阅读说明：本技术 一种焊接保护气最小用量的计算方法 (Method for calculating minimum consumption of welding shielding gas ) 是由 裴宏杰 陈钰荧 刘成石 王贵成 于 2019-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种焊接保护气最小用量的计算方法,包括以下步骤：以喷嘴末端中心为坐标原点建立的保护气扩散的空间坐标系。通过分析熔池形貌,确定出有效保护范围,建立有效保护范围与侧风速度和靶距的关系。进而,根据通过有效保护范围的界定,确定出有效保护范围的临界点坐标。最后,选择连续喷射点源的建模方向,结合气体扩散理论模型,建立有侧风环境下的保护气体扩散的数学模型。并根据气体有效保护范围的界定、通过保护气体扩散的理论模型、流量与源强的关系等,确定出保护气体的最小用量的数学表达式。根据各工况取值可推导出保护气最小使用流量的理论参考值,为焊接保护气的用量及研究提供了理论支持。(The invention provides a method for calculating the minimum consumption of welding shielding gas, which comprises the following steps: and a space coordinate system of the protective gas diffusion is established by taking the center of the tail end of the nozzle as a coordinate origin. And determining an effective protection range by analyzing the appearance of the molten pool, and establishing the relation between the effective protection range and the crosswind speed and the target distance. And determining the critical point coordinates of the effective protection range according to the definition of the effective protection range. And finally, selecting the modeling direction of the continuous jet point source, and establishing a mathematical model of protective gas diffusion in the crosswind environment by combining a gas diffusion theoretical model. And determining a mathematical expression of the minimum dosage of the protective gas according to the definition of the effective protective range of the gas, a theoretical model of the diffusion of the protective gas, the relationship between the flow and the source intensity and the like. The theoretical reference value of the minimum use flow of the shielding gas can be deduced according to the values of all working conditions, and theoretical support is provided for the use amount and research of the welding shielding gas.)

一种焊接保护气最小用量的计算方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其是涉及一种焊接保护气最小用量的计算方法。

背景技术

气体保护焊接是利用电极间所产生电弧的热量作为熔化热源、保护气体作为介质的焊接方式。一方面，保护气可保护内部电弧燃烧的稳定性，另一方面可在焊接过程中将空气中的杂质隔绝，保证焊缝的质量，减少飞溅。其焊接效果优于其他焊接方法，已经成为目前工业生产中应用最为广泛的焊接方式。

但是，当前气体的使用基本上都是经验型的粗放供气，实际焊接时，能够起保护作用的是少量气体，大量保护气被浪费掉了，增加资源消耗的同时也加剧了对大气环境的污染。影响保护气用量的主要因素有三个方面，环境侧风速度、靶距和熔池宽度。环境侧风速度，当保护气体喷到工件表面上向四周的扩散速度应大于侧风速度。靶距，为喷嘴下表面到熔池表面的距离，太大太小都会降低保护效果、生产效率。熔池宽度，保护气到工件表面的冲板面积应该充分包覆熔池，包覆量过小保护不足，包覆量过大浪费保护气。如何根据气体的有效保护范围来确定最小保护气的使用量是焊接领域中研究的重点之一。

发明内容

针对传统气体保护焊中，基于经验确定的保护气用量偏大的情况，提出了保护气用量的最小量的计算新方法。在焊接过程中，气体保护焊中保护气体的工作过程可以等效理解为耦合了源强、侧风、温度等因素的气体扩散运动。本方法首先以喷嘴末端中心为坐标原点建立的保护气扩散的空间坐标系。通过分析熔池形貌，确定出有效保护范围dg，建立有效保护范围dg与侧风速度和靶距h的关系。进而，根据通过有效保护范围的界定，确定出有效保护范围的临界点坐标。最后，选择连续喷射点源的建模方向，结合气体扩散理论模型，建立有侧风环境下的保护气体扩散的数学模型。并根据气体有效保护范围的界定、通过保护气体扩散的理论模型、流量与源强的关系等，确定出保护气体的最小用量的数学表达式。根据各工况取值可推导出保护气最小使用流量的理论参考值，为焊接保护气的用量及研究提供了理论支持。

