考虑温度场的MIG熔滴过渡行为数值模拟学习体会

文献概况

本文由福州大学黄泽涵等四位学者于2021年发表于《兵器材料科学与工程》第44卷第3期，以304不锈钢焊丝和氩气保护为对象，建立了考虑温度场的二维轴对称熔滴过渡数值模型。研究系统分析了熔滴脱落前后的温度分布、尺寸变化和滴落速度规律，揭示了熔滴在电弧等离子体中的行为特征。

MIG焊熔滴过渡机理

熔滴过渡的基本过程

熔化极气体保护焊（MIG/GMAW）的熔滴过渡是焊接过程的核心环节，直接影响焊缝成形质量、飞溅大小和焊接效率。熔滴过渡过程可分为以下几个阶段：

1. 熔滴生长阶段：焊丝端部熔化形成熔滴，在表面张力、重力、电磁力、等离子体流动力等作用下逐渐长大。
2. 颈部收缩阶段：熔滴底部（颈部）在电磁力等作用下逐渐变细。
3. 熔滴脱落阶段：颈部收缩至临界状态后断裂，熔滴脱离焊丝进入熔池。
4. 飞行阶段：熔滴在电弧等离子体中飞行，受到多种力的作用，最终落入熔池。

熔滴过渡模式

根据焊接电流和电压参数的不同，MIG焊的熔滴过渡可分为以下几种模式：

数值模型与温度场分析

模型建立要点

本文建立的二维轴对称熔滴过渡模型考虑了温度场的影响，这是一个重要的改进。传统的熔滴过渡模型往往假设熔滴温度均匀或采用简化处理，而实际熔滴在生长、脱落后飞行过程中，温度分布是不均匀的，且随时间变化。

模型中需要考虑的主要物理场包括：

• 温度场：熔滴内部和表面的温度分布，受电弧加热、辐射冷却、对流散热等影响。
• 流场：熔滴内部流动和外部等离子体流动。
• 电磁场：电流通过熔滴产生的电磁力（Lorentz力）。
• 表面张力场：熔滴表面的表面张力及其温度梯度引起的Marangoni效应。

温度分布规律

文献揭示了熔滴脱落前后的温度分布特征：

• 脱落前：温度最大值出现在熔化的焊丝金属端部，即熔滴颈部附近。这是因为电弧加热主要集中在焊丝端部，且颈部区域散热条件相对较差。
• 脱落后：温度最大值出现在熔滴中心区。这是因为脱落后熔滴表面开始散热，而中心区域由于热传导的滞后性，温度仍然较高。
• 随时间变化：脱落后熔滴平均温度逐渐升高（受电弧加热），温度分布趋于均匀。

这些温度分布规律对理解熔滴过渡行为具有重要意义。温度梯度引起的Marangoni对流会影响熔滴内部的流动模式，进而影响熔滴的变形和脱落行为。

熔滴尺寸与运动分析

熔滴形状演变

文献将缩颈脱落后的熔滴近似为椭球形，分析了其在电弧等离子体中运动过程中的形状变化。结果表明：

• 熔滴尺寸逐渐接近圆形，说明在飞行过程中，表面张力的作用使得熔滴趋向于最小表面积状态。
• 长轴方向尺寸变化较大，短轴方向变化较小，说明熔滴在飞行过程中主要沿运动方向发生拉伸变形。
• 等效半径变化更小，说明虽然熔滴形状变化明显，但总体体积变化不大。

熔滴形状的变化直接反映了各种力的平衡关系。在飞行初期，熔滴受到等离子体流动力的拉伸作用，长轴方向尺寸增大；随着飞行时间增加，表面张力逐渐占主导，熔滴趋向球形化。

熔滴过渡速度的影响

熔滴的滴落速度受多种因素影响，包括焊接电流、电弧力、表面张力、熔滴尺寸等。熔滴过渡速度直接影响熔池的稳定性、焊缝成形和飞溅产生。

在实际焊接中，熔滴过渡速度可以通过调整焊接参数来控制。较大的焊接电流会增加电磁力和等离子体流动力，加速熔滴过渡；较高的电弧电压会增大熔滴尺寸，减缓过渡速度。参数匹配不当会导致熔滴过渡不稳定，产生飞溅和焊缝成形不良。

工程应用与工艺优化

对焊接工艺的指导意义

熔滴过渡行为的研究对焊接工艺优化具有重要指导意义。通过理解熔滴的温度分布、尺寸变化和运动规律，可以更精确地预测和控制焊接过程。

在304不锈钢焊接中，熔滴过渡行为直接影响焊缝的成形质量和性能。不锈钢焊缝对成形要求较高，飞溅不仅影响外观质量，还会增加后处理工作量。通过优化焊接参数，使熔滴过渡稳定，可以有效减少飞溅，提高焊缝成形质量。

数值模拟在焊接工程中的价值

数值模拟技术为焊接过程的理解和优化提供了强有力的工具。通过建立精确的物理模型，可以在不消耗大量试验资源的情况下，预测焊接过程中的温度场、应力场、流场和熔滴过渡行为。

在实际工程应用中，数值模拟与试验验证相结合，可以形成"仿真预测-试验验证-模型修正-工艺优化"的闭环开发流程。这种方法可以显著缩短工艺开发周期，降低试错成本，提高工艺方案的可靠性。

学习心得与启示

这篇文献对MIG焊熔滴过渡行为的数值模拟研究，为深入理解焊接冶金过程提供了有价值的参考。熔滴过渡是焊接过程中最复杂的物理现象之一，涉及热、力、电、磁、流等多种物理场的耦合，其精确建模和模拟一直是焊接数值模拟领域的难点。

从工程实践角度看，熔滴过渡行为的理解对焊接工艺优化具有重要意义。在实际生产中，焊接飞溅、焊缝成形不良等问题往往与熔滴过渡不稳定有关。通过调整焊接参数，使熔滴过渡稳定，可以有效提高焊接质量。

未来研究可以进一步考虑三维效应、熔滴与熔池的相互作用、多物理场耦合等因素，建立更加精确的熔滴过渡模型。同时，将数值模拟结果与实际焊接过程进行对比验证，不断提高模型的预测精度，这对于推动焊接技术的数字化和智能化发展具有重要意义。

以上五篇文献学习体会涵盖了表面覆层焊丝纯氩MIG焊接、铝合金角接焊仿真、铝合金焊丝成分优化、铝合金焊接接头微弧氧化涂层以及MIG熔滴过渡数值模拟等五个方向。这些研究从焊接材料、焊接工艺、焊接冶金、表面防护和数值模拟等不同角度，为钢管、管件及铝合金结构的焊接质量提升提供了理论依据和技术支撑。在实际工程应用中，应充分理解各项技术的原理和适用条件，结合具体工程需求，合理选择焊接方法和工艺参数，确保焊接接头的质量和可靠性。焊接技术的持续进步离不开基础研究的深入和工程实践的积累，作为技术人员，应始终保持学习热情，关注前沿研究动态，将理论知识与工程实践紧密结合，不断提升自身专业水平。