6063鋁合金熔絲鎢極氬弧焊溫度場模擬與分析

王喜臨，劉愛國

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110159)

鋁合金因質(zhì)量輕、力學(xué)性能好等優(yōu)點在航空、航天、汽車等方面被廣泛應(yīng)用，由此促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，最常用的鋁合金焊接方法是鎢極氬弧焊(Tungsten Inert Gas，TIG)[1-2]。普通TIG焊承載電流小、焊接效率低，高效率焊接一直是焊接技術(shù)發(fā)展的方向[3]。熔絲TIG焊作為一種新型的焊接方法，保留了普通TIG焊的穩(wěn)定性，相較于普通TIG焊更高效。熔絲TIG焊工作原理如圖1所示。熔絲TIG焊中的焊絲和工件并聯(lián)接在焊接電源的一極，接在焊接電源另一極的鎢極與焊絲、工件都產(chǎn)生電弧，鎢極與工件產(chǎn)生的電弧可以熔化工件，鎢極與焊絲產(chǎn)生的電弧用來熔化焊絲[4-5]。

圖1 熔絲TIG焊工作原理圖

為分析熔絲TIG焊的焊接溫度場規(guī)律，優(yōu)化焊接工藝，本文利用Simufactwelding軟件建立熔絲TIG焊的焊接模型，研究其焊接過程，分析對比普通TIG和熔絲TIG焊的溫度場，確定熔絲TIG焊焊接電流對焊接成型的影響規(guī)律。

1 試驗方法

試驗采用6063鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。焊接條件：保護(hù)氣體為氬氣，氣體流速為15L/min；焊接電流為120A；鋁合金板的厚度為4mm；焊接速度根據(jù)具體情況而定。試驗中發(fā)現(xiàn)，對于4mm的鋁合金板，焊接速度在150～300mm/min時得到的焊接表面質(zhì)量較好，且能獲得較好的熔深。

表1 6063鋁合金化學(xué)成分 wt%

2 仿真模型

2.1 熔絲TIG焊焊接模型

試驗中熔絲TIG焊使用兩個焊槍，分別為TIG焊槍和熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MetalInertGas，MIG)焊槍，鎢極同時與母材和焊絲產(chǎn)生電弧，熔化母材和焊絲。熔化的高溫焊絲填料射流到焊縫上，且填料隨著鎢極和工件之間的熱源同向同步運動，兩熱源也沿著焊縫焊接方向運動，極大增加仿真模擬的難度，不利于焊接仿真模型的建立，因此需要對實際情況簡化處理。熔絲TIG焊相較于普通TIG焊增加了熔絲的功能，現(xiàn)只考慮鎢極和母材間的電弧作用，忽略鎢極和焊絲的電弧，實際中鎢極和焊絲間電弧起熔絲作用，焊絲以熔滴形式進(jìn)入熔池，模擬中熔滴簡化為具有熔化溫度的填充材料[6]。模型假設(shè)如下：

(1)填充材料為鋁合金，溫度為鋁合金熔化溫度(659℃)，其余材料溫度均為室溫；

(2)模擬過程忽略熔池中液體流動。

在Simufact Welding軟件中導(dǎo)入焊接模型，如圖2所示。

圖2 焊接模型

2.2 熱源模型

熔絲TIG焊模擬采用雙橢球熱源模型[7-8]，雙橢球熱源模型由兩個四分之一橢球組成，前后半橢球的能量分別為Qf和Qr，如圖3所示。

圖3 雙橢球熱源模型

雙橢球熱源模型的熱流分布函數(shù)表達(dá)式為

(1)

(2)

式中：η為焊接熱源效率；U為焊接電壓；I為焊接電流；Q為熱源的有效輸入，Q=ηUI；af、ar、b和c為焊接雙橢球熱源的幾何形狀參數(shù)，分別為前軸長、后軸長、寬度和深度；ff為前半部分橢球的能量分配系數(shù)；fr為后半部分橢球的能量分配系數(shù)，ff+fr=2。

2.3 材料的熱物理性能參數(shù)

6063鋁合金在不同溫度下的比熱容、熱導(dǎo)率、楊氏模量和熱膨脹系數(shù)等物性參數(shù)取自Simufact軟件中自帶材料庫。

2.4 邊界條件

焊接過程除焊接熱源的熱輸入外，還存在對流傳熱、輻射換熱和接觸傳熱等熱量傳遞[9-10]。對流傳熱邊界條件為

Qc=-hA(T-T0)

(3)

輻射換熱邊界條件為

(4)

接觸傳熱邊界條件為

QCHT=αA(T-T0)

(5)

