外加纵向磁场焊接技术 (Electromagnetic Stir-ring Welding Technique,EMS)以其附加装置简单、投入成本低、效益高、环保等优点 ,在冶金、化工、压力容器、电力、航空和航天等领域得到了广泛的应用<1～ 4 > .目前 ,国内外许多焊接工作者主要是进行焊接工艺及材料冶金方面的研究 ,对 EMS方法的作用机理研究并不十分深入 <5～ 7> .研究外加纵向磁场对焊接熔池流体体积作用力 ,是进行外加间歇交变纵向磁场电弧焊接熔池流体流动与传热过程数值分析的先决条件 ,也是认识外加纵向磁场电弧焊接物理本质的基础 <8,9> .本文通过试验检测 ,采用外加纵向磁场 GTAW焊接工艺 ,选用铝合金金属板材 ,分析焊接熔池流体体积作用力 ,建立外加纵向磁场GTAW焊接溶池的数学模型 ,以有利于揭示外加纵向磁场 GTAW焊接的焊接机理 .1 基本原理外加纵向磁场 GTAW焊接溶池中液态流体所受的电磁力是作用在焊接熔池流体的体积力 ,它与普通 GTAW不同 ,是由自身电磁力 Fzm和外加纵向磁场对焊接熔池流体的体积作用力 Fwm两部分组成 .因此 ,外加纵向磁场 GTAW焊接熔池中液态流体所受到的电磁力为Fm =Fzm +Fwm 为了确定外加纵向磁场对 GTAW焊接熔池流体的体积作用力 ,本文以外加纵向磁场 GTAW定点焊接过程为例 ,并满足麦克斯韦方程× B =μ0 J (1 )式中 ,磁导率 μ0 =40 πμ(H/m) .2 边界条件由于 LD1 0 CS铝合金为非磁性材料 ,在焊接熔池表面电流密度的分布可认为是外加纵向磁场GTAW焊接电弧电流密度 J的分布 .采用探针法 <1>可以实际测量弧长为 3 mm时 ,小焊接电流 (I=1 0 0A)、弱磁场 (B<0 .1 T)条件下 J的分布 ,如图 1所示 .图 1 外加纵向磁场 GTAW实测电弧电流密度沿径向的分布Fig.1 Measurem ent value of welding current fluxdistribution in the EMS 在 I≤ 2 0 0 A、B≤ 0 .1 T的条件下 ,采用高斯分布对 J进行数值回归分析 ,建立了 J径向分布模型 ,即J(r) arc=J0KIπexp<- K(r) 2 >式中 :I为焊接电流 ;J(r) arc为电弧电流密度的径向分布 ;J0 为电流密度常数 ;K为电流密度集中系数 ,K=a/(2 σ2J) ,a为集中系数常数 ,σJ为焊接电弧电流密度分布参数 .当 I=1 0 0 A,B=0 .0 2 T时 ,其模型的拟合曲线如图 2所示 .图 2 外加纵向磁场 GTAW焊接电弧电流密度的拟合曲线Fig.2 Regression value of welding currentflux distribution in the EMS3 体积作用力选用圆柱坐标系 (r,z,φ) ,如图 3所示 ,研究Fwm.外加纵向磁场 GTAW焊接熔池中由于电流线的发散而产生的自身磁场 ,其磁力线是以 z轴为对称 ,并位于通过 z轴的平面内 ,即B =<0 ,Bφ(r,z) ,0 >× B =1rr rφ z r φ z0 r Bφ 0=- z Bφ,0 ,1r z(r Bφ) (2 )图 3 外加纵向磁场对 GTAW熔池体积作用力的计算示意图Fig.3 Schem atic diagram of body force in the EMS定义电磁流函数 :Ψe =r Bφ (3 )于是× B ==- 1r Ψe z,0 ,1r Ψe r另外μ0 J=μ0 (Jr,0 ,Jz)根据式 (1 ) ,两个向量的对应分量应相等 ,即Jr=- 1μ01r Ψe z, Jz =- 1μ01r Ψe r (4)J× B =r rφ zJr 0 Jz0 r Bφ 0=(- BφJz,0 ,Jr Bφ) (J× B) r=- BφJz, (J× B) z =- BφJr (5 )由文献 <9>可知 , Jr/ z =0 ,故 Jr z= z - 1μ01r Ψe z =- 1μ01r 2 Ψe z2 =0 (6 )Ψe=C1z +C2 (7)由于 ,z =L时 ,Ψe=0 ;z =0时 ,Ψe= Ψe/ r=μ0 Jzr.