本发明通过以下方案实现的：一种焊接保护气最小用量的计算方法，包括以下步骤：

气体扩散空间坐标系的建立：将气体保护焊中保护气体的工作过程等效为气体扩散运动，以喷嘴末端中心为坐标原点建立保护气扩散的空间坐标系，以C(x,y,z)表示气体扩散范围内某一点(x,y,z)的气体浓度，假设在下层空气中流动的保护气属于湍流状态，根据气体扩散的浓度变化微分方程可得：

式一中：C为气体瞬时喷射浓度，kg/m³；

t为喷射气体扩散时间，s；

u为风速，m/s；

K_x,K_y,K_z分别为x、y、z轴方向上的湍流扩散系数，m²/s；

有效保护范围的界定：分析熔池形貌，确定出有效保护范围dg，其中：

d_g＝d_mp+d_ha+d_w 式二

式二中：d_mp为熔池宽度，d_ha为熔合区宽度，d_w为抵抗侧风预留宽度，

通过有效保护范围的界定，确定出有效保护范围的临界点坐标，结合气体扩散空间坐标系，坐标的原点位于喷嘴末端中心，喷嘴距焊接工件平面的高度用j表示，则z＝j；由于有效保护范围在三维上近似于圆锥状，在临界点处y＝0时，x＝dg/2；若y≠0时，x²+y²＝(dg/2)²；式一中风速u＝v_cw侧风速度；

有侧风条件下的保护气扩散数学模型：

式八中，Q为喷嘴内气体的源强，Kg/s；设喷嘴内气体的流量为q，L/min；则喷嘴内气体的流量与源强的关系可表示为：

式九中，ρ-保护气体密度；

计算保护气最小流量：

根据气体有效保护范围的界定、通过保护气体扩散数学模型，保护气体的最小用量表示为：

式十中：x,y,z的坐标满足

上述方案中，所述熔合区宽度d_ha为1mm。

上述方案中，所述熔池宽度d_mp与焊缝计算厚度的关系如式三所示：

d_mp＝φ×B 式三

式三中φ为焊缝宽厚比，B为焊缝计算厚度。

进一步的，所述焊缝宽厚比φ的计算公式为：

φ＝R/(H+w)

其中，w为焊缝余高；R为焊缝的宽度，忽略焊缝的收缩变化，此时，焊缝的宽度R可近似地等于熔池的宽度d_mp。

上述方案中，所述熔池宽度d_mp通过熔池的表面积来计算，在有效的保护范围内，将熔池的上表面等效替代为一个圆形，则此时其中，S为熔池上表面积。

上述方案中，所述抵抗侧风预留宽度d_w与靶距和侧风速度的关系如式四所示：

式四中，d_w为抵抗侧风预留宽度，h为靶距，H为行业中规定的最大喷嘴高度值，v_cw为侧风速度。

上述方案中，所述保护气体浓度C＝95％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本方法模型简单，根据根据各工况取值可推导出保护气最小使用流量的理论参考值，在实际焊接工作中，可根据理论参考值并结合焊接效果适当调整使用流量，从而避免过度使用，减少资源消耗，降低制造成本，并为焊接保护气的用量及研究提供了理论支持。

附图说明

图1为本发明一实施方式所建的在侧风环境下保护气体扩散的坐标系。

图2为本发明一实施方式所建的熔池与气体保护范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种焊接保护气最小用量的计算方法，包括以下步骤：

气体扩散空间坐标系的建立：

图1所示为本发明所述的在侧风环境下保护气体扩散的坐标系。图中保护气体从喷嘴末端喷出，在侧风和大气环境的影响下扩散，这与密封容器在大气环境中泄露时，泄露气体的喷射及扩散过程是等效的。由于大气是半无限介质，即使运动变化微弱的情况下，也会拥有很大的雷诺数，达到湍流状态。因此假设在下层空气中流动的焊接保护气属于湍流状态，将焊接时保护气体的工作过程等效为连续源强的条件下耦合了侧风、温度等因素的密封容器泄露气体的扩散运动。因此以喷嘴末端中心为坐标原点建立的保护气扩散的空间坐标系，如图 1所示，以C(x,y,z)表示气体扩散范围内某一点(x,y,z)的气体浓度，假设在下层空气中流动的保护气属于湍流状态，根据气体扩散的浓度变化微分方程可得：

