等離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊熔池流體行為研究

張超，胡慶賢，繆俊彥，王曉麗，宋揚

等離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊熔池流體行為研究

張超1,2，胡慶賢2，繆俊彥2，王曉麗2，宋揚2

（1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學院，江蘇 常州 213147；2.江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

研究等離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊過程的熔池流體行為。綜合考慮傳熱學以及流體動力學，建立Fluent數(shù)值分析模型。使用雙橢球–錐體熱源模型代表等離子弧焊傳熱模型，用雙橢球熱源表征GMAW電弧傳熱并考慮熔滴傳熱，同時考慮熔池受到的電磁力、浮力、表面張力、等離子流力等作用力?；贔luent軟件，對復(fù)合焊過程中熔池的溫度場和流場進行研究，模擬脈沖電流為150 A時復(fù)合焊熔池的流體行為，并進行實驗驗證對比。在固定等離子焊接電流為100 A、焊接速度為30 cm/min、GMAW脈沖平均電流為150 A時，模擬顯示熔池的熔寬為10.57 mm、熔深為2.58 mm、余高為3.66 mm，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。建立的GMAW復(fù)合焊數(shù)值模型能夠有效指導(dǎo)該焊接過程。

脈沖電流；復(fù)合焊；數(shù)值分析；纜式焊絲

等離子弧焊+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊結(jié)合了等離子弧焊、纜式焊絲GMAW復(fù)合焊和脈沖電流的三重優(yōu)點，是一種新型高效節(jié)能的優(yōu)質(zhì)焊接方法。其中，等離子弧穿透能力強，能形成較大的熔深[1-2]；纜式焊絲GMAW電弧能量集中，焊接效率高[3]；使用脈沖電流進行焊接有助于控制熱輸入，還能攪拌熔池，提高焊接質(zhì)量，可用于多種工業(yè)領(lǐng)域，具有重要的工程應(yīng)用價值。但是，對等離子弧焊+纜式焊絲GMAW復(fù)合焊的傳熱和熔池行為機理的研究仍處于初步階段。為此，文中采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法，研究了304不銹鋼的等離子弧焊+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊的熔池流體行為，為相關(guān)研究提供一定的理論依據(jù)。

在過去幾年中，數(shù)值仿真為深入理解熔池流體行為提供了有效手段。張義順等[4]在研究中根據(jù)焊槍的不同對2個熱源進行了復(fù)合，雖然對不同的焊絲與鎢極間距產(chǎn)生的電弧進行了數(shù)值模擬，得到了不同的溫度場，但是卻忽略了等離子電弧與GMAW電弧之間的耦合作用對熱源參數(shù)的影響。徐菁華等[5]對等離子弧焊+GMAW焊槍在焊接過程中內(nèi)部產(chǎn)生的溫度場進行了數(shù)值模擬，根據(jù)分析結(jié)果改善了焊槍的性能。霍海龍[6]對旁軸式等離子弧焊+GMAW焊接過程中的溫度場進行了數(shù)值模擬，但研究沒有涉及熔池流場和小孔的動態(tài)行為。樸圣君[7]對等離子弧焊+MIG/MAG復(fù)合焊焊接過程中電弧和熔池的溫度場和流場進行了模擬。Hertel等[8]計算了電弧、熔滴和熔池的相互影響，隨著焊接實驗中等離子電流和GMAW電流的不斷變化，母材表面的電弧壓力和熱量分布也會不斷改變。

文中為了揭示等離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊過程的熔池流體行為，開展了GMAW復(fù)合焊熱源模型研究，分析了脈沖電流對焊縫成形過程中流體行為的影響，并通過焊縫宏觀形貌與仿真結(jié)果對比，驗證了仿真模型的正確性。

1 實驗

實驗用母材為304不銹鋼板，尺寸為300 mm× 200 mm×12 mm。實驗使用型號為ER–308L的不銹鋼纜式焊絲，焊絲直徑為1.8 mm。文中采用新型的Super–MIG焊接系統(tǒng)進行焊接。

