Page 131 - 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

另外，考虑侧壁热源时的底部熔深略小于未考虑侧
壁热源时，而侧壁熔深则略大于未考虑侧壁热源时。
这是因为未考虑侧壁热源时热源指向底部，使得底
部热量高，熔池变深；而考虑侧壁热源时一部分热量
用于加热侧壁，使得侧壁温度升高，熔深变大。但是，
侧壁熔深和底部熔深的尺寸变化非常有限，均小于
0.1 mm。综上可知，考虑侧壁热源主要影响的是两
侧壁的熔合线最高点位置。
图 7 未考虑侧壁热源和考虑侧壁热源时焊缝横截面熔合线轮廓的
由图11和图12可见：不考虑侧壁热源时，电弧
模拟结果与试验结果对比
Fig. 7 Comparison between simulated fusion line contour of weld 在右侧引燃，形成熔池，但此时焊件的温度较低，起
cross-section with and without considering sidewall 弧点的热量迅速散开，因此熔池尺寸较小；而后电
heat source and test result 弧向左侧摇动，熔池尺寸变大，由于电弧摇动速度较

描述热源分布特征。 快，且在左右两侧停留时间较长，因此两侧首先形成
3.2 温度场模拟结果 熔池，而焊道中间未形成熔池；随着时间的推移，焊
由图9和图10可以看出，在一个周期内，考虑与 件温度不断升高，左右两侧的熔池不断扩大，在1.0 s
不考虑侧壁热源2种条件下，焊接接头横截面温度 时横跨整个焊道。在温度场稳定前，考虑侧壁热源
场基本保持稳定，熔池形态基本相同。这是因为电 时熔池的形成规律与不考虑侧壁热源的基本一致；
弧热作用具有延迟性，同时电弧摇动频率达到4 Hz， 在两侧壁停留时，考虑侧壁热源时一部分电弧热量
摇动速度很快，还未完全散热焊丝就又在下个周期 分解给了侧壁热源，因此接头上表面的熔池尺寸略
摇动到该位置，使得横截面温度场基本保持稳定。 小于不考虑侧壁热源时。

图 8 不同测温点热循环曲线模拟结果与试验结果的对比
Fig. 8 Comparison between simulated and test results of thermal cycle curves for different temperature measurement points:
(a) point T1; (b) point T2; (c) point T3 and (d) point T4

由图13和图14可以看出，考虑与不考虑侧壁热 限，使得整个焊道受热均匀，因此熔池形态保持相对
源2种条件下， 温度场稳定后焊接接头上表面熔池形 稳定。熔池两端凸出，造成这一现象的原因是，电弧
态变化不明显。这是因为焊接电流较大，熔池尺寸 在左右两侧壁停留时间较长，各达到60 ms且基本与
较大，而焊道较窄，电弧摇动频率高，且摇动范围有 从左侧摇动到右侧的时间一致。考虑与不考虑侧壁
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