短路过渡CO_2气体保护焊结合型热源模型的研究_许晓航

焊接技术第39卷第12期2010年12月

收稿日期：2010-04-26

文章编号：1002－025X (2010)12-0018-03

短路过渡CO 2气体保护焊结合型热源模型的研究

许晓航，郑振太，付

坤

（河北工业大学材料科学与工程学院，天津300132）

摘要：为准确地模拟短路过渡CO 2气体保护焊焊接温度场分布特点，根据试验结果推导出了适用于短路过渡的熔滴热热源模型，建立了结合电弧热和熔滴热共同作用的结合型热源模型。并将结合型热源模拟结果、高斯热源模拟结果与实际温度场的测量试验结果进行了比较分析。结果表明，与高斯热源模型相比，使用结合型热源模型更能准确地模拟短路过渡CO 2气体保护焊焊接温度场的分布特点。关键词：短路过渡；CO 2气体保护焊；焊接温度场；结合型热源模型中图分类号：TG402

文献标志码：B

·试验与研究·

0前言

焊接热源模型是实现焊接热过程数值模拟的基

础。焊接热源具有局部集中、瞬时和快速移动的特点，易在空间和时间域内形成梯度很大的不均匀温度场，这正是引起残余应力和焊接变形的根源［1］。焊接热源引起的高温在焊接区域产生了极大的冶金变化，故对于焊接数值模拟中热源模型的研究非常重要，是保证焊接残余应力和变形的准确预测的前提［2－3］。

对于短路过渡CO 2气体保护焊而言，其与非熔化极电弧焊如TIG 焊的最大差别是有熔滴过渡行为，电弧有熄灭的过程，此熄灭过程中熔滴短路过渡时的热流密度分布显然不同于电弧燃烧时的热流密度分布特点。因此，如果能够分别得到电弧热和熔滴热在熔池上的分布规律，建立结合型热源模型，将比用单一的电弧热流密度分布来代替熔化极电弧焊的熔池热流密度分布应该更合理。

为实现短路过渡CO 2气体保护焊焊接热过程的正确计算，基于试验结果推导出了适用于短路过渡

CO 2气体保护焊的结合热源数学模型，以有限元软件

为基础，考虑了材料热物理性能的非线性变化，对短路过渡CO 2气体保护焊焊接温度场进行了三维动态模拟，验证了结合型热源模型准确性。

1短路过渡CO 2气保焊结合型热源模型建立短路过渡CO 2气体保护焊，常用于焊接薄壁零

件［4］。对于薄板焊接，由于熔深较浅，电弧的“挖

掘”作用不明显，所以深度方向的热量传输可忽略不计，采用红外成像仪对焊接过程进行检测所成图像如图1所示。由图1可见，其温度分布呈近似锥型分布，温度分布呈现出近似线性衰减规律，而且出现明显的锥角。对于焊条电弧焊，采用高斯热源模型计算所得温度场和试验结果符合较好，其温度分布如图2所示。

由图2可见，其呈现铜钟型而并不具有明显的突变，因而如果采用高斯热源对该类焊接热过程进行模拟势必导致焊缝及其邻近区域的温度分布存在很大的偏差，而焊缝区域和热影响区正是变形和应力产生的区域，所以选用正确的热源模型至关重要。

焊接时，电弧热源把热能传给焊件是通过一定的作用面积，称为加热斑点，加热斑点上热量分布是不均匀的，中心多而边缘少。加热斑点上的热流密度分布可以近似地用锥形函数来描述。如图3所示，假设焊接热源能量全部分布在此圆形区域内，在圆心处的热流密度达到最大，距离圆心相同的截面上的热流密度相同。

图1短路过渡CO 2

气体保护焊温度场图2

焊条电弧焊温度场

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Welding Technology Vol．39No．12

Dec.2010由于熔滴热是分布在以r 为半径的圆内，而其最大热流密度为q m ，因此在熔滴热以锥形分布的假设下需要构造如下的圆锥面方程［5］：

准线Γ为：

x 2+y 2=r 2b

z =≤0

，（1）

顶点A 为：

（0，0，q m ）。

在直角坐标系内以向量表示准线为：

r （u ）＝（r b cos u ，r b sin u ，0），

u ∈［0，2π］

（2）r 0＝（0，0，q m ）。

（3）

锥面方程为：

X （u ，v ）＝（x （u ，v ），y （u ，v ），z （u ，v ））

＝r 0＋v （r （u ）－r 0）。

（4）将式（2）、式（3）带入式（4）计算得：

X （u ，v ）＝（vr b cos u ，vr b sin u ，q m －vq m ）。

（5）

整理后，得到直角坐标系下的熔滴热流密度锥形

分布公式：

x 2＋y 2r 2b

=（q m －z ）2q 2

m ，

（6）

式中：x 2＋y 2＝r 2，z ＝q （r ），将其代入式（6）整理后得

到极坐标系下的熔滴热流密度锥形分布公式为：

q （r ）＝q m 1－r

r d

∈∈

。（7）

根据能量守恒定律，热源的总热流输入应等于热

源的有效功率，即有：

Q ＝ηd UI ＝

Ω

蓦q （r ）r d r d θ＝r d

0乙q m 1－r

r d

∈乙r d r

2π0

乙d θ，

（8）

式中：ηd 为熔滴输入到焊件中的热效率，积分区域Ω为以r d 为半径的圆。积分并整理后，得：

q m =3ηd UI πr 2b

。（9）

因此，最终得到熔滴过渡到熔池时的锥形热流密

度分布为：

q （r ）=3ηd UI πr 2

b

1－r r d ∈乙

。（10）

由于高斯分布曲线在无限远处才趋于0，因此对于高斯分布曲线，q （r ）≤0．05q m 可忽略，按此推断出当r＞R 范围的热流密度可忽略。因此这里选以热源中心为圆心，半径为5mm 整个圆面范围内 …… 此处隐藏：5784字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……