熔池流体流动对焊接质量的影响

熔池内液态金属的流动对焊接质量有着重要的影响。其基本原因是熔池中熔化金属的流动影响到了材料焊接区的热输送现象及所形成的焊缝形状尺寸。

1.影响熔池液体金属流动的驱动力

力是使熔池内的液体金属产生流动的根本原因，焊接过程中熔池受到各种力的作用。在TIG焊中，电弧等离子气流从熔池表面流过，对熔池表面产生垂直与液面的压力和沿液面的表面剪切力；液态金属的表面张力对温度很敏感，在熔池表面产生表面张力温度梯度；作为焊接回路的一部分，熔池内部流动着焊接电流，焊接电流产生的电磁力能引起液体金属的流动；另外熔池内各部分熔化金属的温度和密度不同，从而形成浮力流。在MAG焊中，从焊丝顶端滴落的熔滴以一定的速度冲击熔池，形成熔滴冲击流动。此外，在高能束焊中，高能束在熔池内部形成穿透的小孔，小孔内高温等离子流会使熔池内的液体金属产生更为复杂的流动。

2.驱动力对熔池内液体金属的流态及熔池形态的影响

电弧等离子气流以电弧压力的形式作用于熔池，在熔池的中心区形成下凹变形，同时又从熔池的中心区向周边区流动，把熔池中心区的液体金属推向熔池周边区域。此后液体金属沿熔池周边下沉至熔池底部，最后从熔池中心部位由底部上升到熔池表面，形成一个对流循环。

由于电弧的高温等离子体首先加热位于其正下方熔池中心区的液体金属，因此电弧等离子流所导致的对流循环将不断熔化和扩大熔池周边，结果得到一个浅而宽的熔池，也就是周边熔化型焊缝。

熔池上表面的表面张力梯度所产生的对流，称为表面张力流。表面张力流的流动方向取决于液面上的表面张力梯度和分布，从表面张力低的部分流向表面张力高的部分。表面张力梯度对温度很敏感，而熔池表面存在温度的差别，不同温度区液面上的表面张力梯度不同，因此，表面张力流的流态依赖于熔池液面上不同温度区所导致的表面张力温度梯度。

纯金属的表面张力随温度的升高而减小。在熔池的上表面，电弧加热区（熔池中心部位）的温度高于熔池边界部位的温度，因此，熔池中心部位的表面张力小于熔池周边部位的表面张力。所以在表面张力的作用下，上表面熔池中心的液体向周边流动，下沉至熔池底部后由中心返回液面，形成的流态与电弧等离子气流驱动的对流流态相似。因此，单纯的表面张力驱动对流也会得到周边熔化型焊缝。

然而工程中使用的绝大多数金属不是纯金属，而是含有各种杂质元素的合金。大多数的液态金属，当含有氧、硫等表面活性元素时，即使含量微小，其表面张力也会大幅度降低。如铁中加入微量表面活性元素时，相对于微量元素含量的变化，表面张力的变化梯度是很大的。在添加含量较高时，表面张力随温度的变化曲线才成为直线。此外，当有表面活性元素存在时，表面张力的温度系数会变为正值。其主要原因是随着温度的升高，液体表面上的活性元素含量在逐渐减少。而且最初的表面活性元素含量越高，这种现象就越明显。工程上普遍使用的碳钢（铁硫系或铁氧系）有明显的此类特性。

因此，表面张力所形成的对流受表面张力温度系数的影响。焊接熔池上表面温度分布不均匀，而且焊接材料中的表面活性元素含量不一，致使表面张力流的流态不稳定。随着温度的变化，有可能由周边熔化型焊缝向中心熔化型焊缝变化，或者二者之间无规律地自由变化。在活性TIG焊（A-TIG）中，焊道前方预先涂覆活性剂，焊缝熔深将增加，其中的原因之一就是表面张力温度系数的影响。(www.xing528.com)

从电弧进入熔池的电流在电弧正下方的熔池表面有着较高的电流密度，从熔池到母材内部，电流密度是逐渐降低的。电流与其自身产生的磁场之间相互作用而产生了电磁力，该电磁力指向电流发散方向。由此熔池内部流动着的电流产生的电磁力产生了电磁对流。电磁对流的流动方向是向着电流的发散方向即从电弧正下方熔池中心区向熔池底部流动。

