數(shù)值模擬在活性焊接技術(shù)研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

李瀟航，任昌敬，倪昱，3，黃勇，3，黃健康，3

1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050

2.西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100

3.省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050

0 引言

隨著裝備制造技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)之一，其發(fā)展趨勢(shì)日趨明朗，即追求高質(zhì)量、高效率、低成本、低污染與智能化。近年來(lái)，活性焊接（A-TIG焊）作為一種高效綠色焊接技術(shù)，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。它是通過(guò)在焊接過(guò)程中將活性元素引入電弧-熔池耦合系統(tǒng)中，以引起電弧收縮和改變?nèi)鄢乇砻鎻埩Φ姆绞绞沟煤缚p熔深增加。該方法最早由烏克蘭巴頓焊接研究所（PWI）于20世紀(jì)60年代在焊接鈦合金過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，焊件表面涂敷的鹵化物可以大幅增加焊縫熔深。但是，直到20世紀(jì)90年代后期，歐美的研究機(jī)構(gòu)（如英國(guó)焊接研究所和愛(ài)迪生焊接研究所等）才開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行廣泛研究［1］。目前，A-TIG焊已在碳鋼、不銹鋼、鎳基合金及鋁合金等材料中得到了應(yīng)用，它具有生產(chǎn)效率高、成本低、焊接變形小的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分廣闊。然而，針對(duì)A-TIG焊熔深增加及焊縫形貌變化機(jī)理一直存在爭(zhēng)議。

得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及數(shù)值模擬理論的不斷完善，數(shù)值模擬作為重要的研究手段參與到活性焊熔深增加機(jī)理的討論中，這使得人們對(duì)活性焊接的理解不斷深入。在以往的科學(xué)試驗(yàn)中，很難通過(guò)試驗(yàn)手段直接觀察熔池內(nèi)部的流體流動(dòng)，實(shí)時(shí)測(cè)量熔池中的流體流速也是特別困難的。這是因?yàn)楹附舆^(guò)程不僅涉及高溫、不透明金屬、短持續(xù)時(shí)間、煙霧和小焊道，而且焊接電弧的存在可能會(huì)干擾測(cè)量?jī)x器。而數(shù)值模擬技術(shù)則可以通過(guò)模擬表面張力、電磁力、重力等其他力引起的復(fù)雜對(duì)流運(yùn)動(dòng)來(lái)定量描述焊接熔池中的流體流動(dòng)及傳熱過(guò)程。因此，本文將圍繞活性焊熔深增加機(jī)理，數(shù)值模擬在熔池流動(dòng)，應(yīng)力應(yīng)變預(yù)測(cè)，活性劑過(guò)渡方面的應(yīng)用，著重討論數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)于研究活性焊的重要作用，并針對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究提出一些看法。

1 A-TIG焊接熔深增加機(jī)理

在對(duì)活性焊的研究過(guò)程中，研究者對(duì)活性劑如何增加熔深的機(jī)理產(chǎn)生了極大的興趣，并展開(kāi)了大量研究。最早由PWI的研究人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察提出了電弧收縮理論，此后美國(guó)學(xué)者又提出了表面張力梯度改變理論。這兩個(gè)理論分別從活性劑影響焊接電弧和熔池流動(dòng)兩個(gè)角度探討了熔深增加的原因，然而焊接過(guò)程并非電弧與熔池的簡(jiǎn)單疊加。目前為止，活性劑對(duì)電弧-熔池耦合系統(tǒng)的影響研究者們尚并未形成統(tǒng)一而全面的認(rèn)識(shí)。

1.1 電弧收縮理論

電弧收縮理論最早由A.G.Simonik［2］提出。如圖1所示，該理論認(rèn)為在焊接電弧的高溫作用下，活性劑會(huì)被蒸發(fā)分解為原子形態(tài)，蒸發(fā)的活性劑分子與電弧外圍的電子相結(jié)合，使得電弧外圍帶電離子數(shù)量減少，電流密度隨之增大，結(jié)果導(dǎo)致電弧力和熔池內(nèi)的電磁力增強(qiáng)，影響焊縫熔深。