文中僅研究GMAW脈沖電流為150 A時對304不銹鋼板熔池流體行為的影響。在本次實驗中固定焊炬高度為6 mm，焊絲與鎢極之間距離為6 mm，不銹鋼纜式焊絲干伸長為16 mm，保護氣體是氬氣，GMAW保護氣流量為20 L/min，等離子氣體流量為2.8 L/min。通過數(shù)值模擬和實驗驗證相結(jié)合的方法對比研究等離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊過程中的熔池流體行為。

2 復(fù)合焊數(shù)值模型的建立

2.1 基本假設(shè)及控制方程

文中主要采用數(shù)值模擬方法研究等離子+纜式焊絲GMAW復(fù)合焊的熔池流體行為規(guī)律。首先需要建立計算模型并進行離散化，將劃分后的幾何模型離散成小單元。為提高數(shù)值模擬的效率，做出了簡化假設(shè)[9]。所建模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

在等離子+纜式焊絲GMAW復(fù)合焊接過程中，將遵循質(zhì)量守恒、能量守恒、動量守恒等控制方程[10]，液態(tài)熔池也受到表面張力、電弧壓力、等離子流力等作用力影響。

2.2 熱源模型

等離子弧焊及其復(fù)合焊很難用單一的熱源模型對其進行描述[11]，因此文中使用雙橢球熱源模型和錐體熱源模型[12]進行復(fù)合來描述等離子弧焊熱輸入，再外加一個雙橢球熱源模型及熔滴熱源模型代表纜式焊絲GMAW焊電弧熱輸入，共同構(gòu)成了文中的復(fù)合熱源模型。等離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊由等離子焊和纜式焊絲脈沖GMAW焊組合而成，其熱輸入主要來自于2個電弧和熔滴，且各個熱輸入之間也存在相互作用，其中等離子弧與GMAW電弧之間的相互影響特別明顯，對數(shù)值模擬的結(jié)果影響很大。因此，在對等離子+纜式焊絲GMAW復(fù)合焊進行數(shù)值模擬時，必須予以考慮[13-15]。

3 PAW+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊熔池流體行為仿真研究

本章在第2章的基礎(chǔ)上，利用Fluent軟件對UDF進行二次開發(fā)，運用控制變量法，保持其他參數(shù)不變，研究GMAW脈沖電流和焊接速度對等離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊熔池流體行為的影響，焊接時等離子弧與脈沖GMAW電弧耦合共同作用于熔池，脈沖GMAW的周期性形成獨特的熱質(zhì)傳輸過程。

