穿孔型等離子弧焊接316不銹鋼的熱場模擬

阮敬平 孫俊華 劉鵬

摘要：通過GAMBIT軟件建立穿孔型等離子弧焊焊接316不銹鋼的三維有限元模型并劃分網(wǎng)格，利用FLUENT軟件進行迭代計算。通過編寫UDF程序?qū)崿F(xiàn)移動熱源和力源的加載以及相的定義，并利用VOF方程追蹤相的界面，求解出橫截面、縱截面在不同時刻的溫度場云圖和熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動情況。結(jié)果表明：隨著焊接時間的變化，工件在電弧熱的作用下逐漸被熔透，熔池內(nèi)液態(tài)金屬在等離子弧壓力和等離子流力及其反作用力的作用下發(fā)生動態(tài)演變。對6 mm的316不銹鋼進行焊接實驗，并對比焊縫橫截面的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果，兩者基本吻合，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

關(guān)鍵詞：316不銹鋼;溫度場;液態(tài)金屬;數(shù)值模擬

中圖分類號：TG409 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）05-0056-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.05.10

0 ? ?前言

等離子弧焊接（PAW）具有能量密度高、焊接速度快、應(yīng)力應(yīng)變小、焊縫成形美觀等優(yōu)點，特別適合焊接各種難熔、易氧化及熱敏感性強的金屬材料（如鎢、鉬、銅、鎳、鈦等）。相比于TIG、MIG焊，PAW在焊接中厚板時更具優(yōu)勢;相比于激光焊、電子束焊等，等離子弧焊接具有成本低，對焊件要求低的優(yōu)點，是焊接中厚不銹鋼板常用的方法之一。

316不銹鋼是一種碳含量較低的奧氏體不銹鋼，由于它在海水或其他介質(zhì)中的耐腐蝕性能比其他不銹鋼更加優(yōu)異，因此常用于船舶制造、航空航天等領(lǐng)域。但316不銹鋼具有較低的熱導(dǎo)率、較高的電阻率以及較大的線膨脹系數(shù)，焊接難度較大[1-3]。目前，研究者對焊接316不銹鋼時的電弧特性、增材制造以及316與其他金屬材料的焊接等做了大量研究。尹玉祥[4]采用TIG往復(fù)焊對316不銹鋼進行增材制造，得出了增材層數(shù)對電弧形態(tài)及電弧溫度的影響規(guī)律。顧偉[5]對316不銹鋼的焊接接頭組織和性能進行研究，得到了均勻一致、質(zhì)量穩(wěn)定的焊接接頭。張俠洲[6]采用Q235R/316L復(fù)合基板，得到了焊接性能良好、抗拉強度高的焊接接頭。但針對等離子弧焊接316不銹鋼板的溫度場、流場的研究相對較少。

近年來，隨著數(shù)值模擬軟件SYSWELD、FLUENT等的使用，越來越多的研究者[7-11]通過數(shù)值模擬的方法來探究焊接過程中的溫度場和流場。武傳松教授團隊[7-11]對等離子弧焊接304不銹鋼的溫度場、流場進行數(shù)值模擬，采用VOF追蹤小孔界面，得到的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合，揭示焊接過程的內(nèi)在機理，并取得了豐碩的成果。文中采用FLUENT軟件分析316不銹鋼的溫度場和流場，并通過工藝實驗驗證了其正確性，為后續(xù)的工藝實驗提供理論支撐。

1 焊接溫度場和流場的數(shù)值模擬

1.1 工藝實驗

為了更好地了解等離子弧焊接316不銹鋼的工藝過程，驗證數(shù)值模擬模型的正確性，焊接工藝實驗采用以下參數(shù)：焊接電流150 A，電弧電壓19 V，焊接速度110 mm/min，保護氣流量18 L/min，等離子氣流量3 L/min，噴嘴距工件的高度為5 mm。將工件的橫截面拋光后用王水（濃鹽酸∶濃硝酸=3∶1）腐蝕，得到了焊縫橫截面熔合線形狀并進行拍照。

1.2 建立有限元模型

采用前處理軟件GAMBIT建立三維有限元模型，模型尺寸為70 mm×20 mm×10 mm，包括中間6 mm的工件以及工件上下分別為2 mm的空氣層，有限元模型如圖1所示。焊接初始位置在坐標原點位置，如圖1a所示，x軸為焊接速度方向，z軸為工件厚度方向，ABCD為volocity-inlet，AEDJ和BCGF為pressure-outlet，AMNB為symmetry，其余壁面為wall。在焊接過程中，由于焊縫區(qū)溫度梯度大，遠離焊縫位置的溫度梯度小，因此為了節(jié)省計算資源，同時保證計算精度，采用非均勻網(wǎng)格，xOy面網(wǎng)格如圖1b所示。同時為了簡化計算，假設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)、粘度是溫度的函數(shù)，其余材料熱物性參數(shù)為常數(shù)。

1.3 “熱-力 ”模型的建立

等離子弧焊接涉及到復(fù)雜的傳熱、輻射、熔化與凝固等過程，因此建立合適的“熱-力”耦合模型是數(shù)值模擬的關(guān)鍵。根據(jù)等離子弧焊接熔池呈現(xiàn)倒喇叭狀的特點，采用雙橢球體+錐體熱源模型。雙橢球熱源方程為：

錐體熱源方程為：

式中 UPAW為電弧電壓;IPAW為焊接電流;η為焊接熱效率;vx為焊接速度;A前、 A后、B、C、re、ri、h1為熱源分布參數(shù);n上、n下 分別為雙橢球體熱源和錐體熱源的能量分配系數(shù)，且n上+n下=1。文中采用追蹤熔池最底部位置，實現(xiàn)對錐體熱源高度的實時控制。具體原理如圖2所示，h1=zi-C（其中zi為熱源總高度）。等離子弧焊接開始時只有上半部分熱源，此時n上=1，n下=0。隨著焊接過程的進行，逐漸出現(xiàn)錐體熱源，此時設(shè)定n下=Dh1/L，n上=1-n下（式中，D為調(diào)節(jié)系數(shù)， L為工件厚度）。

