Page 129 - 机械工程材料2024年第十一期

吴叶军，等：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

源也并非在平面内左右摇动。综上，必须考虑电弧
摇动、焊缝表面形状对温度场的影响。

图 4 测温点位置示意
Fig. 4 Schematic of temperature measuring point position
2 有限元模型的建立 图 5 电弧摇动角度示意
Fig. 5 Schematic of arc swing angle
2.1 传热控制方程
在电弧摇动过程中采用双椭球体热源描述电弧
传热控制方程 ［12］ 如下：
热输入 ［11］ ，其热源中心（x ，y ，z ）描述如下：
 H ∂ H ∂ H ∂ H ∂ 1c 1c 1c
 + ρ +u +v  = w  π α 
r
 t ∂ ∂ x y ∂ z ∂  （1） x 1c = vt + sin  - + tω  （2）
0
0
∂  κ T  ∂ ∂  κ T  ∂ ∂  κ T  ∂ S  2 2 
∂ x   ∂ x  + y ∂    y ∂  + z ∂    z ∂   + v  π α 
y 1c = r 0 cos  - + t ω  （3）
式中：H为熔滴热焓； ρ 为焊件的密度；κ 为焊件的热  2 2 
导率；t为时间；u，v，w分别为x，y，z方向上的焊接 z = z （4）
速度分量；S 为内热源强度；T为温度。 1c 0
v
2.2 热源模型 式中： z 0 为热源模型z方向的坐标，由焊缝上表面高
度决定。
在新型摇动电弧窄间隙GMA焊接过程中，当电
通过坐标变换的方法推导出电弧热源模型摇动
弧摇动到两侧壁时，电弧同时加热焊缝和侧壁，具有
后的热流分布函数：在垂直于焊接方向平面内将热
体积热源特点，故采用双椭球体热源描述电弧热输
源模型与所在坐标系转动一定的角度，则在新的坐
入。然而，当电弧摇动到两侧壁时，电弧几乎垂直于
标系（ x'， y'， z'）内，热源模型分布函数与原坐标系相
侧壁，使得侧壁吸收的热量增加，进而增加了侧壁熔
同，通过两坐标系之间的坐标变换获得原坐标系下
深，改变了温度场分布，因此为了更加准确地描述热
热源模型倾斜后的分布函数。参考文献［11］推导获
输入，将在两侧壁停留时的热源分解为侧壁热源和
得原坐标系下具有上述热源中心移动轨迹及倾斜角
电弧分热源，在摇动过程中再将侧壁热源和电弧分
度的热源模型分布函数，如下：
热源合并为一个电弧热源。
12 3 IU
η
2.2.1 电弧摇动过程中的热源模型 q =
f1
a
bc ππ
图5中ω为摇动角速度， ωt为某一时刻电弧摇动 ( f1 +a r1 ) 1 1 （5）
角度， α为摇动角度， r 0 为摇动半径， β 为导电杆弯曲  3 2 3y′ 2 3x′ z  ′ 2

exp - - -   (x≥ 0)

角， l w 为导电杆弯曲点到工件表面的距离。焊接时，  a 2 b 1 f1 c 1 
电弧绕着焊炬轴线左右摇动，在垂直焊接方向平面 12 3 IU
η
内电弧与焊件侧壁表面呈一定倾斜角度θ，即电弧在 q r1 = a +a bc ππ
垂直焊接方向的平面内存在左右摇动。当电弧摇动 ( f1 r1 ) 1 1 （6）
 3 2 3y′ 2 3x′ z  ′ 2
x

到中间时， θ 为0°。当电弧从中间摇动到侧壁过程时， exp - a 2 - b - c   ( < 0)

θ 不断变大，在侧壁停留时达到最大。在这个过程中，  1 r1 1 
电弧热源呈不断变化的倾斜状态。该倾斜角度的存 式中：q 为前半部分椭球热流分布函数；q 为后半部
r1
f1
在会影响电弧热流分布模式，从而影响热场特征。 分椭球热流分布函数； η 为电弧热效率；I为焊接电流；
同时，由于焊缝表面存在一定的下凹，焊接时电弧热 U为电弧电压； a f1 ， a r1 ， b 1 ， c 1 均为热源分布参数。
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