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摘 要：了解焊接过程中涉及的物理现象对于提高材料的可焊性具有重要价值，而重力作为焊接过程中的重要影响因素之一，其在大小和方向上的改变都会通过影响焊缝的熔池形状等因素进而影响焊接性能。本文主要以钨极气体保护焊（TIG焊）以及激光焊为说明对象，浅析了重力方向及大小发生改变对焊缝产生影响的具体原因以及现象。
关键词：焊接;重力;TIG焊;激光焊
1序言
美国国家航空航天局（NASA）的大部分维护和维修工作都在地面上进行，而不是在太空中进行。NASA 的技术专家总是尽力避免任何空间焊接。
采用这种方法的原因是空间内焊接极具挑战性。焊缝的结构、成分和质量取决于熔池中的温度分布和焊缝形成时熔化材料的分布，这在空间上是难以控制的，因为气体在低重力和无空气环境中的行为是与地球上的环境不同。太空飞行器由足以承受太空旅行的材料制造，这些材料由陶瓷和铝等材料制成。由于铝是空间建造中使用的主要金属，钨极气体保护焊（TIG焊）将成为修理航天器部件的首选技术。但是，TIG 焊接所需的灵巧性和精度在零重力下很难实现。
在焊接过程中，重力不仅决定了焊道的不同形式，而且还会通过影响熔池的形状进而改变焊缝金属的微观结构。熔池中的热传递和流体流动会显着影响熔池几何形状、温度梯度、局部冷却速率和凝固结构等特性。而影响熔池中流体流动的驱动力有很多，其包括浮力、电磁力、熔池表面的表面张力梯度和电弧等离子体的冲击力。
重力会通过影响熔池行为从而影响焊接性能。因此，有必要了解重力对焊缝对流、焊缝尺寸、微观结构演变和焊缝结构力学性能的影响。本文将以TIG焊以及激光焊为对象，浅析重力大小以及方向对焊接质量的影响及其原因。
2重力方向的影响
由于焊缝的位置不同，在焊接时焊接的角度也会产生改变，如垂直向上位置、垂直向下位置和平面位置等，焊接角度不同也会导致重力相对于焊缝的方向发生改变。实验发现垂直向上时穿透深度会比垂直向下的位置更深，大约为 21%[1]，这可能的原因是重力方向显著影响着熔池形状，进而影响凝固形态和初级枝晶间距。
具体一点进行说明，在TIG焊中，焊接方向发生改变也会影响重力的方向，比如平焊、45°下向焊和立向下焊三种焊接方式会因为焊接重力的方向不同而导致熔池内液态金属的流场、温度场具有明显影响。刘文吉等人[1]通过有限元分析发现：平焊、45 °下向焊以及立焊下向焊的速度场明显不同，重力的作用方向对熔池内液态金属的流场温度场产生明显的影响。立焊下向焊接熔池内金属流动速度较大，且主要从焊缝中心向前后流动（熔池上表面从前向后流动，熔池底部从后向前流动）。相同条件下平焊位置熔池内的金属流动速度最小，在熔池表面金属除了向后流动还会向两侧流动，因此熔池较宽。45° 位置的速度场情况居干平焊和立焊之间。在平焊位置，随着重力加速度值的增加下，x、y、z三个方向的速度平均值均显著增加，这说明重力加速度的大小对流场影响明显。
而在激光焊接中，Chang B等人[2]通过实验也验证了立向上焊缝的咬边大于立向下焊缝，而立向下焊缝的气孔率远高于立向上焊缝。当焊接热输入较高时，垂直向上焊接位置导致焊缝轮廓不佳（咬边和烧穿孔），而垂直向下焊接位置导致焊缝中的气孔含量过多。严重的咬边和过多的孔隙都会对焊缝的拉伸性能有害。但是通过使用较低的热输入可以改善焊缝外观并减少孔隙率，从而实现更好的焊接质量。
3重力大小的影响
从古至今绝大部分焊接行为是在正常重力范围内发生的，即重力加速度值约为9.8的环境中。而随着人类活动范围的扩大，如深海、高空甚至太空等曾经人类无法涉足的领域现在已经越来越多的出现了人类的足迹，因此在不同重力下焊接会发生何种改变这个问题已经被越来越多科学家及工程师所关注。很多科学家已经对这一现象做了研究。中国研究者通过实验和仿真分析的方法得出的结果是，在重力减小的环境中，焊珠的宽度会比正常重力更宽、其穿透力也会增加。除此之外，在重力降低的情况下，孔隙率和悬浮焊接颗粒会增加，这可能导致焊接接头变弱[3]。而在高重力下环境下，焊道的熔合区形状和轮廓会和正常情况有所区别。比如焊缝熔合区的纵横比会减小。