式中：h為對流傳熱系數(shù)；ε為輻射率；α為接觸傳熱系數(shù)；T為工件溫度；T0為環(huán)境溫度；A為換熱面積；Qc為對流傳熱熱量；Qε為輻射換熱熱量；QCHT為接觸傳熱熱量。模擬時選取h=20W/(m2·K)、ε=0.6、α=1000W/(m2·K)、T0=20°C。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 普通TIG焊和熔絲TIG焊的溫度場對比

熔絲TIG焊相較于普通TIG焊增加了熔絲功能，焊絲以熔化的熔滴進(jìn)入熔池，熔絲進(jìn)入熔池內(nèi)不消耗電弧熱，而普通TIG焊的焊絲進(jìn)入熔池內(nèi)需要吸收大量的電弧熱，以使焊絲熔化。模擬中普通TIG焊和熔絲TIG焊的焊接參數(shù)(焊接電流、焊接電壓、熱源模型和焊接速度)均保持一致。

焊接熱循環(huán)溫度采集點分別為距離焊縫中心2mm(1點)、距離焊縫中心12mm(2點)、焊縫中心最下端(點3)。溫度采集點示意如圖4所示。

圖4 溫度采集點示意圖

模擬計算得到普通TIG焊和熔絲TIG焊過程中各時刻的溫度場，以15s時的模擬結(jié)果為例分析，如圖5所示。

圖5 不同TIG焊某時刻的溫度場

由圖5可明顯看出，由于鋁合金導(dǎo)熱性能好，加熱速度快，故接近熱源的地方等溫線分布密集，遠(yuǎn)離熱源的地方，等溫線分布稀疏。熔絲TIG焊相較于普通TIG焊，焊縫寬度明顯增大。焊接參數(shù)相同時，熔絲TIG焊和普通TIG焊速度相同，熔絲TIG焊熱輸入更多，焊接效率更高。

圖6為熔絲TIG焊和普通TIG焊各溫度采集點的熱循環(huán)曲線。

圖6 不同TIG焊下各溫度采集點熱循環(huán)曲線

由圖6可見，普通TIG焊和熔絲TIG焊中各點溫度均隨時間的增加先升高后降低，各點的升溫速度明顯大于冷卻速度，且熔絲TIG焊中各點的溫度均高于普通TIG焊。普通TIG焊在點1的最高溫度約為熔絲TIG焊在該點最高溫度的80%(圖6a)；普通TIG焊在點2的最高溫度約為熔絲TIG焊在該點最高溫度的80%(圖6b)；普通TIG焊在點3的最高溫度約為熔絲TIG焊在該點最高溫度的83%(圖6c)。熔絲TIG焊的熱輸入在縱向和橫向上均比普通TIG焊的熱輸入多，熔絲TIG焊可提高熔深，增加熔池中的熱輸入，有效提高焊接效率。

3.2 熔絲TIG焊電流對溫度場的影響

焊接速度取300mm/min，焊接電流分別取80A、100A、120A，分析熔絲TIG焊在平板堆焊時電流大小對溫度場的影響。圖7為不同焊接電流下熔絲TIG焊各溫度采集點的熱循環(huán)曲線。

由圖7可見，不同焊接電流下的熱循環(huán)曲線形狀基本相似，焊接中各采集點溫度隨時間變化趨勢一致，先從室溫迅速升高，達(dá)到最高溫度，然后再迅速下降，下降速度逐漸降低。熔絲TIG焊電流為120A時，點1所在位置最高溫度為718℃，超過鋁板熔化溫度(659℃)，鋁板最下端(點3)的最高溫度為574℃，接近鋁板熔化溫度，但不至于燒穿，該結(jié)果對實際焊接具有指導(dǎo)意義。

圖7 不同焊接電流下熔絲TIG焊各溫度采集點熱循環(huán)曲線

熔絲TIG焊在相同時間節(jié)點不同焊接電流下的溫度分布如圖8所示。圖中顯示為18s時的模擬結(jié)果。

由圖8可見，焊接電流大小的變化對平板堆焊溫度場影響明顯，隨著焊接電流的加大，由于焊接熱輸入增加，焊接溫度分布范圍更大，熔池尺寸增大，母材溫度在寬度及深度方向均有升高。

圖8 熔絲TIG焊某時刻的溫度場分布

4 結(jié)論

采用Simufactweding軟件對鋁合金薄板的熔絲TIG焊和普通TIG焊焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析兩種焊接過程的溫度場，研究不同焊接電流下的熔絲TIG焊的溫度場。模擬結(jié)果表明：在相同的電流條件下熔絲TIG焊比普通TIG焊熱輸入更多，具有更高的焊接效率；對于熔絲TIG焊，隨焊接電流增大，焊縫寬度明顯增大，熔深也增加。模擬結(jié)果對實際焊接具有指導(dǎo)意義。