淺談焊接重力對焊縫的影響

高建生 林鵬皓 曹春鵬 馬敬旗

摘 要：了解焊接過程中涉及的物理現象對于提高材料的可焊性具有重要價值，而重力作為焊接過程中的重要影響因素之一，其在大小和方向上的改變都會通過影響焊縫的熔池形狀等因素進而影響焊接性能。本文主要以鎢極氣體保護焊（TIG焊）以及激光焊為說明對象，淺析了重力方向及大小發生改變對焊縫產生影響的具體原因以及現象。

關鍵詞：焊接;重力;TIG焊;激光焊

1序言

美國國家航空航天局（NASA）的大部分維護和維修工作都在地面上進行，而不是在太空中進行。NASA 的技術專家總是盡力避免任何空間焊接。

采用這種方法的原因是空間內焊接極具挑戰性。焊縫的結構、成分和質量取決于熔池中的溫度分布和焊縫形成時熔化材料的分布，這在空間上是難以控制的，因為氣體在低重力和無空氣環境中的行為是與地球上的環境不同。太空飛行器由足以承受太空旅行的材料制造，這些材料由陶瓷和鋁等材料制成。由于鋁是空間建造中使用的主要金屬，鎢極氣體保護焊（TIG焊）將成為修理航天器部件的首選技術。但是，TIG 焊接所需的靈巧性和精度在零重力下很難實現。

在焊接過程中，重力不僅決定了焊道的不同形式，而且還會通過影響熔池的形狀進而改變焊縫金屬的微觀結構。熔池中的熱傳遞和流體流動會顯著影響熔池幾何形狀、溫度梯度、局部冷卻速率和凝固結構等特性。而影響熔池中流體流動的驅動力有很多，其包括浮力、電磁力、熔池表面的表面張力梯度和電弧等離子體的沖擊力。

重力會通過影響熔池行為從而影響焊接性能。因此，有必要了解重力對焊縫對流、焊縫尺寸、微觀結構演變和焊縫結構力學性能的影響。本文將以TIG焊以及激光焊為對象，淺析重力大小以及方向對焊接質量的影響及其原因。

2重力方向的影響

由于焊縫的位置不同，在焊接時焊接的角度也會產生改變，如垂直向上位置、垂直向下位置和平面位置等，焊接角度不同也會導致重力相對于焊縫的方向發生改變。實驗發現垂直向上時穿透深度會比垂直向下的位置更深，大約為 21%[1]，這可能的原因是重力方向顯著影響著熔池形狀，進而影響凝固形態和初級枝晶間距。

具體一點進行說明，在TIG焊中，焊接方向發生改變也會影響重力的方向，比如平焊、45°下向焊和立向下焊三種焊接方式會因為焊接重力的方向不同而導致熔池內液態金屬的流場、溫度場具有明顯影響。劉文吉等人[1]通過有限元分析發現：平焊、45 °下向焊以及立焊下向焊的速度場明顯不同，重力的作用方向對熔池內液態金屬的流場溫度場產生明顯的影響。立焊下向焊接熔池內金屬流動速度較大，且主要從焊縫中心向前后流動（熔池上表面從前向后流動，熔池底部從后向前流動）。相同條件下平焊位置熔池內的金屬流動速度最小，在熔池表面金屬除了向后流動還會向兩側流動，因此熔池較寬。45° 位置的速度場情況居干平焊和立焊之間。在平焊位置，隨著重力加速度值的增加下，x、y、z三個方向的速度平均值均顯著增加，這說明重力加速度的大小對流場影響明顯。

而在激光焊接中，Chang B等人[2]通過實驗也驗證了立向上焊縫的咬邊大于立向下焊縫，而立向下焊縫的氣孔率遠高于立向上焊縫。當焊接熱輸入較高時，垂直向上焊接位置導致焊縫輪廓不佳（咬邊和燒穿孔），而垂直向下焊接位置導致焊縫中的氣孔含量過多。嚴重的咬邊和過多的孔隙都會對焊縫的拉伸性能有害。但是通過使用較低的熱輸入可以改善焊縫外觀并減少孔隙率，從而實現更好的焊接質量。