钨极气体保护焊（TIG焊）焊接过程中的自由表面变形会导致焊缝熔深产生变化，这也可能是焊接过程中焊池的最终几何形状变化的一个促成因素。在电弧焊中，熔池表面（自由表面）会产生变形。自由表面变形是表面条件和熔池动力学的产物;这些反过来会影响焊缝特性，即焊缝熔深、表面平整度和凝固行为。电弧压力，以及相对影响较小的电磁和流体动力涡流效应，已被认为是促进自由表面变形的主要原因。表面张力和重力效应往往会使熔池变平。熔池内的对流主要由表面张力梯度驱动，除此之外，浮力效应也会对其产生微弱影响。因为焊缝池通常很小，自由表面变形很小，所以在低热输入焊接过程中，无需考虑重力就可以相对较好地预测熔池几何形状。但是在熔池尺寸较大时必须考虑自由表面变形，因为如果忽略它，它会导致在高热输入焊接过程中对焊缝熔深预测不足。钨极气体保护焊实验表明，高焊接电流下熔深较深，焊接速度低时表面变形明显。在薄样品和完全渗透条件下，表面变形更显着。王厚勤等人[3]的实验表明，在重力方向引起的高热输入下，表面形态和熔池几何形状会发生显着变化。
在激光焊接过程中同样存在着重力取向效应。与TIG 不同的是，激光的强聚焦光束会导致表面汽化和熔池中的小孔效应。激光器的净热通量通常远高于TIG 的净热通量。这也会导致在不同重力水平下激光焊的现象和TIG焊有所不同。
越来越多的证据表明，重力通过在自由表面变形中起着非常重要作用，进而影响熔池形状。并且，在太空的微重力环境或火星的低重力环境中，可以减轻这种影响。
4结论
重力作为影响焊接结果的重要参数之一，其在方向和大小上的改变都会对焊缝产生较大的影响。其中，重力在方向上的改变通过影响熔池形状，进而影响凝固形态和初级枝晶间距，最终的结果是熔池的穿透深度会发生改变。而针对重力大小的改变结果是，较高的重力场往往会增强熔池内的对流流动，从而影响到两相区域的深度和宽度以及熔池深宽比。
参考文献：
[1]刘文吉，李亮玉，岳建锋，王天琪.重力对全位置TIG焊熔池温度场与流场影响的有限元分析[J].焊接学报，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为与熔滴过渡研究[D].哈尔滨工业大学，2018.
关键词：焊接;重力;TIG焊;激光焊
1序言
美国国家航空航天局（NASA）的大部分维护和维修工作都在地面上进行，而不是在太空中进行。NASA 的技术专家总是尽力避免任何空间焊接。
采用这种方法的原因是空间内焊接极具挑战性。焊缝的结构、成分和质量取决于熔池中的温度分布和焊缝形成时熔化材料的分布，这在空间上是难以控制的，因为气体在低重力和无空气环境中的行为是与地球上的环境不同。太空飞行器由足以承受太空旅行的材料制造，这些材料由陶瓷和铝等材料制成。由于铝是空间建造中使用的主要金属，钨极气体保护焊（TIG焊）将成为修理航天器部件的首选技术。但是，TIG 焊接所需的灵巧性和精度在零重力下很难实现。
在焊接过程中，重力不仅决定了焊道的不同形式，而且还会通过影响熔池的形状进而改变焊缝金属的微观结构。熔池中的热传递和流体流动会显着影响熔池几何形状、温度梯度、局部冷却速率和凝固结构等特性。而影响熔池中流体流动的驱动力有很多，其包括浮力、电磁力、熔池表面的表面张力梯度和电弧等离子体的冲击力。
重力会通过影响熔池行为从而影响焊接性能。因此，有必要了解重力对焊缝对流、焊缝尺寸、微观结构演变和焊缝结构力学性能的影响。本文将以TIG焊以及激光焊为对象，浅析重力大小以及方向对焊接质量的影响及其原因。
2重力方向的影响
由于焊缝的位置不同，在焊接时焊接的角度也会产生改变，如垂直向上位置、垂直向下位置和平面位置等，焊接角度不同也会导致重力相对于焊缝的方向发生改变。实验发现垂直向上时穿透深度会比垂直向下的位置更深，大约为 21%[1]，这可能的原因是重力方向显著影响着熔池形状，进而影响凝固形态和初级枝晶间距。
