气体保护焊喷嘴对保护气用量的影响

邹 晔,裴宏杰,陈林锋,刘成石,王贵成

(1.无锡职业技术学院 机械技术学院,无锡 214121)(2.江苏大学 机械工程学院,镇江 212013)

在气体保护焊接过程中,保护气体在电弧周围形成气体保护层,将电弧、熔池与空气隔开,防止空气对焊接的影响,保证电弧稳定燃烧[1-2]．由不同气体成分混合组成的保护气能够适应不同金属材料和焊接工艺的需要,并能获得最佳的保护效果、优良的电弧特性及稳定的熔滴过渡特性,比用单一气体更易得到良好的焊接效果[3-4]．

在气体保护焊接过程中,需要消耗大量保护气,尤其是混合气,价格较高．为了降低成本,减小资源消耗,需要在保证焊接质量的基础上,降低保护气的用量．为此，国内外学者对保护气的用量进行了相关研究．文献[5]通过比较保护气体层流长度的方法,分析了径向、斜孔和整流罩型中3种不同导气结构与保护气体用量的关系．文献[6]采用PHOENICS软件模拟了保护气流场,分析了喷嘴直径对流量的影响．文献[7]运用Fluent软件对流场进行模拟,研究在不同流量条件下,喷嘴直径与抵抗侧风能力的关系．文献[8]采用CFD仿真计算和X射线探伤实验,研究了喷嘴结构与流量对保护气体包裹性能的影响[8]．文献[9]采用CFX分析了导电嘴上的导气孔直径对保护气体用量的影响,并进行了焊接实验及验证．

在前期研究中,在不减小保护气保护范围条件下,降低保护气用量,从而降低成本,减少资源消耗的研究较少．因此文中针对传统气体保护焊,通过改变喷嘴的结构来减小保护气用量,对实际生产具有重要的指导意义．

1 保护气CFD流场分析

1.1 仿真参数

板材厚度为4 mm,熔池宽度为8 mm,熔合区为1 mm,焊接允许最大侧风风速为0.5 m/s．一般情况下,熟练工人使用半自动走丝最快焊接速度为5 mm/s,据此可以设定焊接时某点一瞬态停留时间为0.2 s．以通过计算流场中某点速度与该处音速之比,得到流场最大马赫数(M)[10-11]为0.03,远小于临界条件(马赫数为0.3),可认为气体是不可压缩的．

在保护气体流量仿真分析中,对保护气体流场合格的标准进行了规定:在0.5 m/s侧风条件下,在侧风端的保护气覆盖边界到焊缝中心的长度为保护距离(L)(图1),保护距离大于熔池宽度+熔合区宽度之和,并且在保护距离内,保护气体浓度不小于95%．本仿真的最小保护距离为4.5 mm(熔池宽度4 mm+熔合区宽度0.5 mm)．

1.2 仿真喷嘴模型

仿真中使用4种喷嘴模型,如图2．图2(a)为工业用直孔普通喷嘴,孔径为16 mm;图2(b)为双螺旋喷嘴,端部孔径为16 mm;图2(c)为缩径喷嘴,端部内收孔径为12 mm;图2(d)为扩散喷嘴,端部内孔呈锥度,端部最大孔径为12 mm．

图1 保护距离Fig.1 Protection radius

图2 4种喷嘴Fig.2 Four kinds of nozzles

在Fluent中构建3D模型,如图3．模型区域为长方体,其长宽高分别为120,120和63.5 mm．喷嘴位于长方体正中间,工件位于喷嘴下方10 mm处．导电嘴位于喷嘴中部,按实际尺寸测量后简化．分流器位于导电嘴上端,具有8个均匀分布孔．不考虑电弧对气流的影响．模型网格由1 020 000四面体单元组成,喷嘴内和喷嘴到工件之间的网格密度大于流场外侧的网格密度．

图3 气体保护焊的3D模型Fig.3 3D model of gas shielded arc welding

边界条件,空间气压为101.325 KPa,自由边界为出气口,气体进口是位于分流器上的8个均匀分布的小孔,在流场一侧添加侧风,开始时设置整个流场全部为空气．采用非稳态压力求解器．