其中 ,L为焊接工件的厚度 ,故Ψe|z=0 =∫μ0 Jz|z=0 rdr 由图 1可知 ,在 I=1 0 0 A、B<0 .1 T焊接条件下 ,Jz|z=0 =I2πσ2Jexp - r22σ2JΨe|z=0 =I2πσ2Jμ0∫r0exp - r22σ2Jrdr=μ0 I2π 1 - exp - r22σ2J(8)因此 ,根据式 (6 )～ (8) ,有Ψe=μ0 I2π 1 - exp - r22σ2J1 - zL (9) 根据式 (3 ) ,得Bφ=Ψer =μ0 I2πr 1 - exp - r22σ2J1 - zL (1 0 )将式 (9)代入式 (4) ,整理可得Jz =I2πσ2Jexp - r22σ2J1 - zLJr =I2πLr 1 - exp - r22σ2J将式 (1 0 )代入式 (5 ) ,得(J× B) r =- μ0 I24π2 σ2Jrexp - r22σ2J×1 - exp - r22σ2J1 - zL2(J× B) z =μ0 I24π2 L r2 1 - exp - r22σ2J2 1 - zLFzm的径向分量 Fzmr和轴向分量 Fzmz分别为Fzmr =(J× B) r=- μ0 I24π2 σ2Jrexp - r22σ2J× 1 - exp - r22σ2J1 - zL2 (1 1 )Fzmz =(J× B) z =μ0 I24π2 Lr2 1 - exp - r22σ2J2 1 - zL (1 2 )Fwm =Jr× Bw =IBw2πLr 1 - exp - r22σJ(1 3 )式中 :Bw为外加纵向磁场的磁感应强度矢量 .从以上推导可知 ,外加纵向磁场 GTAW焊接熔池所受到的电磁力 (包括外磁场产生附加电磁力 )与焊接电源接法 (焊接极性 ,如直流正极性 )无关 .4 数学模型外加纵向磁场 GTAW固定电弧焊接条件下 ,熔池流场和热场是一个瞬态轴对称问题 ,选取圆柱坐标系 (z,r,θ) ,流场的速度为 (u,v,ω) (见图 3 ) .当产生外加纵向磁场的励磁线圈安装焊炬上 ,位于焊接熔池上方 ,与焊接电弧同轴 .外加纵向磁场 GTAW定点焊接熔池流体流动与传热过程的控制方程为1r (rv) r + u z=0ρ v t+v v r+u v z- ω2r = Fr - P r+μ 2 v r+1r v r- vr2 + 2 v z2ρ u t+v u r+u u z = Fz - P r+μ 2 u r2 +1r u r+ 2 u z2ρ ω t+v ω r+u ω z+vωr = Fφ+μ ω2 r2 +1r ω r- ωr2 +2 ω z2ρcp T t+v T r+u T z = 1r r kr T r + z k T r(1 4)由式 (1 1 )～ (1 3 )可知 ,式中 (1 4)的体积力分别为Fz=- μm I24π2 Lr2 1 - exp - r22σ2J2 ×1 - zL -ρgβ(T - Tl)Fr=- μm I24π2 σ2Jrexp - r22σ2J×1 - exp - r22σ2J1 - zL2Fφ=IBw2πLr 1 - exp - r22σ2J式中 :Bw 为外加磁场强度 ;β为热膨胀系数 ;cp 为定压热容 .5 结 论(1 )外加纵向磁场 GTAW焊接过程与普通GTAW焊接时不同 ,焊接熔池流体所受到的电磁力包括熔池流体受到的自身电磁力和外加磁场对熔池的体积作用力 ;外加纵向磁场 GTAW焊接熔池流体所受到的电磁力与焊接极性无关 .(2 )在研究体积力的基础上 ,建立了外加纵向磁场 GTAW焊接熔池流体流动与传热过程的数值分析模型 .该模型不仅考虑了电磁力等流体流动驱动力的影响 ,而且考虑了外加纵向磁场的附加电磁力 ,使之更接近外加纵向磁场 GTAW焊接的实际外加纵向磁场惰性气体保护钨极电弧焊接熔池流动模型@罗键$上海交通大学焊接工程研究所!上海200030
@贾昌申$西安交通大学焊接研究所!西安710049
@王雅生$西安交通大学焊接研究所!西安710049
@薛锦$西安交通大学焊接研究所!西安710049惰性气体保护钨极电弧焊;;纵向磁场;;
焊接熔池;;数学模型在惰性气体保护钨极电弧焊接 (GTAW)过程中 ,引入纵向磁场焊接 .它是以 LD1 0 CS铝合金为焊接材料 ,水冷紫铜板为阳极 ,实验用探针法测定外加纵向磁场 GTAW焊接电弧电流密度的径向分布 ,并在此基础上用磁流函数法详细推导了外加纵向磁场 GTAW焊接熔池流体所有体积力的表达式 ,建立了外加纵向磁场作用下焊接熔池流体流动和传热过程的新模型 .该模型考虑了外加纵向磁场的附加作用 ,使之更能接近外加纵向磁场 GTAW焊接的实际 ,为外加纵向磁场GTAW焊接机理的研究提供了条件<1> 贾昌申,殷咸青,贾 涛.纵向磁场中的焊接电弧行为
.西安交通大学学报,1994,28(4):7～13.
<2> 罗 键,贾 涛,殷咸青.GTAW外加间歇交变纵向磁场的数值计算及其对焊接行为的影响.金属学报,1999,35(3):330～334.
<3> Kuzne
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