3.1 脈沖平均電流為150A時復(fù)合焊熔池流體行為

等離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊熔池縱截面的演變過程見圖2。=0.02 s時（見圖2a），等離子弧優(yōu)先起弧，形成熔池和匙孔，匙孔在等離子流力、電弧壓力等共同作用下產(chǎn)生，熔池內(nèi)液態(tài)金屬不斷被等離子弧推向兩側(cè)，底部的液態(tài)金屬沿著熔合區(qū)向上運動。=0.16 s時（見圖2b），GMAW脈沖電流處于峰值階段，電流密度相對較大，GMAW熔池表面產(chǎn)生了較為明顯的凹坑，PAW熔池和GMAW熔池長大并相連成共熔池。=0.25 s時（見圖2c），GMAW脈沖電流處于基值階段，GMAW熔池范圍縮小，熔池重新分離為2個獨立的熔池。=0.41 s時（見圖2d），隨著熔池內(nèi)液態(tài)金屬的不斷增多，金屬堆積越來越高，兩熔池之間重新相連為一個大的共熔池，并開始出現(xiàn)液態(tài)金屬的交換。熔池不斷長大的過程中，熔池中心到邊緣存在著溫度梯度差異，熔池中心區(qū)域溫度高，表面張力小。熔池中心向外區(qū)域溫度不斷降低，所以表面張力逐漸增大，表面張力梯度由熔池中心區(qū)域指向邊緣，帶動熔池表面液態(tài)金屬從中心向邊緣流動。=0.55 s時（見圖2e），GMAW脈沖電流位于基值階段，電流密度減小，電弧壓力減小，熔池范圍迅速縮小，熔池內(nèi)凹坑消失，共熔池范圍減小，與PAW熔池交換的液態(tài)金屬量也大大減少。=0.72 s時（見圖2f），GMAW脈沖電流再次轉(zhuǎn)到了峰值階段，此時大量的熔融金屬被GMAW電弧擠壓向熔池前方的PAW熔池，液體金屬向前側(cè)流動，部分液態(tài)金屬有填充匙孔趨勢。隨著焊接過程的不斷進行，在電弧熱作用和熔滴熱焓作用下，兩電弧對應(yīng)熔池均經(jīng)歷生成、長大過程，最終逐漸達到相對穩(wěn)定，進入準穩(wěn)態(tài)階段，但GMAW脈沖電流峰值階段和基值階段的變化對復(fù)合焊熔池形成周期性長大和縮小，形成獨特的熱質(zhì)傳輸過程。

圖1 等離子+纜式焊絲GMAW復(fù)合焊數(shù)值模型

纜式焊絲GMAW平均脈沖電流為150 A時，304不銹鋼等離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊熔池橫截面演變過程見圖3。隨著焊接過程的進行，焊絲端部熔滴經(jīng)過長大、脫落及過渡過程，熔滴脫落下落過程中速度增加，達到熔池時速度達到最大，對熔池形成熔滴沖擊力。隨著熔滴不斷滴落，在母材表面堆積，將其攜帶的熱焓量傳遞給熔池，有利于提高熔池溫度，熔滴的過渡增大了熔池體積。在GMAW電弧壓力以及等離子流力的作用下，GMAW對應(yīng)熔池表面凹陷。隨著焊接過程的不斷進行，在電弧熱作用和熔滴熱焓作用下，熔池在經(jīng)歷變大過程后，逐漸達到相對穩(wěn)定的焊接過程，熔池進入準穩(wěn)態(tài)階段。

圖2 復(fù)合焊熔池縱截面的演變過程（GMAW平均脈沖電流150 A）

圖3 復(fù)合焊熔池橫截面的演變過程

圖4a和b給出了各個時刻復(fù)合焊熔池橫斷面的演變過程，直觀地展現(xiàn)了不同時刻復(fù)合焊面熔池的演變過程。焊接開始后，熔池體積隨著脈沖峰值與脈沖基值的來回變化也在不斷擴大縮小。圖4c和d給出了復(fù)合焊熔深與匙孔的演變過程，直觀地展現(xiàn)了不同時刻復(fù)合焊面熔深與匙孔深度的對比。PAW下方匙孔、熔深迅速增加，GMAW電弧下方熔深隨著脈沖峰值與脈沖基值的不斷輪轉(zhuǎn)也在不斷循環(huán)往復(fù)。

圖4 復(fù)合焊yOz面熔池的演變過程

4 實驗驗證

數(shù)值模擬是在實驗基礎(chǔ)上進行的，為了保證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，需要結(jié)合焊接實驗實際結(jié)果進行對比驗證。圖5給出了計算的焊縫形貌以及焊后實際焊縫橫截面對比結(jié)果。

表1給出了脈沖模式GMAW復(fù)合焊的焊縫橫截面測量值與計算值。通過對比可知，數(shù)值模擬得到的熔深比測量值略深，熔寬和余高比測量值略小，最大誤差不超過4%，基本符合試驗數(shù)據(jù)，驗證了模擬結(jié)果的準確性，提高了其可信度。

圖5 實際焊縫界面

表1 脈沖模式GMAW復(fù)合焊的焊縫橫截面測量值與計算值對比

Tab.1 Comparison of measured and calculated weld cross section of pulsed GMAW hybrid welding