圖1 電弧收縮原理示意Fig.1 Schematic diagram of arc shrinkage principle

1.2 表面張力溫度梯度改變理論

該理論由美國(guó)學(xué)者Heiple和Roper［3］提出。如圖2所示，O、S作為表面活性元素對(duì)鐵合金等金屬材料的表面張力有很大影響，而表面張力則對(duì)熔池表面的Marangoni對(duì)流產(chǎn)生影響，繼而影響到焊縫熔深。在常規(guī)焊接情況下，熔池表面的表面張力溫度系數(shù)為負(fù)值，即dσ/dT<0，Marangoni對(duì)流從中心向周邊擴(kuò)散，進(jìn)而形成寬而淺的焊縫形狀。在ATIG焊接過(guò)程中，由于熔池表面有O、S等表面活性元素存在，表面張力溫度系數(shù)變?yōu)檎?，即dσ/dT>0，Marangoni對(duì)流從周邊向中心匯聚，從而形成窄而深的焊縫。該理論自提出以來(lái)，受到眾多研究者的關(guān)注，并分別采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法兩種手段進(jìn)行了廣泛研究。

圖2 表面張力梯度與熔深的關(guān)系［3］Fig.2 Relationship between surface tension gradient and melting depth

2 數(shù)值模擬在活性焊接熔池流動(dòng)及變形方面的應(yīng)用

在熔池內(nèi)部，液態(tài)金屬流動(dòng)受到各種驅(qū)動(dòng)力的影響，其中主要包括表面張力、電磁力和浮力等。熔池的流動(dòng)同時(shí)伴隨有熱量與質(zhì)量的傳輸，這意味著熔池內(nèi)部一系列物理化學(xué)反應(yīng)的環(huán)境將會(huì)被改變，熔池流動(dòng)的過(guò)程又難以直接在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。1983年，麻省理工學(xué)院的G.M.Oreper［4］率先利用數(shù)值模擬方法對(duì)熔池中流體流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行模擬。

不銹鋼A-TIG焊歷來(lái)是A-TIG焊接研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。自20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，Zacharia［5］，Wang［6］等人通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)手段對(duì)304不銹鋼在不同活性組元S含量下的焊接熔池瞬態(tài)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究。他們認(rèn)為熔池內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)存在最低S濃度閾值的順時(shí)針渦流，當(dāng)兩種S含量不同的金屬進(jìn)行焊接時(shí)，熔池形狀會(huì)向S含量較低的金屬一側(cè)傾斜，且不同S含量也可能導(dǎo)致熔池內(nèi)出現(xiàn)1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)渦流。這些研究成果對(duì)于揭示焊縫成形規(guī)律具有重要意義。David和Debroy等［7］分別采用軸對(duì)稱模型計(jì)算了不銹鋼表面張力溫度系數(shù)對(duì)定點(diǎn)TIG焊接熔池內(nèi)金屬流動(dòng)和熔池形狀的影響。然而，這些計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的差異，原因是研究人員將Fe-Cr-Ni-S系合金簡(jiǎn)單地替換成Fe-S系合金，忽略了Ni、Cr對(duì)S元素的偏聚及活度的影響。通過(guò)David和其他科研人員的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面張力溫度梯度發(fā)生變化時(shí)，Marangoni的湍流也將隨之調(diào)整，最終形成深淺不同的熔池形狀。趙玉珍［8］通過(guò)對(duì)三維移動(dòng)熱源條件下焊接熔池?cái)?shù)學(xué)模型的研究，模擬了影響熔池形態(tài)的表面活性元素S在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，S元素的存在會(huì)極大改變?nèi)鄢氐牧鲃?dòng)狀態(tài)。隨著S含量的增加，焊縫熔池深寬比值迅速增加，直至趨向一個(gè)穩(wěn)定值。隨著S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，活性元素S通過(guò)影響熔池內(nèi)部的Marangoni對(duì)流，在熔池內(nèi)部引發(fā)數(shù)目、大小、方向和位置各異的渦流，當(dāng)這些渦流的方向從熔池邊緣指向熔池中心時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的熔深。

