果是，較高的重力場(chǎng)往往會(huì)增強(qiáng)熔池內(nèi)的對(duì)流流動(dòng)，從而影響到兩相區(qū)域的深度和寬度以及熔池深寬比。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉文吉，李亮玉，岳建鋒，王天琪.重力對(duì)全位置TIG焊熔池溫度場(chǎng)與流場(chǎng)影響的有限元分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2015（3）：76-79+84+5.

[2]Chang B， Yuan Z， Pu H， Li H， Cheng H， Du D， Shan J. Study of Gravity Effects on Titanium Laser Welding in the Vertical Position. Materials. 2017; 10（9）：1031. https：//doi.org/10.3390/ma10091031

[3]王厚勤. 不同重力水平下電子束焊接熔池行為與熔滴過(guò)渡研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2018.