5 結(jié)論

使用Fluent軟件模擬計算了等離子+纜式焊絲GMAW復(fù)合焊熔池流體行為，將數(shù)值計算熔池形貌與實際焊后形貌進行對比，驗證了模擬結(jié)果的準確度。得到結(jié)論如下。

1）在考慮離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊工藝特點的前提下，建立的等離子+纜式焊絲GMAW復(fù)合焊的數(shù)理模型能夠有效對GMAW復(fù)合焊熔池流體行為進行仿真。

2）在GMAW脈沖平均電流為150 A時，模擬結(jié)果表明，熔池的熔寬為10.57 mm、熔深為2.58 mm，余高為3.66 mm。

3）通過對比數(shù)值模擬結(jié)果和焊縫實測值，模擬得到的熔深比測量值略深，熔寬和余高比測量值略小，最大誤差不超過4%，說明模擬結(jié)果準確，提高了其可信度。

[1] 忻建文, 吳東升, 李芳, 等. 等離子弧焊匙孔對電弧物理特性影響規(guī)律的研究[J]. 機械工程學報, 2020, 56(20): 82-87.

XIN Jian-wen, WU Dong-sheng, LI Fang, et al. Influence Mechanisms of Keyhole on the Arc Characteristics in Plasma Arc Welding[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(20): 82-87.

[2] 浦娟, 謝依汝, 胡慶賢, 等. 單纜式焊絲GMAW電弧物理行為的數(shù)值模擬[J]. 材料導(dǎo)報, 2019, 33(4): 689-693.

PU Juan, XIE Yi-ru, HU Qing-xian, et al. Numerical Simulation of Arc Physical Behavior in Gas Metal Arc Welding with a Single Cable-Typed Wire[J]. Materials Reports, 2019, 33(4): 689-693.

[3] 浦娟, 王杰, 胡慶賢, 等. 焊絲間距對雙纜式十四絲GMAW電弧物理行為的影響[J]. 江蘇科技大學學報: 自然科學版, 2019, 33(4): 18-23.

PU Juan, WANG Jie, HU Qing-xian, et al. Effect of Inter-Wire Distance on the Arc Physical Behavior in Gas Metal Arc Welding with Double Cable-Typed Wires[J]. Journal of Jiangsu University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2019, 33(4): 18-23.

[4] 張義順, 董曉強, 李德元. 等離子槍體內(nèi)部流場及溫升的模擬分析[J]. 焊接學報, 2005, 26(9): 77-80.

ZHANG Yi-shun, DONG Xiao-qiang, LI De-yuan. Numerical Simulation of Fluid Field and Temperature Field in Plasma Torch[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2005, 26(9): 77-80.

[5] 徐菁華, 李德元, 張義順, 等. 等離子-MIG槍體內(nèi)流場、溫度場的模擬分析[J]. 沈陽工業(yè)大學學報, 2005, 27(1): 12-15.

XU Jing-hua, LI De-yuan, ZHANG Yi-shun, et al. Simulation of Fluid-Field and Temperature-Field in Plasma-MIG Gun[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2005, 27(1): 12-15.

[6] 霍海龍. 鋁合金中厚板等離子-MIG復(fù)合焊研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2015: 43-49.

HUO Hai-long. Research on Hybrid Palsma-MIG Welding Progress of Medium Thickness Plate Aluminum Alloys[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2015: 43-49.

[7] 樸圣君. 等離子-MIG/MAG復(fù)合焊接電弧及熔池溫度場的數(shù)值模擬[D]. 大連: 大連交通大學, 2016: 27-38.

PIAO Sheng-jun. Numerical Simulation of Arc and Weld Pool Temperature Field in Plasma-MIG/MAG Hybrid Welding[D]. Dalian: Dalian Jiaotong University, 2016: 27-38.