以上是研究者們對(duì)于表面活性元素S在活性焊接中所起作用的認(rèn)識(shí)。值得注意的是，S作為焊接熔池冶金中的有害雜質(zhì)元素，比例過(guò)高將會(huì)對(duì)焊縫性能產(chǎn)生負(fù)面影響。O在鐵系合金中同樣起到活性組元的作用，并由此展開(kāi)了一系列研究。

董文超［9］針對(duì)SUS304不銹鋼定點(diǎn)GTAW焊工藝，建立了三維瞬態(tài)定點(diǎn)熱源作用下的焊接熔池?cái)?shù)學(xué)模型，深入探討不同氧含量條件下Marangoni的流動(dòng)特性，以及它們?nèi)绾胃淖兒缚p的外觀。如圖3所示，在相同溫度下，表面張力的溫度梯度系數(shù)隨著氧含量的增加而增大；隨著溫度升高，表面張力溫度梯度系數(shù)呈現(xiàn)出從正值逐漸減小的趨勢(shì)，并且隨著氧氣濃度的提高，這種趨勢(shì)愈發(fā)明顯。而氧含量越高，發(fā)生變化的臨界溫度也相應(yīng)上升。因此，分別以氧含量為30 ppm，100 ppm，200 ppm進(jìn)行模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)氧含量較低時(shí)（30 ppm），熔池表面的Marangoni對(duì)流由中心流向四周，這種對(duì)流模式有助于陽(yáng)極斑點(diǎn)將熱量傳遞至周邊區(qū)域，形成寬且淺的熔池；當(dāng)氧含量較高時(shí)（200 ppm），熔池內(nèi)Marangoni對(duì)流則由四周流向中心，同時(shí)陽(yáng)極斑點(diǎn)的熱量隨著熔池流動(dòng)傳遞到熔池中心底部，形成深且窄的熔池。而在低氧含量與高氧含量之間，熔池內(nèi)部既有內(nèi)對(duì)流也有外對(duì)流，且隨著氧含量的增加，內(nèi)對(duì)流作用不斷加強(qiáng)，此時(shí)的焊縫形狀為“勺”形。不同氧含量條件下實(shí)驗(yàn)與模擬的熔池形貌如圖4所示。

圖3 Fe-O系統(tǒng)中表面張力溫度梯度系數(shù)隨氧含量和溫度的變化曲線Fig.3 Variation curve of surface tension temperature gradient coefficient with oxygen content and temperature in Fe-O system

圖4 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算的熔池形貌Fig.4 Weld pool profiles with oxygen contents

在GTAW過(guò)程中，焊縫熔池流動(dòng)及變形在很大程度上取決于Marangoni對(duì)流模式及強(qiáng)度，而活性元素O含量的濃度及熔池表面的溫度分布會(huì)對(duì)Marangoni對(duì)流模式及強(qiáng)度產(chǎn)生影響。同時(shí)，焊接參數(shù)的變化也會(huì)影響熔池表面的溫度分布及溫度梯度的形成。S.P.Lu［10］采用FLUENT軟件，構(gòu)建了移動(dòng)氬弧焊電弧和熔池的數(shù)值模型，系統(tǒng)研究活性元素O和焊接參數(shù)對(duì)Marangoni對(duì)流和焊縫形狀的影響。實(shí)驗(yàn)分為低氧含量（≤40 ppm）和高氧含量（≥150 ppm），探究電流強(qiáng)度、焊接速度和電弧間隙對(duì)熔池流動(dòng)的影響，如圖5～圖7所示。認(rèn)為在高含氧量條件下，焊接參數(shù)對(duì)焊縫深寬比值有顯著影響。當(dāng)焊接速度或電極間隙增加時(shí)，熔池表面的溫度梯度減小，向內(nèi)的Marangoni對(duì)流減弱，使得焊縫的深寬比值降低。在相對(duì)較大的焊接電流下，熔池中心區(qū)域的等離子體阻力產(chǎn)生更強(qiáng)的向外液體對(duì)流將削弱熔池外圍區(qū)域的向內(nèi)Marangoni對(duì)流。因此，焊縫深寬比值最初會(huì)增加，到達(dá)一個(gè)恒定值以后，電流強(qiáng)度繼續(xù)增加，但深寬比值保持不變。當(dāng)氧含量較低時(shí)，焊縫深寬比值隨著焊接電流的增加而降低。然而，焊縫深寬比值對(duì)焊接速度或電極間隙并不敏感。

