吳靜然

(承德石油高等?？茖W(xué)校機械工程系，河北承德067000)

熔化極氣體保護焊模型設(shè)計

吳靜然

(承德石油高等?？茖W(xué)校機械工程系，河北承德067000)

熔化極氣體保護焊系統(tǒng)的理論模型發(fā)展迅速，已可預(yù)測陽極溫度分布圖、電弧長度和焊接電流等。該模型結(jié)合了移動熔化極一維熱模型和電弧等離子二維模型，利用該模型可以計算焊接電流、焊接送絲速度和電源電壓、相應(yīng)類型的焊絲直徑和保護氣體之間關(guān)系。本實驗用兩種不同規(guī)格尺寸的焊絲(0．9 mm和1．2 mm)，在工作電壓為15 V的條件下進行，結(jié)果表明預(yù)測送絲速度的焊接電流顯示與實驗結(jié)果一致。

氣體保護焊;模型設(shè)計;送絲速度

熔化極氣體保護的焊接工藝只關(guān)注物理性能，它包括熔滴過渡、焊接熔池結(jié)晶凝固和焊接電弧燃燒的工藝過程。工藝過程中的電弧電壓、焊接電流和送絲速度，在給定焊接條件下，三者間的關(guān)系是焊接操作中的關(guān)鍵因素，直接影響焊后質(zhì)量。在以前大量焊接參數(shù)的研究中［1-2］，任何一個理論研究都沒有包含電弧的物理性能，本研究試圖填補焊接電弧物理性能模型和主要焊接參數(shù)之間的空白。

1　模型的描述

設(shè)定一個電弧系統(tǒng)(見圖1)，陽極是可移動的焊絲，陰極是鐵板。焊絲噴嘴和母材之間距離是20mm，并且電弧在一個大氣壓的保護氣中自由燃燒。這個模型的建立不包含陰極和熔池移動兩個因素對整個焊接模型的影響，并且在整個實驗過程中電源電壓認定為恒壓。整個系統(tǒng)模型化，通過協(xié)調(diào)結(jié)合單個電弧等離子區(qū)的模擬實驗和移動陽極來完成。

為描述電弧，采用平板陰極和一個細焊絲陽極，設(shè)定焊絲溫度陽極1 810 K，平板附近等離子區(qū)恒定溫度104 K，氣體流量設(shè)定為15 L/min，本模型是在上述設(shè)定參數(shù)下進行的。

圖2所示為焊接電流在50～900 A之間、電弧長度1～9 mm，電弧在保護氣中穩(wěn)定燃燒時計算出的電弧電壓—焊接電流特性曲線圖。大量數(shù)據(jù)表明［3］氣體中允許有2%的鐵蒸氣在電弧電極和金屬熔滴中。金屬揮發(fā)性氣體含量在1～5%之間時，對預(yù)測電弧特性曲線結(jié)果沒有太大影響。由于保護氣的特性，在電弧模型中要求考慮輸入導(dǎo)熱和導(dǎo)電性的影響，在焊絲熔化速度中要考慮保護氣體對其的影響。然而，保護氣體和焊絲間的反應(yīng)產(chǎn)生的影響在模型中不予考慮。

本次研究模型沒有模擬當(dāng)焊絲接觸到工件時電弧的引燃階段，試驗開始階段允許有伸出量增加，在焊接電流接近于零和陽極溫度到300 K時焊絲送出，而預(yù)測電流當(dāng)大于600 A時，焊接電弧引燃，這意味著本次試驗焊絲與工件距離很小時電弧引燃。

