王卓然，曾敏

先進焊接與連接

TC4合金等離子–MIG復(fù)合焊過程溫度場的數(shù)值模擬

王卓然，曾敏

（華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510641）

研究TC4合金在等離子-MIG復(fù)合焊（plasma–MIG hybrid welding）過程中的溫度場特性，探究不同電弧功率對熔池形貌的影響。進行了2組4 mm TC4合金板堆焊試驗，根據(jù)實驗結(jié)果提出了一種改進的復(fù)合熱源模型并進行了相應(yīng)的仿真分析。仿真與實驗獲得的焊縫截面相吻合；等離子電流的增大使熔池尺寸增大且余高減小，等離子電弧功率的變化對熔池寬度的影響相對較小。等離子–MIG復(fù)合電弧對工件的熱作用非常集中，更易實現(xiàn)深熔焊、焊接效率更高；所提出的熱源模型適用于TC4合金等離子–MIG復(fù)合焊溫度場模擬。

等離子–MIG復(fù)合焊；模擬與仿真；溫度場；鈦合金

鈦和鈦合金具備的低密度、高比強度、良好的耐腐蝕性以及抗疲勞等優(yōu)良性能，在航空航天、石油化工、生物醫(yī)療和核工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]。但鈦合金機械加工性差、熔化溫度高、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點，單一能量束焊接技術(shù)如TIG焊[6-7]、MIG焊、電子束焊[8-10]和激光束焊[11-14]等難以實現(xiàn)深熔焊，限制了其應(yīng)用。

復(fù)合焊技術(shù)可以克服常規(guī)焊接方法的局限性從而提高鈦合金焊接的質(zhì)量及效率，目前針對鈦合金復(fù)合焊的研究工作主要以激光-電弧復(fù)合焊為主，但該方法仍存在對裝配精度要求嚴(yán)格、易產(chǎn)生咬邊等不足[15-17]。而同軸等離子–MIG復(fù)合焊技術(shù)結(jié)合了等離子弧焊以及MIG焊的優(yōu)點，其電弧由內(nèi)部的MIG電弧和外圍的等離子電弧組成，外圍的等離子電弧不僅會對焊絲和母材進行預(yù)熱和后熱，而且能夠影響熔滴的受力和電流分布，使其擁有熔覆效率高、熱影響區(qū)窄等優(yōu)勢[18-21]。截至目前，國內(nèi)外均未見鈦合金同軸等離子–MIG復(fù)合焊的相關(guān)報道。

文中在等離子-MIG復(fù)合焊傳熱過程理論分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新型復(fù)合熱源模型，進行了堆焊實驗以及相應(yīng)的仿真模擬，并從焊縫截面、熔池形狀和熱循環(huán)曲線3個方面對模擬結(jié)果進行了對比分析。通過所建立的有限元模型能夠進一步分析鈦合金等離子–MIG復(fù)合焊過程中的傳熱機制，從而優(yōu)化復(fù)合焊接工藝。

1 實驗材料、設(shè)備與方法

實驗中采用的母材與焊絲材料均為TC4合金，其中母材尺寸為100 mm×100 mm×4 mm，焊絲直徑為1.2 mm。本文使用的同軸等離子–MIG復(fù)合焊系統(tǒng)（PLAZER PW–HYBRID TC）如圖1a所示，該系統(tǒng)包含同軸復(fù)合焊槍、等離子電源、MIG電源以及控制平臺等設(shè)備。等離子–MIG復(fù)合焊槍結(jié)構(gòu)如圖1b所示，等離子噴嘴和等離子電極包圍著位于中心的MIG導(dǎo)電嘴，其中包含中心氣、等離子氣和保護氣3種氣體。等離子氣經(jīng)過壓縮形成等離子電弧，中心氣和保護氣用于輔助復(fù)合電弧成形以及保護熔池。

圖1 等離子–MIG復(fù)合焊系統(tǒng)（a），等離子–MIG復(fù)合焊示意圖（b）

在焊接實驗開始之前，先使用機械手段去除鈦合金表面的金屬氧化物，再使用丙酮清理工件表面油污，以保證焊接質(zhì)量。文中進行了a、b等2組4 mm TC4合金板堆焊實驗，2組實驗的等離子電流分別設(shè)置為80 A和60 A，其余工藝參數(shù)相同。其中，MIG電流為130 A，焊接速度為0.5 m/min，焊槍與工件距離為5 mm，中心氣、等離子氣和保護氣都為氬氣，流量分別為3.5、6、25 l/min。焊接實驗結(jié)束后，對試樣進行線切割、打磨、拋光、腐蝕，以觀察焊縫及熔池的宏觀形態(tài)。