1.3 仿真结果

(1) 普通喷嘴的不同流量比较

在工业上,使用孔径为16 mm的直孔普通喷嘴进行气体保护焊时,保护气体流量一般为16～20 L/min．在仿真中,直孔普通喷嘴所加载的混合气(80%Ar+20%CO2)流量分别为16、12、11 L/min．图4为流量分别为16、12和11 L/min的直孔普通喷嘴保护气质量浓度分布．由图中可以看出,保护气体从分流器中流出进入喷嘴中,射流到工件表面,沿四周进行扩散.由于保护气体受到侧风的挤压,保护范围减小,易形成焊接缺陷．

当流量为16 L/min时,保护距离L为9.98 mm,抵抗侧风能力最好,但浪费了较多保护气;当流量为11 L/min时,保护距离L为4.39 mm,被侧风吹偏程度最大,没有完全覆盖住焊接熔池;流量为12 L/min时,保护距离L为6.04 mm,虽然有一定程度的吹偏,但能够完全覆盖焊接熔池和熔合区,而且有一定冗余,可以减少25%混合气用量．

图4 不同流量保护气体质量浓度分布Fig.4 Mass concentration distributior of different shielding gas flow

(2) 普通喷嘴与螺旋喷嘴的比较

图5为孔径16 mm的普通喷嘴和孔径16 mm螺旋喷嘴(12 L/min),无侧风条件下流线图．普通喷嘴保护气体流场直接沿着轴向喷射到工件上,而螺旋喷嘴中保护气体绕着喷嘴中心螺旋向下喷射到工件上．螺旋气体在一定程度上能促进熔池的流动．无侧风条件下,直孔普通喷嘴和双螺旋喷嘴到达保护距离L=4.5 mm所用的时间分别为0.112 s和0.138 s,双螺旋喷嘴保护气在工件上面旋转,在工件表面停留时间更长．

图5 不同喷嘴流线图Fig.5 Velocity streamline of different nozzles

图6为在侧风0.5 m/s影响下,流量12 L/min的双螺旋喷嘴中保护气体质量浓度分布情况．保护距离L为5.67 mm,小于流量12 L/min时普通喷嘴的L值(6.04 mm)．根据图4(b)和图6可得知受侧风影响一侧,双螺旋喷嘴到环境中的保护气体明显少于普通喷嘴喷出的气体,意味着相同保护气浓度下,双螺旋喷嘴抵抗侧风能力低于普通喷嘴．

图6 保护气质量浓度分布(螺旋喷嘴,流量12 L/min)Fig.6 Mass concentration distribution of shielding gas (spiral nozzle,12 L/min)

(3) 缩径喷嘴和扩散喷嘴比较

图7和图8分别为流量9 L/min时的缩径喷嘴中和扩散喷嘴中保护气体质量浓度分布．其保护距离L分别为4.83 mm(缩径喷嘴)和4.61 mm(扩散喷嘴)．可以看出缩径喷嘴和扩散喷嘴相比普通喷嘴,混合保护气流量可以更少．

图7 缩径喷嘴的保护气体质量浓度分布Fig.7 Mass concentration distribution of shielding gas (shrink nozzle,9 L/min)

图8 扩散喷嘴的保护气体质量浓度分布Fig.8 Mass concentration distribution of shielding gas (diverging nozzle,9 L/min)

(4) 不同喷嘴气体浓度的分布图

为了更直观地观察和分析在工件表面截线处浓度分布情况,将仿真结果提取出来绘制成曲线图．图9为没有侧风时,保护气体浓度分布曲线(缩径喷嘴和扩散喷嘴,9 L/min;普通喷嘴和螺旋喷嘴,12 L/min)．图10为0.5 m/s侧风条件下保护气体浓度分布曲线(缩径喷嘴和扩散喷嘴,流量9 L/min;普通喷嘴和螺旋喷嘴,流量12 L/min)．从图9和图10可知,工件上保护气体在焊缝中心浓度不是最高,而是在焊缝中心两侧附近,然后向外浓度递减．在相同流量下,扩散喷嘴抵抗侧风能力低于缩径喷嘴侧力．但是扩散喷嘴的覆盖面积大于缩径喷嘴．缩径喷嘴适用于干扰较大的侧风时,而扩散喷嘴适用于无风或微弱风时．在无风条件下,普通喷嘴和螺旋喷嘴的保护气体上覆盖面积较大,普通喷嘴抵抗侧风能力高于螺旋喷嘴．

