PDF《熔池表面形状对电弧电流密度分布的影响 ！》

熔池表面形状对电弧电流密度分布的影响! 孙俊生 武传松 (山东大学材料学院, 济南 ! # # $ % ) ( ! # # #年&

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#日收到修改稿) 电弧电流密度分布决定着电弧热流密度、 电弧压力的分布, 是了解焊接电弧物理本质, 建立焊接过程数学模型 的基础( 根据电弧物理的基本原理, 建立了电弧电流密度在变形熔池表面上的分布模型, 定量分析了熔池表面形状 对电流密度分布的影响规律( 计算表明, 电流密度在电弧中心线附近呈双峰分布, 在离开电弧中心线一定距离处变 为单峰分布, 熔池表面形状对电流密度分布有明显的影响( 基于该模型计算的焊缝几何形状与实测结果符合得较 好( !国家教育部优秀年轻教师基金资助的课题( 关键词:熔池表面变形,电流密度,分布模型 ! # # : ! ) # , # ! * # % 引言焊接电弧电流密度分布是电弧物理最基本、 最 重要的问题之一( 因为电流密度的分布直接决定了 电弧热流密度、 电弧压力等的分布, 而电弧热流密度 分布描述了电弧热传输给焊件的方式, 电弧压力决 定着熔池的表面形状( 因此电弧热流密度、 电弧压力 的分布直接影响着熔池的几何形状、 焊缝成形、 焊接 接头的冷却特性, 最终决定着焊接接头的质量( 准确 地描述电弧电流密度的分布, 不仅对于深入了解电 弧物理的本质具有重要的理论意义, 而且对于控制 焊接质量具有重要的实际意义( 世界各国的学者在 建立焊接过程的传热模型时, 均采用了 + , - .

. / , 0分 布的电流密度分布模型 [ % , ! ] ( 对于熔池表面变形较 小的钨极惰性气体保护电弧焊 (1

2 +) 而言, 这样处 理基本上是合理的( 但在熔化极惰性气体保护电弧 焊(3

2 +) 焊接中, 由于熔滴冲击力的作用和电弧压 力的大幅度提高, 使熔池表面产生了严重的变形, 电 弧正下方有较大的下凹变形, 而电弧后方熔池表面 隆起, 熔池表面变为复杂形状的曲面, 电流非常明显 地受到熔池表面形状的限制, 使其分布模式发生变 化( 电流密度分布模式的变化, 引起电弧压力分布的 改变, 电弧压力分布的改变又会影响到熔池的表面 变形, 而熔池的表面变形反过来又会影响到电流密 度的分布( 本文根据电弧物理的基本原理, 综合考虑 熔池表面变形和电流密度的动态耦合作用, 建立熔 池表面变形情况下的电流密度分布模型, 并定量分 析熔池表面变形对电流密度分布的影响规律( ! 电弧电流密度的分布模型 自由电弧, 事实上是两个电极之间的一个气体 导电体( 这个导电体的断面不像固体导电那样形状 固定不变, 它可以自由扩大和收缩其导电断面( 但当 电流一定, 周围条件 (气体介质成分、 温度、 压力等) 一定时, 电弧的各区 (阳极区、 阴极区、 弧柱区) 总有 相应的导电断面, 导致它们选择某一确定断面的机 理就是最小电压原理( 这个原理的基本内容是, 在电 流不变, 周围条件一定时, 稳定燃烧的电弧将自动选 取某种导电断面 (其大小可用直径来表示) 以保证在 此条件下, 可能产生最低的电场强度, 即在固定长度 上的电压最小, 这就是最小电压原理 [ &

] ( 根据这一 原理, 弧柱中的电流应沿最短路径流入熔池( 图%表示32+焊接试件在!4#截面上电流密度的分布 示意图, 设 %, ! 分别为焊丝端部 # 至焊丝中心 线两侧熔池表面曲线 ( !4 #截面与熔池上表面的交 线) 的最短距离$ 即, %%#4 %, %!#