張超，胡慶賢，繆俊彥，王曉麗，宋揚(yáng)

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(yáng)2

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

研究等離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊過(guò)程的熔池流體行為。綜合考慮傳熱學(xué)以及流體動(dòng)力學(xué)，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?jìng)鳠崮Ｐ?，用雙橢球熱源表征GMAW電弧傳熱并考慮熔滴傳熱，同時(shí)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(duì)復(fù)合焊過(guò)程中熔池的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行研究，模擬脈沖電流為150 A時(shí)復(fù)合焊熔池的流體行為，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(guò)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(diǎn)，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(qiáng)，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(jìn)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(jià)值。但是，對(duì)等離子弧焊+纜式焊絲GMAW復(fù)合焊的傳熱和熔池行為機(jī)理的研究仍處于初步階段。為此，文中采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)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(guò)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(duì)2個(gè)熱源進(jìn)行了復(fù)合，雖然對(duì)不同的焊絲與鎢極間距產(chǎn)生的電弧進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了不同的溫度場(chǎng)，但是卻忽略了等離子電弧與GMAW電弧之間的耦合作用對(duì)熱源參數(shù)的影響。徐菁華等[5]對(duì)等離子弧焊+GMAW焊槍在焊接過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)分析結(jié)果改善了焊槍的性能?；艉｝圼6]對(duì)旁軸式等離子弧焊+GMAW焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，但研究沒(méi)有涉及熔池流場(chǎng)和小孔的動(dòng)態(tài)行為。樸圣君[7]對(duì)等離子弧焊+MIG/MAG復(fù)合焊焊接過(guò)程中電弧和熔池的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。Hertel等[8]計(jì)算了電弧、熔滴和熔池的相互影響，隨著焊接實(shí)驗(yàn)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(huì)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(guò)程的熔池流體行為，開(kāi)展了GMAW復(fù)合焊熱源模型研究，分析了脈沖電流對(duì)焊縫成形過(guò)程中流體行為的影響，并通過(guò)焊縫宏觀形貌與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用母材為304不銹鋼板，尺寸為300 mm× 200 mm×12 mm。實(shí)驗(yàn)使用型號(hào)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(jìn)行焊接。

文中僅研究GMAW脈沖電流為150 A時(shí)對(duì)304不銹鋼板熔池流體行為的影響。在本次實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)為16 mm，保護(hù)氣體是氬氣，GMAW保護(hù)氣流量為20 L/min，等離子氣體流量為2.8 L/min。通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)比研究等離子+纜式焊絲脈沖GMAW復(fù)合焊過(guò)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(jì)算模型并進(jìn)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(jiǎn)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(guò)程中，將遵循質(zhì)量守恒、能量守恒、動(dòng)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(duì)其進(jìn)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(jìn)行復(fù)合來(lái)描述等離子弧焊熱輸入，再外加一個(gè)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(lái)自于2個(gè)電弧和熔滴，且各個(gè)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(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果影響很大。因此，在對(duì)等離子+纜式焊絲GMAW復(fù)合焊進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，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(duì)UDF進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，運(yùn)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(duì)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(shí)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(dú)特的熱質(zhì)傳輸過(guò)程。