3重力大小的影響

從古至今絕大部分焊接行為是在正常重力范圍內發生的，即重力加速度值約為9.8的環境中。而隨著人類活動范圍的擴大，如深海、高空甚至太空等曾經人類無法涉足的領域現在已經越來越多的出現了人類的足跡，因此在不同重力下焊接會發生何種改變這個問題已經被越來越多科學家及工程師所關注。很多科學家已經對這一現象做了研究。中國研究者通過實驗和仿真分析的方法得出的結果是，在重力減小的環境中，焊珠的寬度會比正常重力更寬、其穿透力也會增加。除此之外，在重力降低的情況下，孔隙率和懸浮焊接顆粒會增加，這可能導致焊接接頭變弱[3]。而在高重力下環境下，焊道的熔合區形狀和輪廓會和正常情況有所區別。比如焊縫熔合區的縱橫比會減小。

鎢極氣體保護焊（TIG焊）焊接過程中的自由表面變形會導致焊縫熔深產生變化，這也可能是焊接過程中焊池的最終幾何形狀變化的一個促成因素。在電弧焊中，熔池表面（自由表面）會產生變形。自由表面變形是表面條件和熔池動力學的產物;這些反過來會影響焊縫特性，即焊縫熔深、表面平整度和凝固行為。電弧壓力，以及相對影響較小的電磁和流體動力渦流效應，已被認為是促進自由表面變形的主要原因。表面張力和重力效應往往會使熔池變平。熔池內的對流主要由表面張力梯度驅動，除此之外，浮力效應也會對其產生微弱影響。因為焊縫池通常很小，自由表面變形很小，所以在低熱輸入焊接過程中，無需考慮重力就可以相對較好地預測熔池幾何形狀。但是在熔池尺寸較大時必須考慮自由表面變形，因為如果忽略它，它會導致在高熱輸入焊接過程中對焊縫熔深預測不足。鎢極氣體保護焊實驗表明，高焊接電流下熔深較深，焊接速度低時表面變形明顯。在薄樣品和完全滲透條件下，表面變形更顯著。王厚勤等人[3]的實驗表明，在重力方向引起的高熱輸入下，表面形態和熔池幾何形狀會發生顯著變化。

在激光焊接過程中同樣存在著重力取向效應。與TIG 不同的是，激光的強聚焦光束會導致表面汽化和熔池中的小孔效應。激光器的凈熱通量通常遠高于TIG 的凈熱通量。這也會導致在不同重力水平下激光焊的現象和TIG焊有所不同。

越來越多的證據表明，重力通過在自由表面變形中起著非常重要作用，進而影響熔池形狀。并且，在太空的微重力環境或火星的低重力環境中，可以減輕這種影響。

4結論

重力作為影響焊接結果的重要參數之一，其在方向和大小上的改變都會對焊縫產生較大的影響。其中，重力在方向上的改變通過影響熔池形狀，進而影響凝固形態和初級枝晶間距，最終的結果是熔池的穿透深度會發生改變。而針對重力大小的改變結果是，較高的重力場往往會增強熔池內的對流流動，從而影響到兩相區域的深度和寬度以及熔池深寬比。

參考文獻：

[1]劉文吉，李亮玉，岳建鋒，王天琪.重力對全位置TIG焊熔池溫度場與流場影響的有限元分析[J].焊接學報，2015（3）：76-79+84+5.

[2]Chang B， Yuan Z， Pu H， Li H， Cheng H， Du D， Shan J. Study of Gravity Effects on Titanium Laser Welding in the Vertical Position. Materials. 2017; 10（9）：1031. https：//doi.org/10.3390/ma10091031

[3]王厚勤. 不同重力水平下電子束焊接熔池行為與熔滴過渡研究[D].哈爾濱工業大學，2018.