2 有限元分析與熱源模型

文中使用ABAQUS進行仿真研究，開發(fā)了一組針對TC4合金平板堆焊溫度場分析的三維有限元模型。如圖2所示，仿真模型a和b分別按照實驗a、b的測量結(jié)果進行建模。所建立的有限元模型考慮了TC4合金熱物理性質(zhì)隨溫度的變化，并采用移動的熱源模型來描述等離子–MIG復(fù)合電弧對工件的熱作用。

針對等離子–MIG復(fù)合電弧的耦合特性以及鈦合金的性質(zhì)，文中提出了一種改進的新型復(fù)合熱源模型，如圖3所示。該模型由上下兩部分組成，其中上半部分為雙橢球體熱源[22]，下半部分為改進的圓錐體熱源模型[23-24]。將MIG電弧和等離子電弧的有效功率相加再重新分配到不同的模型形成組合熱源，新的熱源模型能夠準(zhǔn)確地反映焊接過程中等離子-MIG復(fù)合電弧對TC4合金平板堆焊的熱作用。

圖2 三維有限元模型

圖3 復(fù)合體熱源模型

在同軸等離子-MIG復(fù)合焊過程中存在的電弧偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象會影響熔滴過渡和焊縫成形，從而導(dǎo)致熔池形貌的不對稱[25]。文中通過將組合熱源的下半部分向軸偏移Δ的方式來描述等離子–MIG復(fù)合焊中的磁偏吹現(xiàn)象，其中偏移量Δ參考的是實際熔池測量結(jié)果中熔池頂部與熔池底部中心點的差值，該體熱源的熱流分布如下列公式所述：

式中：表示等離子–MIG復(fù)合電弧對工件總的熱輸入功率，m/p、m/p、m/p分別為熱效率系數(shù)、電弧電壓和焊接電流，下標(biāo)m和p分別表示MIG電弧和等離子電弧；模型中m和p分別設(shè)為70%和50%。

上半部分：

式中：f和r分別為前、后半橢球的熱流密度；f/r、、和f/r為雙橢球體熱源中的分布參數(shù)。

下半部分：

式中：v為改進的圓錐體熱流密度；圓錐體上、下表面的軸坐標(biāo)分別為e和i，半徑分別為e和i，為與之相關(guān)分布參數(shù)[11]；0是熱源在軸方向的分布參數(shù)；為工件的厚度；Δ為偏移量，當(dāng)Δ>0時，復(fù)合熱源朝軸正方向（即實驗中磁偏吹方向）偏轉(zhuǎn)；為時間；0為焊接速度；1/2為能量分布系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

圖4為實驗a中焊縫截面與其他3組不同仿真模型的結(jié)果對比，其中仿真a采用了生死單元技術(shù)，仿真對比1未采用生死單元技術(shù)，仿真對比2忽略了余高的影響，三者使用的熱源模型相同。對于仿真對比1而言，余高部分在熱源加載之前就已經(jīng)建立，減少了母材受熱，使得熔池的仿真結(jié)果變小。而仿真對比2忽略了余高，更多的熱量傳遞到母材底部，導(dǎo)致熔池形態(tài)偏大。如圖4所示，仿真a的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，說明在TC4合金板堆焊過程的溫度場仿真過程中，余高部分的處理方式對仿真結(jié)果有較大的影響。

圖4 實驗a中焊縫截面與仿真結(jié)果對比

Fig.4 Comparison between experimental and simulated results of weld cross-section in Experiment a

為了驗證上述模擬方法的適用性，文中進行了實驗b以及相應(yīng)的仿真實驗，兩者焊縫截面的對比如圖5所示。表1為熔池頂部、底部寬度以及偏移量Δ實驗與仿真結(jié)果的對比。比較實驗a、b結(jié)果可知，當(dāng)?shù)入x子電流由80 A降為60 A時，熔池在頂部和底部的寬度分別減小了7.20%和7.99%而余高增加了18.22%，說明等離子電流的變化對余高的影響比熔寬更為明顯。在等離子–MIG復(fù)合焊過程中，磁偏吹現(xiàn)象會導(dǎo)致熔池向電弧偏轉(zhuǎn)方向略微傾斜，偏移量隨著等離子電流的增大而減少，這是因為復(fù)合電弧的功率增加、穿透力更強，使得熔池底部更寬從而減小了偏移量Δ。2組實驗和仿真結(jié)果都具有很好的一致性，說明文中提出的復(fù)合熱源模型能夠準(zhǔn)確地描述等離子–MIG復(fù)合焊過程中復(fù)合電弧對TC4合金板的熱輸入情況。