3.1 脈沖平均電流為150A時(shí)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(guò)程見(jiàn)圖2。=0.02 s時(shí)（見(jiàn)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(yùn)動(dòng)。=0.16 s時(shí)（見(jiàn)圖2b），GMAW脈沖電流處于峰值階段，電流密度相對(duì)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(zhǎng)大并相連成共熔池。=0.25 s時(shí)（見(jiàn)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(gè)獨(dú)立的熔池。=0.41 s時(shí)（見(jiàn)圖2d），隨著熔池內(nèi)液態(tài)金屬的不斷增多，金屬堆積越來(lái)越高，兩熔池之間重新相連為一個(gè)大的共熔池，并開(kāi)始出現(xiàn)液態(tài)金屬的交換。熔池不斷長(zhǎng)大的過(guò)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(dòng)熔池表面液態(tài)金屬?gòu)闹行南蜻吘壛鲃?dòng)。=0.55 s時(shí)（見(jiàn)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(shí)（見(jiàn)圖2f），GMAW脈沖電流再次轉(zhuǎn)到了峰值階段，此時(shí)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(dòng)，部分液態(tài)金屬有填充匙孔趨勢(shì)。隨著焊接過(guò)程的不斷進(jìn)行，在電弧熱作用和熔滴熱焓作用下，兩電弧對(duì)應(yīng)熔池均經(jīng)歷生成、長(zhǎng)大過(guò)程，最終逐漸達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，進(jìn)入準(zhǔn)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(duì)復(fù)合焊熔池形成周期性長(zhǎng)大和縮小，形成獨(dú)特的熱質(zhì)傳輸過(guò)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(shí)，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(guò)程見(jiàn)圖3。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，焊絲端部熔滴經(jīng)過(guò)長(zhǎng)大、脫落及過(guò)渡過(guò)程，熔滴脫落下落過(guò)程中速度增加，達(dá)到熔池時(shí)速度達(dá)到最大，對(duì)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(guò)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(duì)應(yīng)熔池表面凹陷。隨著焊接過(guò)程的不斷進(jìn)行，在電弧熱作用和熔滴熱焓作用下，熔池在經(jīng)歷變大過(guò)程后，逐漸達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的焊接過(guò)程，熔池進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段。

圖2 復(fù)合焊熔池縱截面的演變過(guò)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(guò)程

圖4a和b給出了各個(gè)時(shí)刻復(fù)合焊熔池橫斷面的演變過(guò)程，直觀地展現(xiàn)了不同時(shí)刻復(fù)合焊面熔池的演變過(guò)程。焊接開(kāi)始后，熔池體積隨著脈沖峰值與脈沖基值的來(lái)回變化也在不斷擴(kuò)大縮小。圖4c和d給出了復(fù)合焊熔深與匙孔的演變過(guò)程，直觀地展現(xiàn)了不同時(shí)刻復(fù)合焊面熔深與匙孔深度的對(duì)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(guò)程

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

數(shù)值模擬是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，為了保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要結(jié)合焊接實(shí)驗(yàn)實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。圖5給出了計(jì)算的焊縫形貌以及焊后實(shí)際焊縫橫截面對(duì)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(cè)量值與計(jì)算值。通過(guò)對(duì)比可知，數(shù)值模擬得到的熔深比測(cè)量值略深，熔寬和余高比測(cè)量值略小，最大誤差不超過(guò)4%，基本符合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高了其可信度。

圖5 實(shí)際焊縫界面

表1 脈沖模式GMAW復(fù)合焊的焊縫橫截面測(cè)量值與計(jì)算值對(duì)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(jì)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(jì)算熔池形貌與實(shí)際焊后形貌進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)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(diǎn)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(duì)GMAW復(fù)合焊熔池流體行為進(jìn)行仿真。

2）在GMAW脈沖平均電流為150 A時(shí)，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(guò)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果和焊縫實(shí)測(cè)值，模擬得到的熔深比測(cè)量值略深，熔寬和余高比測(cè)量值略小，最大誤差不超過(guò)4%，說(shuō)明模擬結(jié)果準(zhǔn)確，提高了其可信度。

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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(guó)家自然科學(xué)基金（51675249）；江蘇省高等學(xué)校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（19KJB460011）；常州市科技局項(xiàng)目（CJ20190028）；江蘇省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（蘇教科[2021]1號(hào)）

張超（1987—），男，博士生，講師，主要研究方向?yàn)楹附淤|(zhì)量控制。

胡慶賢（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)椴牧铣尚文M、高效焊接。

責(zé)任編輯：蔣紅晨