窄坡口等離子-MIG復(fù)合焊及焊接溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

田仁勇 吳向陽(yáng) 張志毅 徐鋒 黃繼明 金成

摘要：對(duì)等離子-MIG復(fù)合焊接技術(shù)在窄坡口焊接中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，采用旋轉(zhuǎn)體熱源+雙橢球組合熱源模型，對(duì)焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算;分析對(duì)比了等離子-MIG復(fù)合焊與傳統(tǒng)MIG焊接頭焊縫形態(tài)及焊接溫度場(chǎng)上的異同。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果表明，等離子-MIG復(fù)合焊與傳統(tǒng)MIG焊均可獲得得成形良好的接頭;等離子-MIG復(fù)合焊具有更小的焊縫和熱影響區(qū)面積和更高的焊接效率;數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，采用組合熱源模型可較好地反映等離子-MIG復(fù)合焊的熱輸入特征。

關(guān)鍵詞：等離子-MIG復(fù)合焊;窄坡口;熱源模型;溫度場(chǎng);數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TG456.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）10-0035-05-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.07

0 前言

等離子-MIG復(fù)合焊是將兩種成熟的焊接工藝方法——等離子焊與MIG弧焊結(jié)合在一起形成的一種新式復(fù)合焊接方法[1]。它利用了兩種焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)，焊接過(guò)程穩(wěn)定、焊接效率高，且成本相對(duì)于激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)更加低廉，廣泛應(yīng)用于碳鋼[2-3]、不銹鋼[4]以及鋁合金[5]的焊接。

復(fù)合電弧作用機(jī)理復(fù)雜[6]，其焊接溫度場(chǎng)與傳統(tǒng)弧焊相比區(qū)別較大。焊接溫度場(chǎng)及其分布決定了焊接熔池和最終的焊縫成形。因此，系統(tǒng)地研究等離子-MIG焊接頭焊縫形態(tài)特征及其焊接溫度場(chǎng)對(duì)于制定和優(yōu)化復(fù)合焊接至關(guān)重要。

本研究結(jié)合焊接數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)等離子-MIG復(fù)合焊在窄坡口構(gòu)件焊接中的應(yīng)用展開(kāi)研究，基于旋轉(zhuǎn)體熱源模型+雙橢球組合熱源模型對(duì)等離子-MIG復(fù)合焊接過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并與傳統(tǒng)MIG焊進(jìn)行對(duì)比分析，為探索等離子-MIG復(fù)合焊接機(jī)理、制定和優(yōu)化復(fù)合焊接工藝提供支持。

1 實(shí)驗(yàn)方法與材料

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用12 mm厚SMA490BW耐候鋼板材作為待焊材料，其化學(xué)成分及溫度相關(guān)熱物理性能分別如表1、表2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將實(shí)驗(yàn)板材切割成尺寸為200 mm×100 mm×12 mm的對(duì)接待焊試板，對(duì)試板分別開(kāi)30°與60°坡口，如圖1所示。

焊接實(shí)驗(yàn)采用SUPER-MIG標(biāo)準(zhǔn)型等離子復(fù)合焊接電源，配備一體化焊槍?zhuān)捎门暂S式設(shè)計(jì)，等離子焊在前，MIG焊在后，焊槍構(gòu)造如圖2所示。MIG焊采用福尼斯 TPS4000數(shù)字化逆變焊機(jī)，完成實(shí)驗(yàn)所需的傳統(tǒng)MIG焊接。兩種焊接方法的詳細(xì)工藝參數(shù)如表3所示。

3 焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

采用等比例尺寸分別建立傳統(tǒng)MIG焊與等離子-MIG復(fù)合焊焊件有限元模型。為兼顧計(jì)算效率與結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用過(guò)渡形式的網(wǎng)格劃分，等離子-MIG復(fù)合焊和傳統(tǒng)MIG焊模型中，焊縫處網(wǎng)格大小分別取0.5 mm與1.0 mm，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域則采用相對(duì)粗大的風(fēng)格劃分。

計(jì)算中采用溫度相關(guān)材料屬性（見(jiàn)表2），并假定焊絲熔敷金屬具有與母材相同的熱物理參數(shù)，同時(shí)還考慮了對(duì)流與熱輻射散熱邊界條件。

對(duì)于焊接熱源模型，在傳統(tǒng)MIG焊中，采用了雙橢球型熱源模型，而在等離子-MIG復(fù)合焊中，采用圓錐體+雙橢球復(fù)合熱源模型，以同時(shí)體現(xiàn)等離子焊的大熔深匙孔作用與MIG焊的高效熔敷能力。雙橢球熱源與圓錐體熱源示意如圖3所示，相關(guān)的功率密度方程如式（1）、式（2）所示。其中，雙橢球熱源模型功率密度函數(shù)如式（1）～式（3）所示[7]。

qf（x，y，z）=exp（---）， x≥0 （1）

qr（x，y，z）=exp（---）， x<0 （2）

q（x，y，z）=qf+qr（3）

式中 x、y、z分別為中距熱源作用中心焊接方向、焊縫寬度方向以及焊縫深度方向的距離;a、a2分別為焊接方向前半、后半橢球半軸長(zhǎng);b、c分別為焊縫寬度方向與深度方向橢球半軸長(zhǎng);f、fr分別為前、后半橢球的能量分配系數(shù)，且f+fr=2。