圖5 實驗b中焊縫截面與仿真結(jié)果對比

Fig.5 Comparison between experimental and simulated results of weld cross-section in experiment b

圖6為焊接開始第6.00 s，仿真實驗a、b中工件頂部、中部、底部溫度場與熔池尺寸的對比。由圖6可知，余高的加載對溫度分布有一定的影響。在工件頂部，熱源需要同時向隨之生成的余高單元以及母材傳熱，因此熔池呈現(xiàn)類似子彈的形狀。隨著遠離工件上表面，余高部分的影響逐漸減弱，熔池形態(tài)也由水滴形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形。當(dāng)?shù)入x子電流減小25%時，熔池長度的減少率隨著熔池由頂部到底部逐漸增加，最大為13.3%。而熔池寬度的變化相對于熔池長度小很多，這說明由外圍等離子電弧與中心MIG電弧組成的復(fù)合電弧對工件的熱輸入非常集中，更易實現(xiàn)深熔焊、焊接效率更高。

圖6 工件頂部、中部以及底部溫度場及熔池尺寸比較

表1 熔池頂部、底部寬度以及偏移量Δ實驗與仿真結(jié)果對比

圖7為仿真模型a與b中，測試點、、以及其關(guān)于焊縫中心的對稱點′、′、′的熱循環(huán)曲線圖，、、點與焊縫中心的距離分別為7.5、8.5、19.5 mm。由圖7可知，雖然在等離子-MIG復(fù)合焊中存在的電弧偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象會導(dǎo)致余高和熔池向一側(cè)傾斜使得焊縫形貌不對稱，但是焊縫兩側(cè)的溫度差相對于工件本身的溫度并不明顯，而且隨著遠離焊縫中心逐漸減小。另外，當(dāng)?shù)入x子電流從80 A減小到60 A時，焊縫兩側(cè)因磁偏吹引起的溫度差略有增大，這可能是由于偏移量Δ因等離子電弧功率減小而增加（如表1所示）而導(dǎo)致的。

圖7 A、B、C點以及其關(guān)于焊縫中心的對稱點A′、B′、C′的熱循環(huán)曲線

4 結(jié)論

1）實驗與仿真結(jié)果表明，所提出的復(fù)合熱源模型結(jié)合生死單元技術(shù)能準(zhǔn)確地描述等離子-MIG復(fù)合電弧對TC4合金平板堆焊的熱作用，通過引入偏移量Δ從而能描述等離子-MIG復(fù)合焊過程出現(xiàn)的電弧偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。但相對于工件本身的溫度，因磁偏吹產(chǎn)生的溫度差并不明顯。

2）在TC4合金板堆焊仿真過程中，余高單元的加載會影響模型溫度場的分布，隨著遠離工件上表面，熔池形態(tài)由類子彈形轉(zhuǎn)變?yōu)樗涡?，最終在工件底部呈橢圓形。

3）隨著等離子電流的增大，焊縫余高減小、熔池尺寸增大。但是等離子電弧功率的變化對熔池寬度的影響相對較小，這表明等離子-MIG復(fù)合電弧對工件的熱作用非常集中，更易實現(xiàn)深熔焊、焊接效率更高。

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Simulation of Temperature Field in Plasma-MIG Hybrid Welding of TC4 Alloy

WANG Zhuo-ran, ZENG Min

(School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

In order to investigate the temperature field of TC4 alloy during plasma MIG hybrid welding and the effect of arc power on weld pool shape, an improved hybrid body heat source model is proposed, which is capable of accurately characterizing the heat input of the hybrid arc on workpieces. Experiments on 4 mm Ti-6AL-4V plates in plasma-MIG hybrid welding surfacing and a corresponding simulation analysis were conducted. The calculated results of weld cross-section are in good agreement with the experimental results. The results show that, as plasma current increases, the size of the weld pool increases and the weld reinforcement decreases; the plasma arc power has less effect on the width of the weld pool. It is easier to fulfill deep penetration welding and high welding efficiency in plasma-MIG hybrid welding of Ti-6AL-4V alloy.

plasma-MIG hybrid welding; modeling and simulation; temperature field; titanium alloy

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.012

TG457.19

A

1674-6457(2022)010-0085-06

2022-01-17

廣東省自然科學(xué)基金（2021A1515011773）

王卓然（1993—），男，碩士生，主要研究方向為焊接過程的數(shù)值模擬及控制。

曾敏（1970—），男，博士，副教授，主要研究方向為數(shù)字化電源及智能控制。