式一中：C-气体瞬时喷射浓度，kg/m³；

t-喷射气体扩散时间，s；

u-风速，m/s；

K_x,K_y,K_z--x、y、z轴方向上的湍流扩散系数，m²/s。

有效保护范围的界定：

图2所示为本发明所建的熔池与气体保护范围示意图，分析熔池形貌，确定出有效保护范围dg，建立有效保护范围dg与侧风速度v_cw和靶距h的关系。

气体保护焊接的有效保护范围主要包括熔池宽度、熔合区宽度和抵抗侧风预留宽度，用公式可表达为：，

d_g＝d_mp+d_ha+d_w 式二

式二中，d_g为气体保护焊接有效保护范围，在数值上d_g气体保护焊接有效保护范围截面上的距离，d_mp为熔池宽度，d_ha为熔合区宽度，d_w为抵抗侧风预留宽度。

熔池宽度与焊缝计算厚度的关系如式三所示：

d_mp＝φ×B 式三

式中φ为焊缝宽厚比，B-焊缝计算厚度。

焊缝跟母材的交界区为焊接的熔合区，熔合区宽度d_ha一般很窄，一般为1mm左右。

抵抗侧风预留宽度d_w与靶距和侧风速度的关系如式四所示

式四中，d_w为抵抗侧风预留宽度，h为靶距，H为行业中规定的最大喷嘴高度值，v_cw为侧风速度。

根据式二、三、四，以及熔池与气体保护范围示意图，可以确定出图1中有效保护范围的临界点坐标。通过有效保护范围的界定，坐标的原点位于喷嘴末端的中心，喷嘴距焊接工件平面的高度用j表示，则z＝j；由于保护范围在三维上近似于圆锥状，如图1所示，所以在临界点处y＝0时，x＝dg/2；若y≠0时，x²+y²＝(dg/2)²；式中风速u＝v_cw侧风速度。

有侧风条件下的保护气扩散数学模型：

气体扩散的泄露点源主要包括瞬时源和连续源，对于气体保护焊来说，气体从喷嘴中持续喷出，其源强类型属于连续源。

在具有侧风的环境下，保护气体扩散的模型呈羽状，并且在风向上，y-z空间中的保护气体总量即是源强Q，即

在流场相对稳定的情况下，则空间中某坐标点的保护气体浓度是定值，并且不随时间变化，因此在侧风条件下，可得：

通过化简，式六为：

环境变量中初始条件：x＝y＝z＝0时，C→∞；边界条件：x,y,z→∞时，C→0。根据高斯模型，有侧风情况下的保护气体扩散的浓度方程为：

式八中，Q为喷嘴内气体的源强，Kg/s；设喷嘴内气体的流量为q，L/min；则喷嘴内气体的流量与源强的关系可表示为：

式九中，ρ-保护气体密度。

计算保护气最小流量：

根据气体有效保护范围的界定、通过保护气体扩散的理论模型，保护气体的最小用量可表示为：

式十中：x,y,z的坐标满足

根据上述研究，d_g＝d_mp+d_ha+d_w，其中d_mp为熔池宽度，一方面可以通过焊缝宽厚比来计算φ＝R/(H+w)，w为焊缝余高，忽略焊缝的收缩等变化，此时焊缝的宽度R可近似地等于熔池的宽度；另一方面，熔池宽度d_mp可以通过熔池的表面积来计算，在有效的保护范围内，可以将熔池的上表面等效替代为一个圆形，则此时S为熔池上表面积。式中的C＝C(x,y,z)，表示在有效保护范围内某一点坐标的气体浓度。根据相关研究，在焊接工作中，熔池周围的保护气体浓度达到95％以上，才能起到保护作用，所以在有效保护范围内的浓度应大于等于95％，此时临界点处的保护气体浓度C＝95％。式中，K_x、K_y的可根据Pasquill-Gifford模型方法来选择烟羽扩散模型的扩散系数，如表1中所示。通过计算验证，在0.5m/s的侧风条件下，进行气体保护焊接时，一般选择稳定度等级为城市条件D级。

表1Pasquill-Gifford烟羽扩散模型的扩散系数

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。