图9 无风条件下不同喷嘴的保护气体浓度分布Fig.9 Mass concentration distribution without side draught

图10 有风条件下不同喷嘴的保护气体浓度分布Fig.10 Mass concentration distribution with side draught

2 焊接实验

2.1 实验系统和实验参数

采用自行研制2003型混配系统和NBC-350气体保护焊机,加工出螺旋喷嘴、缩径喷嘴和扩嘴散喷,构建成一个混合气保护焊接系统,如图11．

图11 气体保护焊实验系统Fig.11 Welding system

室内焊接,焊丝型号为Ehr506,焊接电流200 A,混合气为80%Ar+20%CO2．工件材料为Q235A钢，板厚4 mm,对接接头,Ⅰ型坡口,然后进行线切割,参照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》及GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》,做成标准试样,如图12．

图12 拉伸样件(单位：mm)Fig.12 Tensile sample(unit:mm)

焊接后使用线切割方法对焊缝进行横向切断,然后对样件进行抛光,采用浓度为4%硝酸溶液对焊缝断面进行腐蚀,在HVS-1000型电子显微硬度仪上测量硬度,用来间接评价焊缝性能．

2.2 实验结果和分析

(1) 拉伸结果分析

在电子万能试验机进行拉伸实验,实验结果如表1．普通喷嘴、螺旋喷嘴、缩径喷嘴和扩散喷嘴的焊接样件断口都不在焊缝上,普通喷嘴、螺旋喷嘴、缩径喷嘴的断口位于样件的母材上,扩散喷嘴的断口位于焊缝热影响区,抗拉强度分别为432.34、404.23、427.15和421.56 MPa,在Q235A钢的抗拉强度范围内(375～460 MPa)．表明减小保护气用量的焊接效果能够满足力学性能．

(2) 焊缝硬度结果分析

如图13(a)和(b),焊缝中心到母材的硬度值大体呈下降的趋势,焊缝区和热影响区测得的硬度值都大于母材区的硬度并且焊缝区的硬度最高．使用普通喷嘴、螺旋喷嘴、缩径喷嘴和扩散喷嘴所得焊缝,在中心处的硬度最高为220HV左右．

在使用9 L/min缩径喷嘴和9 L/min扩散喷嘴的焊缝在热影响区硬度出现峰值,主要是由于热影响区晶粒粗化导致．这种现象可能会引起热裂纹倾向等焊接缺陷的产生．因此可以看出12 L/min螺旋喷嘴和16 L/min普通喷嘴的焊接性优于其他两种情况．

表1 焊接接头拉伸试验Table 1 Tension experiments of welded joint

图13 焊缝硬度Fig.13 Hardness of the weld

3 结论

(1) 在不减小保护范围低的情况下,采用特殊结构喷嘴,可以显著降低保护气用量．

(2) 无风和微弱侧风条件下,普通喷嘴保护气覆盖范围小于螺旋喷嘴,扩散喷嘴保护气覆盖范围大于缩径喷嘴．

(3) 较大侧风情况下,普通喷嘴抗侧风能力高于螺旋喷嘴,缩径喷嘴抗侧风能力高于扩散喷嘴．

(4) 在满足保护范围条件下,缩径喷嘴和扩散喷嘴保护气体用量小于普通直孔喷嘴和螺旋喷嘴．

(5) 焊接件接头硬度在焊缝中心处硬度最大,硬度由焊缝中心到母材处整体呈下降的趋势．缩径喷嘴和扩散喷嘴的焊缝在热影响区硬度呈现峰值．