具体一点进行说明，在TIG焊中，焊接方向发生改变也会影响重力的方向，比如平焊、45°下向焊和立向下焊三种焊接方式会因为焊接重力的方向不同而导致熔池内液态金属的流场、温度场具有明显影响。刘文吉等人[1]通过有限元分析发现：平焊、45 °下向焊以及立焊下向焊的速度场明显不同，重力的作用方向对熔池内液态金属的流场温度场产生明显的影响。立焊下向焊接熔池内金属流动速度较大，且主要从焊缝中心向前后流动（熔池上表面从前向后流动，熔池底部从后向前流动）。相同条件下平焊位置熔池内的金属流动速度最小，在熔池表面金属除了向后流动还会向两侧流动，因此熔池较宽。45° 位置的速度场情况居干平焊和立焊之间。在平焊位置，随着重力加速度值的增加下，x、y、z三个方向的速度平均值均显著增加，这说明重力加速度的大小对流场影响明显。
而在激光焊接中，Chang B等人[2]通过实验也验证了立向上焊缝的咬边大于立向下焊缝，而立向下焊缝的气孔率远高于立向上焊缝。当焊接热输入较高时，垂直向上焊接位置导致焊缝轮廓不佳（咬边和烧穿孔），而垂直向下焊接位置导致焊缝中的气孔含量过多。严重的咬边和过多的孔隙都会对焊缝的拉伸性能有害。但是通过使用较低的热输入可以改善焊缝外观并减少孔隙率，从而实现更好的焊接质量。
3重力大小的影响
从古至今绝大部分焊接行为是在正常重力范围内发生的，即重力加速度值约为9.8的环境中。而随着人类活动范围的扩大，如深海、高空甚至太空等曾经人类无法涉足的领域现在已经越来越多的出现了人类的足迹，因此在不同重力下焊接会发生何种改变这个问题已经被越来越多科学家及工程师所关注。很多科学家已经对这一现象做了研究。中国研究者通过实验和仿真分析的方法得出的结果是，在重力减小的环境中，焊珠的宽度会比正常重力更宽、其穿透力也会增加。除此之外，在重力降低的情况下，孔隙率和悬浮焊接颗粒会增加，这可能导致焊接接头变弱[3]。而在高重力下环境下，焊道的熔合区形状和轮廓会和正常情况有所区别。比如焊缝熔合区的纵横比会减小。
钨极气体保护焊（TIG焊）焊接过程中的自由表面变形会导致焊缝熔深产生变化，这也可能是焊接过程中焊池的最终几何形状变化的一个促成因素。在电弧焊中，熔池表面（自由表面）会产生变形。自由表面变形是表面条件和熔池动力学的产物;这些反过来会影响焊缝特性，即焊缝熔深、表面平整度和凝固行为。电弧压力，以及相对影响较小的电磁和流体动力涡流效应，已被认为是促进自由表面变形的主要原因。表面张力和重力效应往往会使熔池变平。熔池内的对流主要由表面张力梯度驱动，除此之外，浮力效应也会对其产生微弱影响。因为焊缝池通常很小，自由表面变形很小，所以在低热输入焊接过程中，无需考虑重力就可以相对较好地预测熔池几何形状。但是在熔池尺寸较大时必须考虑自由表面变形，因为如果忽略它，它会导致在高热输入焊接过程中对焊缝熔深预测不足。钨极气体保护焊实验表明，高焊接电流下熔深较深，焊接速度低时表面变形明显。在薄样品和完全渗透条件下，表面变形更显着。王厚勤等人[3]的实验表明，在重力方向引起的高热输入下，表面形态和熔池几何形状会发生显着变化。
在激光焊接过程中同样存在着重力取向效应。与TIG 不同的是，激光的强聚焦光束会导致表面汽化和熔池中的小孔效应。激光器的净热通量通常远高于TIG 的净热通量。这也会导致在不同重力水平下激光焊的现象和TIG焊有所不同。
越来越多的证据表明，重力通过在自由表面变形中起着非常重要作用，进而影响熔池形状。并且，在太空的微重力环境或火星的低重力环境中，可以减轻这种影响。
4结论
重力作为影响焊接结果的重要参数之一，其在方向和大小上的改变都会对焊缝产生较大的影响。其中，重力在方向上的改变通过影响熔池形状，进而影响凝固形态和初级枝晶间距，最终的结果是熔池的穿透深度会发生改变。而针对重力大小的改变结果是，较高的重力场往往会增强熔池内的对流流动，从而影响到两相区域的深度和宽度以及熔池深宽比。
参考文献：
[1]刘文吉，李亮玉，岳建锋，王天琪.重力对全位置TIG焊熔池温度场与流场影响的有限元分析[J].焊接学报，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为与熔滴过渡研究[D].哈尔滨工业大学，2018.