圖5 低氧含量和高氧含量下不同焊接電流下的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)Fig.5 Temperature and velocity fields at different welding currents for low and high oxygen contents

圖6 低氧含量和高氧含量下不同電弧間隙下的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)Fig.6 Temperature and velocity fields under different electrode gaps for low and high oxygen contents

圖7 低氧含量和高氧含量下不同焊接速度下的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)Fig.7 Temperature and velocity fields at different welding speeds for low and high oxygen contents

以上僅是從熔池表面張力梯度變化這一機(jī)理展開(kāi)對(duì)熔池流動(dòng)及熔池形貌形成的討論。蘭州理工大學(xué)張瑞華［11］則對(duì)兩種增深機(jī)理都進(jìn)行了仿真模擬，他運(yùn)用PHOENICS軟件模擬了O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電弧收縮效應(yīng)等因素對(duì)熔池溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響。在不添加活性劑的情況下，焊縫中O元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)（32 ppm），負(fù)的表面張力溫度系數(shù)起主導(dǎo)作用，在熔池中心引發(fā)向外的兩個(gè)渦流，而遠(yuǎn)離中心的區(qū)域溫度逐漸降低，表面張力逐漸增大，引起向內(nèi)的渦流，兩股相反的渦流相遇后改變方向，流向熔池底部。添加活性劑后，熔池表面富集大量的活性組元O，使得正的表面張力溫度系數(shù)起主導(dǎo)作用，在熔池中心形成兩個(gè)向內(nèi)的渦流，流向熔池中心底部，大幅提升了熔池深度。此外，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)電弧收縮進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)調(diào)節(jié)高斯熱源的電弧分布參數(shù)以及電流密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管流場(chǎng)流速加快，溫度提高了150 ℃，但熔深并未增加，觀察熔池流動(dòng)發(fā)現(xiàn)熔池表面的大部分流體依然是從中心流向邊緣。當(dāng)焊接電弧由無(wú)活性劑區(qū)向有活性劑區(qū)移動(dòng)時(shí)，僅僅電壓略有升高1.5 V，此時(shí)焊接熱輸入有所增加，但同時(shí)表面張力溫度系數(shù)會(huì)相應(yīng)減小，因此，焊縫熔深并未出現(xiàn)明顯增加。作者通過(guò)對(duì)比模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)電弧收縮對(duì)熔寬有一定的影響，但對(duì)熔深的增長(zhǎng)作用并不明顯，表面張力梯度變化才是不銹鋼熔深增加的主要原因。

Bo Qin等人［12］在異種鎂合金活性焊數(shù)值模擬中觀察到熔池流動(dòng)呈錠狀，在熔池中心的上表面形成從熔池中心向周?chē)鲃?dòng)，而后沿著熔池邊界向下流動(dòng)，靠近焊縫中心線時(shí)又向中心匯集，在兩側(cè)形成了兩個(gè)從中心向四周流向的小渦流。外觀表現(xiàn)為熔深大，焊縫窄，焊縫邊緣出現(xiàn)兩個(gè)類似咬邊的凹槽。作者認(rèn)為表面張力梯度的改變是形成這種流動(dòng)方式的原因，但模擬結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果都未就電弧收縮進(jìn)行表征。

Sahoo等人［13］根據(jù)熱力學(xué)基本關(guān)系和吸附等溫式，提出表面張力為溫度與活度的二元函數(shù)，該函數(shù)已用于眾多的模擬仿真中并得到與實(shí)驗(yàn)相符的結(jié)果。然而，這些模擬研究均忽略了熔池內(nèi)活性元素分布不均產(chǎn)生的影響。樊?。?4］在其提出的AATIG焊方法中，因電弧熱分布不均導(dǎo)致熔池表面溫度梯度發(fā)現(xiàn)非均勻變化，熔池表面O元素分布同樣表現(xiàn)出不均勻性。為此，建議將焊接熔池表面O元素的分布模式分別與熔池表面溫度和位置建立關(guān)聯(lián)。運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，兩種情況的模擬結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為符合，其中O元素與熔池表面溫度有關(guān)的這一假設(shè)更符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究中發(fā)現(xiàn)，熔池表面的O元素改變表面張力是AA-TIG焊熔池形貌窄且深的本質(zhì)原因，熔池內(nèi)部氧的含量及分布對(duì)表面張力無(wú)顯著影響。

