连续电流GMAW焊接熔滴过渡的数值分析.pdf

连续电流GMAW焊接熔漓过渡的数值分析· 拳士凯，际茂爱，武传松 (山东大学材料连接技术研究所，济南250061) 摘要：考虑GMAW焊接过程中熔滴过渡的主要特点，利用“质量一弹簧”理论建立了熔漓过渡的数学 模型，对连续电流条件下ffl-tAW焊接熔漓过渡过程进行了动态力学分析。定量分析了熔滴过渡形式、振 荡速度等对熔漓过渡行为的影哟，预澜出了不同焊接电流条件下的熔滴脱离尺寸和过渡频率。 关键词：GMAW焊接；熔滴过渡；力学分析 1序育 许多研究者采用不同的数学模型对GMAW焊接熔滴过渡行为进行了多方面的理论研究[1-11]。 经典的熔滴过渡理论【1‘5l(主要包括静力平衡理论和不稳定收缩理论)对熔滴过渡的计算只是考虑了 熔滴在脱离时刻的静态平衡或波长不稳定性，没有考虑熔滴在长大和脱离过程中的振荡速度以及临 界尺寸对熔滴过渡行为的影响。因此，理论预测值与实验结桌偏差较大。近年来，熔滴过渡的动态 模拟取得了很大的进展，使熔滴尺寸的理论预测更趋近于实验结果，计算精度提高。目前，利用流 体动力学理论【8用和“质量一弹簧”理论00,11l来模拟熔漓过渡动态过程已成为这方面的研究热点。流 体动力学理论从流体动力学的角度出发，建立较为复杂的GMAW焊接熔滴过渡的二维动态模型， 但模型依赖于较多的假设，涉及到一组偏微分方程的联立求解，计算量庞大，并且不能准确地反映 熔滴长大过程中产生的振荡。这种理论主要适用于小电流范围内滴状过渡的数值模拟，对于临界电 流区间出现的混合过渡及喷射过渡不能予以准确模拟。采用“质量一弹簧”理论对熔滴过渡进行模 拟方面的研究还比较少，其优越性在于能采用一个简单的数学模型反映熔滴的动态长大和脱离过程， 并能用于熔滴尺寸的计算。鉴于这种情况，本文根据焊接过程中熔滴过渡的特点和规律，利用“质 量一弹簧”理论建立熔滴过渡的动态模型，对连续电流条件下的GMAW焊接熔滴过渡进行动态力 学分析，为实现理想的射滴过渡形式提供理论基础。 2数学模型的建立 等用于对熔滴过渡的模拟t10]o该模型将焊丝端部的熔滴看作一个“质量一弹簧”系统，假想弹簧一 端连着固体焊丝，一端连着液态金属熔滴，熔滴受到的表面张力作为弹簧力处理。熔滴的长大和脱 离过程采用阻尼系数、质量和弹簧系数均变化的“质量一弹簧’’系统来表示，熔滴受力和具体数学 描述见文献[13】。 熔滴的长大和脱离是蓬续发生的，假定熔滴达到临界位移时的临界质量为M，，熔滴的脱离质 量为△膨。熔滴的脱离质量可以描述为： 埘=z3M。圪 (1) 式中· 粤3为待定系数，圪为焊丝末端熔滴的临界振荡速度。熔滴的脱离是作用于熔滴上的力和惯 性动量联台作用的结果，式(1)综合考虑了熔漓的临界质量和振荡速度的影响，使得计算过程更接近 实际。在所建立的模型中-系统质董中心点的临界位移为xc，嬉滴脱离后，残留熔滴的初始位移 由以下公式确定： +高等学校博士学科点专项科研基金(20010422001)l山寨省自然科学基金(Y2002F24)资助项目 蝴 铲矿R筹 (2) 式中，R=(3竺兰)3，p取焊丝的密度。 。4印 表征熔滴所受表面张力的弹性系数七是进行熔滴过渡计算中最为关键的物性参数，它决定着模 型预测结果的可行性和准确性。目前还没有关子弹性系数的准确描述，更没有弹性系数的准确数据， 尚属探索阶段。实验结果与理论预测表明，在熔滴长大和脱离过程中，弹性系数随着熔滴质量的增 加星线性降低。在此基础上，弹性系数可根据实验结果进行标定。本文将弹性系数看作熔滴质量的 函数，给出以下计算公式： k=C1一C2所0) (3) 式中，C，，C，为待定系数，取决于熔滴过渡的初始条件和临界位移，其中熔滴的质量随时间变化。 同一焊接电流条件下，当熔滴的弹性系数变化不大时，通过一系列参数优化，可将弹性系数看作常 数。 对于阻尼系数b也没有相关的准确数据。文献[11]认为熔滴受到的阻尼力相对其它作用力对 熔滴的影响较小。阻尼系数可表示为：