[8] HERTEL M, FüSSEL U, SCHNICK M. Numerical Simulation of the Plasma-MIG Process-Interactions of the Arcs, Droplet Detachment and Weld Pool Formation[J]. Welding in the World, 2014, 58(1): 85-92.

[9] 吳浩. 等離子—纜式七絲MIG復(fù)合焊接熔池流體行為研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇科技大學, 2019: 21-47.

WU Hao. The Study of Molten Pool Fluid Behavior on PAW-Cable Seven Wire MIG Composite Welding[D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2019: 21-47.

[10] 朱蔡琛. 纜式焊絲氣保焊電弧行為及熔滴過渡機理研究[D]. 鎮(zhèn)江: 江蘇科技大學, 2017: 45-60.

ZHU Cai-chen. Study on Arc Behavior and Droplet Transfer Mechanism of Cable-Type Welding Wire Gas Shielded Welding[D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2017: 45-60.

[11] GOLDAK J, CHAKRAVARTI A, BIBBY M. A New Finite Element Model for Welding Heat Sources[J]. Metallurgical Transactions B, 1984, 15(2): 299-305.

[12] XU G X, WU Chuan-song, QIN G L, et al. Adaptive Volumetric Heat Source Models for Laser Beam and Laser+Pulsed GMAW Hybrid Welding Processes[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, 57(1/2/3/4): 245-255.

[13] LIN Q, LI X, SIMPSON W. Metal Transfer Measurements in Gas Metal Arc Welding[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2001, 34: 347-353.

[14] KIM C H, ZHANG W, DEBROY T. Modeling of Temperature Field and Solidified Surface Profile during Gas-Metal Arc Fillet Welding[J]. Journal of Applied Physics, 2003, 94(4): 2667-2679.

[15] WANG Y, TSAI H L. Impingement of Filler Droplets and Weld Pool Dynamics during Gas Metal Arc Welding Process[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2001, 44: 2067-2080.

Weldpool Fluid Behavior of Plasma Arc Welding+Cable-wire Pulsed GMAW Hybrid Welding

ZHANG Chao1, HU Qing-xian2, MIAO Jun-yan2, WANG Xiao-li2, SONG Yang2

(1. Jiangsu Vocational College of Urban and Rural Construction, Jiangsu Changzhou 213147, China; 2. Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China)

The molten pool fluid behavior of the plasma+cable wire pulsed GMAW hybrid welding process was studied. Heat transfer and fluid dynamics are considered comprehensively, and a fluent numerical analysis model was established. The double ellipsoid cone heat source model was used to represent the heat transfer model of plasma arc welding. The double ellipsoid heat source was used to characterize the heat transfer of GMAW arc and the heat transfer of droplet is considered. The electromagnetic force, buoyancy, surface tension, plasma flow force and other forces on the weld pool are considered. Based on FLUENT software, the temperature field and flow field of the weld pool in the process of hybrid welding were studied, and the fluid behavior of the weld pool was simulated when the pulse current is 150 A, and verified and compared by experimental. The results show that fixed plasma welding current is 100 A, welding speed is 30 cm/min, and adjusted GMAW pulse average current is 150 A. It is found that the simulation results show that the melting width is 10.57 mm; The penetration is 2.58 mm; The reinforcement is 3.66 mm; The simulation results based on the numerical model are in good agreement with the experimental results. It shows that the GMAW composite welding numerical model established in this paper can effectively guide the welding process.

pulse current; the hybrid welding; numerical analysis; cable type welding wire

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.014

TG403

A

1674-6457(2022)05-0094-06

2022–01–15

國家自然科學基金（51675249）；江蘇省高等學校自然科學研究面上項目（19KJB460011）；常州市科技局項目（CJ20190028）；江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊（蘇教科[2021]1號）

張超（1987—），男，博士生，講師，主要研究方向為焊接質(zhì)量控制。

胡慶賢（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向為材料成形模擬、高效焊接。

責任編輯：蔣紅晨