Pourmand等［15］借助開(kāi)發(fā)的三維CFD模型深入探討了304不銹鋼活性焊接過(guò)程中的傳熱、流體流動(dòng)、凝固、等離子弧效應(yīng)、Marangoni對(duì)流、磁流體力學(xué)以及氧化物粒子軌跡。預(yù)測(cè)了304L不銹鋼ATIG焊熔池形狀、溫度分布、氧化物顆粒浸入熔池后的流動(dòng)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)路徑。Marangoni對(duì)流和洛倫茲力被認(rèn)為是對(duì)A-TIG焊接流場(chǎng)和熔池形狀形成至關(guān)重要的因素，尤其Marangoni對(duì)流的影響更為明顯，是電磁力的2倍。氧化物顆粒軌跡的數(shù)值結(jié)果表明，大多數(shù)顆粒會(huì)被滯留在焊縫熔池中。在熔池表面不同位置釋放的許多顆粒當(dāng)中，約有70%的顆粒最終沉積在焊縫橫截面的下半部分。

黃勇［16］對(duì)鋁合金交流A-TIG焊熔深增加機(jī)理的研究認(rèn)為，活性劑改變?nèi)鄢乇砻鎻埩μ荻炔皇瞧淙凵钤黾拥闹饕颉Ｋㄟ^(guò)構(gòu)建移動(dòng)熱源作用下的交流熔池三維數(shù)學(xué)模型，分析活性劑涂層對(duì)模型邊界條件和源項(xiàng)的影響。認(rèn)為，鋁合金材料表面張力很小且易氧化，粘度不高，因此熔池表面的Marangoni對(duì)流受到表面張力梯度變化的影響相對(duì)較弱；此外，熔池表面的Marangoni對(duì)流與熔池內(nèi)部由電磁力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流之間的相互作用也弱，難以通過(guò)引入活性元素來(lái)改變?nèi)鄢乇砻鎻埩μ荻?，使其流?dòng)反向，從四周向中心流動(dòng)。

3 數(shù)值模擬在活性焊接殘余應(yīng)力及變形方面的應(yīng)用

由于焊接過(guò)程中溫度分布的不均，導(dǎo)致材料在不同溫度下的膨脹率和收縮率的差異，從而形成了復(fù)雜的三維殘余應(yīng)力。對(duì)這類復(fù)雜的三維殘余應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算是相當(dāng)困難的，以往憑借焊接應(yīng)力-應(yīng)變的經(jīng)驗(yàn)公式處理一些簡(jiǎn)單問(wèn)題，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，如今，關(guān)于焊接變形和應(yīng)力數(shù)值分析的研究已經(jīng)發(fā)展為一門(mén)新的學(xué)科——“計(jì)算機(jī)焊接力學(xué)”。日本的上田幸雄等人［17］首次在有限元法的基礎(chǔ)上，提出了一種熱彈塑性分析理論，該理論綜合考慮材料的機(jī)械性能與溫度的相關(guān)性，使得復(fù)雜的動(dòng)態(tài)焊接應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的分析成為可能。

