焊接熔池形态及其特点

在焊接工件上，根据不同部位传热方式的不同，焊接热过程可分为在熔池内部高温过热液态金属以对流为主的传热和熔池外部热影响区、母材区域中的固体传热两个部分。由于这两部分的传热过程是相互联系和相互影响的，为了更准确地计算和分析焊接热过程，必须深入研究熔池中液态金属的流体动力学状态。

熔焊时，熔池中的液态金属不是静止不动的，而是在各种外力的作用下流动着的。熔池中的流体流动主要受以下几种力的驱动。

1.表面张力

表面张力是温度的函数。焊接过程中熔池表面的温度分布不均匀，从而造成了表面张力的不均匀分布，故在熔池表面上存在着表面张力梯度。表面张力梯度是熔池中流体流动的主要驱动力之一，它使流体在液面上从表面张力低的部位流向表面张力高的部位。对于液态金属材料，一般情况下温度越高，表面张力越小，即表面张力温度系数（∂γ／∂T）为负值。通常熔池中心部位温度高，表面张力小；而熔池边缘处温度低，表面张力大。所以熔池表面上作用的表面张力梯度使液态金属从熔池中心向边缘流动（见图2-17、图2-18），在熔池中心处由熔池底部向熔池上表面流动。

表面张力还受化学成分的影响。如果向液态金属中加入某些表面活性元素（如S、O、Se），液态金属的表面张力温度系数（∂γ／∂T）会由负值变为正值。在这种情况下，熔池中心部位温度高，表面张力大；而熔池边缘处温度低，表面张力小。因此，表面张力梯度驱使液态金属沿径向从边缘向中心流动，在熔池中心处由液面向底部流动（见图2-17）。总之，表面张力温度系数的大小和符号能够显著改变熔池内的液体流动方向，进而影响着熔池内的温度分布及熔合区形状，如图2-17所示。

图2-17 焊接熔池表面及内部的流体流动模式

a）∂γ／∂T＜0 b）∂γ／∂T＞0

2.电磁力

电弧焊时，由于熔池体积比电弧要大得多，焊接电流从斑点进入熔池后会产生电流线的发散，流过熔池的电流同其自身的磁场相互作用就产生了电磁力（洛伦兹力）。电磁力对熔池中的流体流动也有着重要的影响。通常，电磁力推动熔池液态金属在熔池中心处向下流动，然后沿熔池四周的固液界面返回熔池表面，在熔池表面沿径向由边缘向中心流动（见图2-18c）。

3.浮力(www.xing528.com)

由于熔池中存在着温度梯度或成分梯度，不同部位的液态金属的密度发生变化，从而在熔池中产生浮力。温度高的地方液态金属密度小，温度低的地方液态金属密度大。在浮力作用下，熔池中过热的液态金属将上升至表面，较冷的液态金属被推至底部。与表面张力梯度和电磁力对流体流动的作用相比，浮力所起的作用很小（见图2-18a）。

4冲击力

在大电流GMAW焊接或高能束焊接时，熔滴或高能束流对熔池形成冲击力。冲击力引起的流动类似于电磁力，如图2-18d所示。

图2-18 各种力单独作用时造成的熔池流体流动模式（箭头表示流动方向和流速）

a）浮力 b）表面张力 c）电磁力 d）冲击力

焊接熔池形态是指熔池的几何形状、熔池中的流体动力学状态以及熔池中的传热过程。焊接熔池形态的数学描述涉及包括热能方程、动量方程和连续性方程等的一组偏微分方程。此外，在焊接过程中液态熔池的表面是自由表面，熔池表面作用有电弧压力、表面张力、熔池重力等各种外力。在GMAW焊接时，还有熔滴的冲击力。在各种力的共同作用下，熔池表面产生三维变形，尤其是工件熔透之后，焊接熔池的正面和背面都将产生明显的变形，需要两个偏微分方程描述熔池正面和背面的变形。而且熔池形态问题不像焊接固体热传导时只涉及一个热传导微分方程。因此，具有熔体流动问题的处理和求解过程更为复杂。但是，由于这种处理更接近实际，会大大提高数值分析的准确度。

焊接熔池流体动力学状态及传热过程的数值计算涉及一组偏微分方程的联立求解，又加上流体速度场求解的特殊性和复杂性，需要使用特殊的计算流体动力学和传热学的算法。国际上广泛采用的有SIMPLE算法以及由此衍生出来的SIMPLEC和SIMPLER算法。

国内外焊接科技工作者在这方面开展了大量研究工作。数值计算结果表明，熔池中的流体流动对焊接温度场有着重要的影响，对熔池形状和随后的熔池结晶过程也有着明显的作用。