圓錐體熱源模型功率密度函數(shù)如式（4）、式（5）所示[8]：

q（r，z）=·（4）

r0（z）=a-（a-b）（5）

式中 r為距離熱源中軸線(xiàn)的距離;z為距離熱源底部平面的距離;a、b分別為圓錐體上、下表面有效加熱半徑;c為熱源作用深度。

4 結(jié)果與討論

4.1 焊接接頭截面對(duì)比

傳統(tǒng)MIG焊與等離子MIG復(fù)合焊焊接接頭截面對(duì)比如圖4所示。可以看出，兩種焊接方法均得到了成形良好的接頭，但在焊縫形態(tài)上存在較大差異。傳統(tǒng)MIG焊焊縫截面呈倒三角形形態(tài)，蓋面處最大熔寬為13.5 mm，焊根處最小熔寬為2.58 mm。平均熱影響區(qū)寬度為3.1 mm。

而等離子-MIG復(fù)合焊接頭截面則呈明顯的釘型形態(tài)。這是由于其綜合利用了兩種熱源形式，其中等離子束穿透力強(qiáng)，利用其匙孔作用產(chǎn)生較大熔深;而MIG弧利用其熔敷能力強(qiáng)的特點(diǎn)，專(zhuān)注于蓋面的填充效應(yīng)。等離子-MIG復(fù)合焊蓋面處最大熔寬與傳統(tǒng)MIG焊接近，達(dá)到11 mm，體現(xiàn)了較好的熔敷能力。熔寬隨熔深增加而迅速衰減，至熔深4 mm處衰減為3.6 mm左右，之后焊縫寬度基本保持一致。等離子-MIG復(fù)合焊焊縫截面72.5 mm2較傳統(tǒng)MIG焊截面面積98.77 mm2減小了26.6%，平均熱影響區(qū)寬度2.17 mm，為傳統(tǒng)MIG焊的70%。

由上述分析可知，釘子型焊縫非常適合于窄坡口接頭形式的焊接，既保證了接頭蓋面成形，又滿(mǎn)足了熔深要求，同時(shí)由于其較快的焊接速度和總焊道數(shù)的減小，效率提高了65.8%。

4.2 焊接溫度場(chǎng)

傳統(tǒng)MIG焊焊接溫度場(chǎng)云圖如圖5所示。

由圖5可知，模擬得到的MIG焊熔池形態(tài)與焊接實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，各焊道MIG焊熔池呈典型的橢球形態(tài)。最大熔寬比出現(xiàn)在第一焊道，為1.3;第二焊道次之，達(dá)0.9;第三焊道最小為0.6。打底焊比較注重背面的成形，熔寬比較大，而填充與蓋面焊則更注重坡口的填充與蓋面的成形而采用了較小的深寬比。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)MIG焊熔池深寬比還存在一定的局限，在本實(shí)驗(yàn)工藝規(guī)范下，采用60°坡口較為適合。

等離子-MIG復(fù)合焊第一道溫度場(chǎng)云圖如圖6所示。

由圖6可知，溫度場(chǎng)呈現(xiàn)典型的復(fù)合熱源形態(tài)，等離子束在前，溫度較高，熱源中心最高溫度可達(dá)9 247 K，產(chǎn)生匙孔效應(yīng)，導(dǎo)致熔深較大。而MIG電弧在后，溫度較低，熔寬較大。首道焊中采用了較大的等離子電流和適中的MIG電流，以達(dá)到更大熔深，深寬比達(dá)到3.1;而在第二道焊中采用了較小的等離子電流和較大的MIG電流來(lái)完成坡口填充與蓋面，深寬比為1.1。由些可見(jiàn)，在等離子-MIG復(fù)合中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)雙電源的功率匹配實(shí)現(xiàn)不同預(yù)期焊縫形態(tài)。

由于在復(fù)合焊溫度場(chǎng)中，最大熔深與最大熔寬并不處于同一截面中，將其拼接在同一圖中以便清楚地觀(guān)察等離子-MIG焊焊縫截面，如圖7所示。

由圖7可知，計(jì)算得到的最終焊縫截面形態(tài)呈現(xiàn)典型的釘子型，與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性，說(shuō)明采用雙橢球與圓錐體組合熱源能夠較好地描述等離子-MIG焊熱源形態(tài)。

5 結(jié)論

（1）等離子-MIG焊接頭在合適的焊接工藝參數(shù)下呈釘型形態(tài)，適合于窄坡口接頭形式的焊接。

（2）與傳統(tǒng)MIG焊相比，等離子-MIG焊具有更小的焊縫截面面積、更小的熱影響區(qū)和更高的焊接效率。

（3）采用旋轉(zhuǎn)體+雙橢球熱源模型可以較好地反映等離子-MIG焊的熱源功率分布特征。模擬焊縫形態(tài)與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合良好。

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