高速GTAW焊縫表面成形缺陷的形成機理及其抑制措施.pdf

1、鎢極惰性氣體保護焊(Gas tungsten arc welding，GTAW)因其焊接過程穩(wěn)定、焊縫質(zhì)量高、應用成本低等優(yōu)點而廣泛應用于現(xiàn)代制造業(yè)中?，F(xiàn)代制造業(yè)對高生產(chǎn)效率的要求使得GTAW速度不斷提高，但現(xiàn)有研究表明，同比提高焊接電流和焊接速度，當焊接速度超過某一臨界值時，先后會在焊趾處形成咬邊以及沿焊接方向形成駝峰焊道等表面成形缺陷，嚴重破壞焊接接頭的均勻性，造成焊縫成形不合格。因此，通過研究咬邊和駝峰焊道缺陷的形成機理并提出針對

2、性的抑制措施，對于實現(xiàn)高速GTAW、提高GTAW效率具有重要理論意義和工程應用價值。
　　咬邊和駝峰焊道缺陷的形成涉及復雜的高度瞬態(tài)非線性的熔池傳質(zhì)傳熱行為。本文根據(jù)大電流、高速GTAW熔池自由表面會發(fā)生顯著變形的物理特點，著重考慮了電弧熱、力分布隨熔池自由表面變形的動態(tài)變化，提出了隨熔池自由表面變形自適應變化的電弧熱流、電弧壓力、電弧剪切力和電磁力模型，合理描述了高速GTAW過程中熔池形態(tài)變化對電弧能量密度和電弧力分布的影響。以

3、此為基礎(chǔ)，通過通用計算流體動力學軟件ANSYS Fluent的二次開發(fā)，建立了高速GTAW熔池三維瞬態(tài)傳質(zhì)傳熱數(shù)值分析模型，計算了高速GTAW溫度場、熔池中液態(tài)金屬流動、熔池自由表面變形和液態(tài)金屬凝固成形等熔池行為，實現(xiàn)了高速GTAW中咬邊和駝峰焊道缺陷具體形貌的準確模擬，計算結(jié)果與實驗結(jié)果有著良好的吻合。將數(shù)值分析結(jié)果與工藝實驗、視覺檢測、敏感性分析、量綱分析等方法相結(jié)合，定量揭示了咬邊和駝峰焊道缺陷的形成機理，并提出了針對性的抑制措

4、施。
　　實驗表明在焊接速度1.65m/min時1.5mm厚409L鐵索體不銹鋼板GTAW出現(xiàn)咬邊缺陷，對其熔池行為的數(shù)值分析表明，大電流GTAW熔池前部表面會發(fā)生顯著凹陷，形成一個僅有約100μm厚液態(tài)金屬層的凹陷區(qū)。當凹陷區(qū)域擴展至熔池最寬截面時，熔池兩側(cè)邊緣的液態(tài)金屬薄層由于自身熱容較小，在脫離電弧直接加熱后迅速凝固，阻止中心區(qū)域液態(tài)金屬向兩側(cè)鋪展，從而誘發(fā)咬邊缺陷的產(chǎn)生。熔池液態(tài)金屬主要沿熔池兩側(cè)向后流動，在高速焊接條件下

5、，熔池呈現(xiàn)淚滴狀，后向液態(tài)金屬會在熔池中部產(chǎn)生向內(nèi)的速度分量，最大可達0.15m/s，其產(chǎn)生的慣性力遠遠強于液態(tài)金屬自身的粘滯力，會進一步阻礙液態(tài)金屬的向外鋪展，促進咬邊缺陷的發(fā)展。
　　焊接電流和焊接速度進一步提高至315A、3m/min時出現(xiàn)駝峰焊道缺陷。熔池中液態(tài)金屬的后向流動進一步增強，焊接速度時最大后向流速達到0.7m/s，而在高焊接速度下熔池尾部脫離電弧加熱區(qū)域即凝固迅速，減弱了液態(tài)金屬的回流，后向流動和回流的通量之比

6、超過5.3∶1，從而導致熔池凹陷區(qū)的長度不斷增大。超過80％的液態(tài)金屬沿熔池兩側(cè)向后流動，側(cè)壁通道成為液態(tài)金屬后向流動的主要通道。尺度分析表明，側(cè)壁通道離開電弧加熱區(qū)域的部分在數(shù)十毫秒以內(nèi)即發(fā)生凝固，阻礙液態(tài)金屬的后向流動，促進駝峰焊道的形成。
　　在考慮各個熔池作用力復雜耦合關(guān)系的前提下，將數(shù)值模型與敏感性分析相結(jié)合，定量研究了熔池作用力對高速GTAW熔池行為和駝峰焊道形成的影響權(quán)重。電弧剪切力是促進熔池表面變形和液態(tài)金屬后向流

7、動的主要作用力，因此是導致駝峰焊道形成的主要作用力，電弧壓力和Marangoni力的影響權(quán)重不及電弧剪切力的30％，居于次要地位。表面張力是抑制熔池表面變形的主要作用力，其影響權(quán)重與電弧剪切力相當，可以在一定程度上抑制GTAW駝峰焊道形成。
　　為進一步定量描述高速GTAW駝峰焊道的形成傾向，預測其形成的臨界條件，本文基于量綱分析推導了一個在傳熱與流動角度綜合描述駝峰焊道形成傾向的無量綱參數(shù)組，該參數(shù)組包含多個熔池的熱-力特征變量

8、（熔池體積、最大后向流速、熔池溫升和凹陷區(qū)長度），且具有明確的物理含義，其值越大表明駝峰焊道形成傾向越高。通過尺度分析法，推導了上述熔池特征變量與工藝變量之間顯式的解析函數(shù)關(guān)系，進而明確了焊接變量—熔池變量—駝峰焊道形成傾向之間明確的關(guān)系。無需高時間成本的數(shù)值分析，即可表征不同工藝參數(shù)下駝峰焊道的形成傾向，預測駝峰焊道形成的臨界條件。
　　根據(jù)咬邊和駝峰焊道缺陷的形成機理，通過在熔池尾部施加輔助熱源，對熔池進行熱-力調(diào)控，以抑制缺