Pavan等［18］利用有限元模型（FEM）估算了ATIG焊接316LN不銹鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力分布，其目的是評(píng)估焊接熱循環(huán)和各種硬化模型對(duì)焊接殘余應(yīng)力分布的影響。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果可知，焊縫金屬體積對(duì)焊接殘余應(yīng)力的分布有顯著影響，同時(shí)，各種硬化模型的結(jié)果與通過(guò)A-TIG工藝焊接接頭的X射線衍射和基于超聲LCR測(cè)量獲得的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)吻合良好，證明了殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)精度主要取決于硬化模型。圖8為不同模型預(yù)測(cè)單程A-TIG焊接接頭的縱向和橫向殘余應(yīng)力的分布。由圖可知，熔合區(qū)的拉伸殘余應(yīng)力相對(duì)低于熱影響區(qū)（HAZ）。究其原因，可能是熔化區(qū)相成分之間的溫度梯度、熱膨脹系數(shù)不匹配的相對(duì)差異，也可能是HAZ中明顯的局部應(yīng)變硬化差異造成的。

圖8 不同模型預(yù)測(cè)單程A-TIG焊接接頭的縱向和橫向殘余應(yīng)力分布Fig.8 Longitudinal and transverse residual stress distribution in single-pass A-TIG weld joint predicted by various models

目前，活性焊接中應(yīng)用數(shù)值分析進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)變預(yù)測(cè)的研究鮮有報(bào)道，但數(shù)值分析在預(yù)測(cè)焊接變形和應(yīng)力的預(yù)測(cè)已有了一整套成熟的理論。A Bachorski等人提出了收縮體積法的焊接變形有限元預(yù)測(cè)理論［19］，該方法對(duì)焊接變形的主要驅(qū)動(dòng)力做了另一番假設(shè)，以金屬受熱膨脹為主驅(qū)動(dòng)力并對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的變形問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果較為精確，證明該理論有一定的可行性，但它對(duì)焊接殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確。從20世紀(jì)90年代起，連續(xù)統(tǒng)力學(xué)理論進(jìn)入焊接研究人員的視野，它被用來(lái)解決一些線性、對(duì)稱和確定的問(wèn)題［20］。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，材料的非線性往往不可忽略，這就要求在對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行熱力模擬時(shí)需結(jié)合有限差分或有限單元法。

此外，在焊接數(shù)值模擬中，如何提高焊接數(shù)值模擬精度及效率一直是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一。焊接熱源、網(wǎng)格的劃分以及并行有限元計(jì)算技術(shù)被認(rèn)為是焊接力學(xué)模擬中的關(guān)鍵問(wèn)題。關(guān)于焊接變形可采用粗網(wǎng)格和短熱源兩種方法進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)力問(wèn)題采用細(xì)網(wǎng)格和短熱源計(jì)算。

4 數(shù)值模擬在活性焊接中活性劑過(guò)渡方面的應(yīng)用

陰極斑點(diǎn)常見(jiàn)于鋁鎂合金交流TIG焊的熔池表面，因其具有電流密度大、溫度高、尋找氧化膜的特點(diǎn)，正離子會(huì)在陰極電場(chǎng)作用下高速撞擊氧化膜，使得氧化膜破碎、分解而被清理掉，具有清除氧化膜的作用。因此研究陰極斑點(diǎn)在熔池表面的產(chǎn)生及衍化情況有利于表征熔池表面電流密度分布和溫度場(chǎng)變化過(guò)程，對(duì)不同活性元素在熔池進(jìn)表面的過(guò)渡行為，進(jìn)而控制活性元素進(jìn)入熔池及陰極清理作用具有重要意義［21］。

蘭州理工大學(xué)［22］研究發(fā)現(xiàn)，分別使用氧化物活性劑（TiO2、SiO2、MnO2）和鹵化物活性劑（MnCl2、CaF2）對(duì)熔池表面陰極斑點(diǎn)數(shù)量、大小及速度都會(huì)產(chǎn)生不同影響。當(dāng)使用氧化物活性劑時(shí)陰極斑點(diǎn)的速度和數(shù)量都增加，而鹵化物活性劑正好相反，除TiO2外，陰極斑點(diǎn)數(shù)量不再隨電弧呈線性變化。圖9為不同活性劑一周期內(nèi)陰極斑點(diǎn)衍化的過(guò)程，橫坐標(biāo)代表陰極斑點(diǎn)遠(yuǎn)離熔池中心的距離，縱坐標(biāo)為陰極斑點(diǎn)在陰極表面特定位置上的數(shù)量占比。不同于普通的TIG焊，活性劑粉末在熔池表面沉積并在電弧的熱作用下形成焊渣，使得陰極斑點(diǎn)更易依附焊渣產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)。SiO2與錳化物活性劑條件下熔池表面沉積的焊渣就是導(dǎo)致陰極斑點(diǎn)數(shù)量和速度產(chǎn)生變化的主要原因。而氧化物活性劑則容易在熔池表面形成氧化膜進(jìn)而導(dǎo)致陰極斑點(diǎn)變化。