在等離子弧焊接過程中，等離子弧壓力和等離子流力是形成小孔的重要因素。在焊接過程中，電弧力和電弧熱的分布趨勢相同，因此等離子弧壓力和等離子流力均采用雙橢圓分布模型，方程如下：

式中 ζ為等離子弧壓力調(diào)節(jié)系數(shù);μ0為真空磁導(dǎo)率;a11、a22、b11為壓力分布系數(shù)。

VOF（流體體積函數(shù)）是常用的追蹤穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)氣液界面的方法之一，通過計算每個單元的體積分數(shù)來追蹤兩個或者多個互不相融的流體界面。VOF的計算必須基于壓力求解器，在每個六面體網(wǎng)格中，氣液兩相的體積分數(shù)和都為1。VOF控制方程為：

式中 vx、vy、vz分別為x、y、z方向的速度。

1.3 邊界條件

在焊接起始時刻，即t=0時：

在工件上表面：

在工件下表面：

在工件對稱面：

式中 T∞為環(huán)境溫度;n1、n2 分別為上、下表面的法向量;q為等離子弧傳遞到工件的熱流密度;qd為熱對流損失的熱流密度;qf為熱輻射損失的熱流密度;qz為蒸發(fā)損失的熱流密度。

2 結(jié)果分析

2.1 焊接溫度場和流場

利用建立的“ 熱-力 ”模型對6 mm的316不銹鋼進行等離子弧焊接的溫度場和流場數(shù)值模擬，得到不同時刻縱截面以及橫截面的溫度場和流場變化圖，如圖3所示。在焊接的初始階段，等離子弧溫度高達10 000～20 000 K，工件表面迅速被加熱熔化形成熔池。隨著時間的進行，等離子弧的熱量在熔池及其周圍發(fā)生熱傳導(dǎo)和熱輻射，使熔池周圍的固態(tài)金屬溫度升高，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬在等離子弧壓力和等離子流力的作用下被擠壓到熔池四周，新的固態(tài)金屬又被暴露出來，繼續(xù)被等離子弧加熱，直至焊透工件。隨著焊接的進行，焊槍向前移動，電弧后方的溫度場產(chǎn)生后拖，逐步呈現(xiàn)出前窄后寬的雙橢球體形狀。溫度場在t2時刻熔寬大幅度變窄，出現(xiàn)錐體形狀，最終在t4時刻熔深最大，最終溫度場出現(xiàn)“ 倒喇叭狀”的形狀，隨后，焊接處于穩(wěn)定階段，溫度場僅出現(xiàn)小范圍波動。

從焊縫縱截面流場可以看出，在t1階段，由于等離子弧壓力和等離子流力的作用，熔池中的液態(tài)金屬受到向下的作用力，液態(tài)金屬被擠壓開始下凹，電弧正下方的液態(tài)金屬由熔池表面流向熔池底部，但此時熔池下方的金屬沒有熔化，仍然以固體的形式存在，因此在固體金屬的反作用力下，熔池底部的液態(tài)金屬被擠壓向四周流動，一部分液態(tài)金屬在上表面凝固，形成余高。隨著焊接過程的進行，在t2～t3時刻，熔池內(nèi)的液態(tài)金屬繼續(xù)在等離子弧壓力和等離子流力的作用下被排開，從熔池內(nèi)壁流向四周。當熔深繼續(xù)增大，出現(xiàn)熔寬大幅度減小的錐體熱源的位置時，熔池底部金屬向下流動，熔池內(nèi)壁金屬繼續(xù)被擠壓自下向上流動，熔池外壁金屬向下流動，并在反作用力的作用下，沿熔池外壁流出。在t4～t6時刻，小孔貫穿整個工件，此時等離子弧壓力和等離子流力的反作用力大幅度降低，因此熔池內(nèi)中下部液態(tài)金屬向下流動，熔池偏上部液態(tài)金屬向上流動。

從焊縫橫截面流場可以看出，不同時刻的液態(tài)金屬流動情況與縱截面相似，但橫截面左右兩側(cè)流體流動比較均勻，而縱截面在電弧后方的流體流速較快。這是因為在焊接過程中，等離子弧向后偏移，作用在電弧后方使焊接后方的等離子弧壓力的反作用力較大，促使其流速變大。

2.2 實驗驗證

將實驗所得橫截面的焊縫熔合線與達到準穩(wěn)態(tài)后的模擬結(jié)果進行對比，如圖4所示，兩者基本吻合，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，這對優(yōu)化焊接工藝和節(jié)約成本具有重大意義。

3 結(jié)論

（1）劃分了既能保證精度又能節(jié)約計算資源的非均勻網(wǎng)格，建立了三維瞬態(tài)“熱-力”耦合模型。

（2）對等離子弧焊接316不銹鋼的溫度場和流場進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：等離子弧焊接316不銹鋼的溫度場呈現(xiàn)“倒喇叭狀”，流體流動主要是取決于電弧壓力和等離子流力及其反作用力。

（3）進行了等離子弧焊接316不銹鋼的工藝實驗，經(jīng)腐蝕后觀察焊縫橫截面的熔合線，并將其與模擬結(jié)果進行對比，兩者基本吻合，驗證了模擬結(jié)果的正確性，這為優(yōu)化等離子弧焊接316不銹鋼的焊接工藝提供了理論支撐。

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