2　結(jié)果和討論

圖3所示為焊絲直徑為1．2 mm，送絲速度在9～16．2 cm/s之間變化時預(yù)測弧長和電弧電壓的函數(shù)關(guān)系圖。從圖3可以看出，在給定送絲速度條件下，弧長隨電弧電壓的升高而增大，這與圖2所給出電弧長度變化結(jié)果一致，圖2中在給定焊接電流時電弧電壓隨弧長的增大而升高。此外，圖3顯示低送絲速度時弧長更長一些，這是因為電弧電壓一定時，焊接送絲速度小，焊絲熔化速度也較小，因此焊接電流小，造成弧長反而更長。當(dāng)電弧電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)時，直徑為1．2 mm典型的陽極溫度分布曲線如圖4所示。圖4中送絲速度和電弧電壓分別是11 cm/s和15 V，焊接電流恒定。陽極端部最高溫度達到2 550 K，它遠遠高于陽極的熔點(1 810 K)，但又低于陽極的沸點(3 135 K)。在焊絲端部附近的相對較平的溫度分布曲線顯示了通過熱傳導(dǎo)過渡到噴嘴的能量非常小。在焊接電弧燃燒過程中，預(yù)測從焊絲到噴嘴過渡的能量大約是2．4 J，從等離子區(qū)過渡0．16%的能量到陽極。陽極焊絲產(chǎn)生總的電阻熱計算能達到310 J，它小于輸入到等離子區(qū)20%的能量，小部分能量傳遞給噴嘴，大部分能量用來升高陽極端部的溫度。

預(yù)測的焊接電流與送絲速度的關(guān)系如圖5所示。圖中所示為陽極直徑分別為1．2 mm和0．9 mm，電弧電壓為15 V的條件下，送絲速度與焊接電流之間的關(guān)系曲線由圖可以看出，計算曲線和實驗數(shù)據(jù)一致，除了在直徑為1．2 mm較小的電流時有誤差，這是由于此時焊接電弧以顆粒過渡的方式存在，而理論中沒有考慮熔滴的形狀和脫離的影響。在顆粒過渡階段，大金屬熔滴脫離前在陽極焊絲端部形成。由于等離子區(qū)的加熱，這些熔滴比在同等條件下形成的熔滴溫度高。圖5中，虛線曲線長度0．35 mm，而非在連續(xù)曲線中的標(biāo)準(zhǔn)0．25 mm，因此在這種情況下預(yù)測電流可稍大一些。隨著送絲速度的增加，傳遞到熔化焊絲的能量大，而等離子區(qū)能量一定，因此焊接電流會有小幅度增加。

3　結(jié)論

建立熔化極氣體保護焊的理論模型，它能預(yù)測焊接電流、電弧長度、送絲速度和陽極溫度分布曲線。熔化極氣體保護焊中，預(yù)測了熔化極的熔化速度和實驗結(jié)果相比達到高度的一致，建立一個能真實預(yù)測焊接行為的綜合模型，提高了焊接質(zhì)量。

［1］華學(xué)明，吳毅雄，張勇，等．熔化極氣體保護焊引弧時間預(yù)測模型［J］．上海交通大學(xué)學(xué)報，2009，43(5):697－699．

［2］包曄峰，周昀，吳毅雄，等．熔化極氣體保護焊熔滴過渡研究［J］．電焊機，2006，36(3):55－58．

［3］Richardson M，Bucknall PW，Stares I．The influence of power source dynamics on wire melting rate in pulsed GMA welding［J］．Welding Journal，1994，73(2):32－37．

Pattern Design of Gas Metal Arc Welding

WU Jing-ran (Department of Mechanical Engineering，Chengde Petroleum College，Chengde 067000，Hebei，China)

A theoretical model of a gas metal arc welding system has been developed to make predictions of the anode temperature profile，welding arc length and arc current．The model incorporates a one-dimensional thermal model of the moving consumable anode and a two-dimensional model for the arc plasma．The model makes it possible to calculate the relationship between the welding arc current，wire feed rate and the supply voltages，for various wire diameters and shielding gases．The predicted welding current for a given wire feeding rate shows good agreement with our experimental observation for operation in the spray transfer mode，for steel wire of two different diameters，assuming a workpiece sheath voltage of 15 V．

gas metal arc welding;pattern design;wire feeding speed

TG4

B

1008-9446(2015)01-0028-02

2014-09-22

吳靜然(1976－)，女，遼寧沈陽人，承德石油高等?？茖W(xué)校機械工程系副教授，主要從事焊接方向的研究。