圖9 使用不同活性劑時(shí)同一周期內(nèi)陰極斑點(diǎn)衍化行為Fig.9 Cathode speckle evolution behavior in the same period with different active fluxes

此外，活性元素經(jīng)過(guò)電弧高溫作用容易發(fā)生電離，進(jìn)入熔池影響焊接性能。以TiO2為例，通過(guò)對(duì)電弧軸線上熔池表面上方1 mm處光譜分析，TiO2在熔池表面存在原子態(tài)。在低于1 350 ℃時(shí)，鋁原子和鈦原子發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生金屬間化合物Al3Ti。這種金屬間化合物會(huì)增強(qiáng)熔池粘度，同時(shí)對(duì)焊縫起到彌散強(qiáng)化作用，使得焊縫抗拉強(qiáng)度提高。另一方面，使用TiO2活性劑時(shí)，作用在熔池上的電弧力和電磁力更強(qiáng)，熔池流動(dòng)加劇，更多熱量隨著熔池流動(dòng)被帶到熔池邊緣和底部，導(dǎo)致在這些區(qū)域形核困難。

目前活性焊接對(duì)于焊縫組織、力學(xué)性能的研究不少但多集中于實(shí)驗(yàn)測(cè)量，應(yīng)用數(shù)值模擬探究活性焊接過(guò)程中活性元素的過(guò)渡方式及化學(xué)反應(yīng)的深層原因才是未來(lái)的發(fā)展方向。

5 發(fā)展趨勢(shì)與展望

盡管活性焊接技術(shù)出現(xiàn)得較早，但其快速發(fā)展只出現(xiàn)在近30年，活性劑增加焊縫熔深的機(jī)理一直為人們所困擾。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使得數(shù)值模擬手段不斷完善，為深入了解焊接過(guò)程中發(fā)生的現(xiàn)象提供了一種有效的工具。

（1）關(guān)于活性元素引入增加熔深的機(jī)理，目前主要集中在活性元素對(duì)熔池表面張力溫度系數(shù)以及熔池流動(dòng)的影響規(guī)律的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析上，而關(guān)于活性元素在電弧-熔池耦合系統(tǒng)中的過(guò)渡行為及其影響的定量分析還很缺乏，這尤其表現(xiàn)在活性元素在電弧中的過(guò)渡行為和在熔池表面的吸附行為上。即使關(guān)于活性元素如何影響熔池金屬表面張力和流動(dòng)行為的機(jī)理，當(dāng)前的研究也主要集中在活性元素O或S對(duì)不銹鋼熔池金屬的影響上，很少有針對(duì)其他母材金屬和活性劑的深入討論。因此，針對(duì)實(shí)際焊接工藝過(guò)程構(gòu)建活性元素在電弧-熔池耦合系統(tǒng)中的完整過(guò)渡模型，定量分析基于熔池表面實(shí)際形貌的熔池流動(dòng)行為，這是深入理解活性元素引入增加熔深的關(guān)鍵，也是開(kāi)發(fā)新型活性焊接方法以控制焊縫成形和質(zhì)量的基礎(chǔ)。

（2）目前，關(guān)于活性元素引入如何影響焊縫性能和焊縫表面成形機(jī)理的研究還不夠深入。加強(qiáng)探究活性元素在低溫凝固階段中的冶金行為及其對(duì)熔池金屬相變過(guò)程、熔渣行為和焊縫性能的影響規(guī)律和機(jī)理，將促進(jìn)活性元素引入精細(xì)控制技術(shù)和新型活性焊接方法的創(chuàng)新發(fā)展，推動(dòng)活性焊接方法的工業(yè)應(yīng)用。