Page 127 - 机械工程材料2024年第十一期

2024 年 11 月 第 48 卷 第 11 期 Vol. 48 No. 11 Nov. 2024

DOI：10. 11973/jxgccl230384

考虑侧壁热源的摇动电弧窄间隙 GMA 焊接

温度场有限元模拟

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吴叶军 1, 2 ，胥国祥 ，王加友 ，陈保国 1
（1. 常州工程职业技术学院智能制造学院，常州 213164；2. 江苏科技大学，江苏省先进焊接技术
重点实验室，镇江 212003）
摘 要： 基于新型摇动电弧窄间隙熔化极气体保护（GMA）焊的电弧偏转现象，将在侧壁停留时
的电弧热源分解为电弧分热源和侧壁热源，建立了考虑侧壁热源的热源模型，采用ANSYS软件建
立新型摇动电弧窄间隙GMA焊的有限元模型，对考虑侧壁热源和未考虑侧壁热源时焊接接头横截
面熔合线轮廓以及热循环曲线进行模拟，并进行试验验证；采用有限元模拟方法研究了考虑侧壁热
源时摇动电弧窄间隙GMA焊接过程中的温度场，并与未考虑侧壁热源时的温度场进行对比。结果
表明：模拟得到考虑侧壁热源时焊缝横截面左右两侧壁熔合线最高点的深度与试验结果间的差值小
于未考虑侧壁热源时；考虑与不考虑侧壁热源2种条件下，焊接接头不同测试点的热循环模拟曲线
的变化趋势与试验结果基本吻合，峰值温度的最大相对误差分别为1.8%和3.4%。考虑侧壁热源的
热源模型能更加准确地描述摇动电弧窄间隙GMA焊过程中的热源分布特征。考虑侧壁热源模拟得
到的底部熔深略小于未考虑侧壁热源时，而侧壁熔深则略大，但尺寸变化均小于0.1 mm；温度场稳
定前，考虑侧壁热源时熔池的形成规律与不考虑侧壁热源的基本一致，但接头上表面的熔池尺寸略
小，而温度场稳定后，接头上表面的熔池尺寸也基本一致。
关键词： 摇动电弧窄间隙焊接；侧壁热源；温度场；数值模拟
中图分类号：TG444 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2024）11-0119-09

0 引 言 算机和数值分析技术的发展，数值模拟已成为研究
物理过程强有力的工具 ［6-8］ 。ELMESALAMY ［9］ 等
窄间隙焊接技术选用小角度的坡口，相对大角
采用有限元建模研究热循环对激光窄间隙焊接焊缝
度坡口断面面积减少50%以上，减少了焊接填充材
残余应力的影响。张华军等 ［10］ 建立了摆动电弧热源
料的消耗，从而降低了焊接成本 ［1-2］ 。目前，常用的
模型，并对摆动式非熔化极惰性气体钨极保护（TIG）
窄间隙焊接技术为窄间隙熔化极气体保护（GMA）
平板堆焊温度场进行了模拟计算和分析。
焊，包括旋转电弧窄间隙GMA焊、双丝窄间隙
新型摇动电弧窄间隙GMA焊的焊道较窄，当
GMA焊、摇动电弧窄间隙GMA焊，其中新型摇动
电弧摇动到左右两侧壁时，基于电压最小原理，电
电弧窄间隙GMA焊通过空心轴步进电机驱动微弯
弧并不是指向焊丝轴线方向，而是出现了一定程度
型导电杆绕焊炬中心线往返转动，带动焊丝端部的
的偏转，接近垂直于两侧壁。电弧偏转增加了两侧
电弧在坡口内作圆弧形摇动，以实现摇动电弧窄间
隙焊接，这种结构的焊炬结构更加紧凑、稳定 ［3-5］ 。 壁对电弧热的吸收，有利于增加侧壁熔深，但是也
焊接温度场对接头性能具有重要影响，相对于 改变了原有的焊接温度场，使得温度场更加复杂。
薄板的焊接，厚板的温度场更为复杂，对温度场进行 胥国祥等 ［11］ 建立了摇动电弧窄间隙GMA焊温度
研究，对提高焊接接头力学性能非常重要。随着计 场数值分析模型，但是未考虑电弧偏转对计算结果
的影响。作者在胥国祥等 ［11］ 研究的基础上，基于电
收稿日期：2023-08-16；修订日期：2024-07-26 弧偏转现象建立了考虑侧壁热源的热源模型，采用
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51875268） ；江苏省“青蓝工

ANSYS软件建立新型摇动电弧窄间隙GMA焊的
程”资助项目
有限元模型，对考虑侧壁热源和未考虑侧壁热源时
作者简介： 吴叶军（1985—），男，江苏常州人，副教授，博士研究生
导师： 王加友教授 焊接接头横截面熔合线轮廓以及热循环曲线进行模
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