焊接时，熔池内部的温度是从电弧正下方的高温区向固液界面处的熔点温度变化着的，形成了熔池内部的空间温度场。由于热膨胀，液态金属温度越高，密度越低，密度高的部分受到浮力的作用向着重力的反方向运动。这种由于熔池内部熔化液体金属密度差引起的对流，称做浮力流，与通常的热对流有相同的机制。

由驱动力所引起的熔池内部液态金属的综合流动情况非常复杂，并受焊接工艺、焊接材料等各种因素的影响。总体来说，在TIG焊情况下，以等离子气流引起的对流、表面张力流及电磁对流最为重要。电磁对流在熔池的中心区是向下方流动，在表面上是从熔池边界区向中心区流动。由于熔池表面温度较高，对于平焊情况，表面的熔化金属因浮力有留在表面的倾向，对电磁对流有减弱的作用。熔化金属的表面张力通常情况是随温度的上升而减小，因此形成从中心区向周边区的流动，仍然是与电磁对流反向。小电流焊接时，表面张力流使熔深变浅。在MIG焊和MAG焊时，熔滴的冲击力对熔池内流体的流态影响较大，通常是液体金属从中心向下流到熔池底部，然后沿周围池壁返回表面，因此容易形成深而窄的焊道。在高焊速MAG焊情况下，等离子气流和熔滴冲击引起的流动占主导地位，将熔池前方的液体金属推向熔池尾部，熔池内部的对流被削弱，熔池尾部的液体金属无法回流至熔池前方，凝固后形成驼峰焊道。

目前的研究表明，在TIG焊熔池中存在两个明显的环流：一个在熔池自由表面附近，靠近熔池自由表面，尺寸较小；另一个存在于熔池内部，尺寸较大。熔池的最大速度值在自由表面上，其数值为2～3m／s。上表面环流的流动方向是由加热中心流向熔池外缘。从熔池侧视图看，也存在两个环流，一个在电极前方，另一个在电极后方。仅由浮力引起的对流流动速度的数值约为9mm／s，仅由电磁力引起的对流流动速度数值约为180mm／s，两者流动方向相反。电磁力对熔化深度影响较大。就熔池流动速度方向和最大流动速度位置而言，表面张力流与浮力流类似。和浮力流所不同的是，表面张力流速度值最大能够达到3m／s。其数值远远大于电磁力以及浮力单独作用时的速度。表面张力作用下的熔池对流强度在自由表面下衰减极为迅速。很明显，熔池表面环流由表面张力引起，熔池内部环流是由电磁力引起的。总之，表面张力流动速度值在1000mm／s数量级以上。电磁力流动速度值的数量级为100mm／s，浮力流动速度值的数量级为10mm／s。

3.熔池自由表面的变形与焊缝成形

在电弧压力、熔滴冲击力和其他外力的作用下，熔化的液体金属的自由表面要发生变形。周期性下落的熔滴还会引起熔池自由液面的振动和波动。而变形后的熔池表面将进一步改变电弧的热输入模式，从而引起熔池形态的变化。因此，熔池的表面变形对焊缝成形有着重要的影响。

通常，小电流TIG焊情况下，熔池自由表面的变形量极少，忽略这个变形对焊接传热过程的分析影响较小。在大电流TIG焊和MIG焊、MAG焊中，尤其是射流MAG焊中，熔池自由表面的变形就不能忽略。特别是高速MAG焊中，熔池自由表面的形状变化很大，更要考虑变形对熔池形态、流体流态的影响。关于熔池自由液面的计算和跟踪，上文已经做过详述，在此不再叙述。

4.熔池内流体的流动与焊缝冶金质量

焊接熔池内流体的流动会影响到焊缝中夹杂物和气体的分布。从熔池中心底部向熔池表面的流动会将熔池中的夹杂物或气体带到熔池表面，有利于得到冶金质量高的焊缝。而相反的流态则不利于夹杂物和气体的排出。气体和流动的关系较为复杂，液态金属中气体的溶解度随着温度下降而降低，气泡聚集在熔池的凝固前沿。依赖于流体流动的方式，这些气泡或者被带到熔池底部而残留在凝固的焊缝中，或者被带到熔池表面而逸出。一般情况下，电磁力起主导作用时，有利于气体的逸出。表面张力梯度在凝固前沿使液态金属向下运动，这不利于气泡的逸出。但是，如果通过添加表面活性元素，使表面张力梯度的符号改变，则流体流动的方向也改变，就有利于气泡的逸出。