基于電弧偏轉的等離子-MIG復合焊熱源模型

黃繼明, 金成

(大連交通大學，遼寧 大連 116028)

0 前言

等離子-MIG復合焊是將2種不同的熱源復合在一起，使其同時作用于同一個加工位置，通過2種不同熱源之間的相互作用，以及熱源與工件之間的相互作用完成焊接過程。這種復合焊方法達到了取長補短的效果[1]，不但發揮了2種焊接熱源的優勢，而其還相互彌補了缺點，從而達到了“1+1>2”的效果。這種方法克服了MIG/MAG弧焊存在的焊縫熔深淺，焊接速度較慢、焊接變形大等缺點[2]，形成了高效、高質量的焊接方法，具有焊縫熔深大、焊接速度快、能量更加集中、焊接飛濺小、成形質量高等優點[3]。

近年來，數值模擬技術在焊接過程中的應用越加廣泛，同時也是焊接技術未來發展的一個重要方向。電弧作為焊接熱源，直接影響焊接溫度及焊后組織結構和性能，因此對焊接電弧進行模擬研究時十分重要的。然而，復合焊過程中，電弧作用機理復雜，精確地給出復合焊時的熱源模型是進行數值模擬的重要前提。王波等人[4]在對等離子-TIG耦合電弧進行圖像采集并將圖片進行偽彩色增強處理后，直觀的觀察到了耦合電弧的多種特征。李培麟等人[5]通過修改熱源模型參數的方式，將電弧偏轉角引入到了多絲埋弧焊的數值模擬研究中，增加了多絲埋弧焊模擬結果在磁偏吹的現象，此現象會導致等離子弧體在焊接過程中發生偏轉。同時隨著等離子體電弧的增加，電弧的偏轉逐漸減小。此外，還說明了磁偏的準確性。Lee等人[6]通過試驗證實了在等離子-MIG焊過程中存吹現象會導致焊接過程發生不對稱咬邊現象，直接影響焊接質量。Yang等人[7]通過模擬及試驗也證實了等離子-MIG復合焊電弧之間的相互作用機制會影響復合電弧的溫度分布，同時這種相互作用機制還會使電弧穩定性明顯提高，而且等離子體電流越大，相互作用越強，電弧越穩定。上述研究中均說明了復合焊過程中電弧間的相互作用對復合焊接過程有著重要的影響，但在等離子-MIG復合焊模擬研究中缺少能夠反映這一電弧相互作用機制的熱源模型，這對精確模擬等離子-MIG復合焊的物理過程帶來了一定制約。

文中在結合等離子-MIG復合焊電弧的形態觀測，與相互作用分析的基礎上，優化了等離子-MIG復合焊熱源模型，同時應用有限元分析軟件對復合焊接溫度場進行模擬計算，為研究復合電弧耦合機理、偏轉電弧對溫度場產生的影響及優化復合焊焊接工藝提供依據。

1 試驗材料與試驗方法

采用密度7.85 g/cm3，厚度12 mm的SMA490BW板材作為母材進行焊接，選取30°角坡口進行對接。試驗采用旁軸式等離子-MIG復合焊接系統進行焊接，系統包括等離子焊接電源、MOTOMAN HP-20D機械手、TPS5000CMT焊機等部件。焊接過程中，等離子弧在前，垂直于工件表面，MIG電弧在后，與等離子弧呈18°。等離子弧在前，起到預熱工件與增加熔深的作用，MIG電弧在后，填充熔池進行填絲焊接，其中工件表面等離子弧軸線與MIG焊絲之間的距離為6 mm。

具體焊接方法原理如圖1所示，采用的主要焊接工藝參數見表1。

表1 焊接工藝參數

圖1 焊接方法原理

焊接過程中，采用高速攝像設備對復合電弧形態進行圖像采集及觀測。焊接試驗結束后，用線切割機沿垂直焊縫截面方向切取試樣，將試樣表面污漬用丙酮洗凈后利用砂紙進行打磨，經過拋光器拋光后用5%的硝酸酒精對試樣進行腐蝕，腐蝕時間5 s，觀察焊縫及熔池的宏觀形態。

2 焊縫成形與耦合電弧形態

通過觀察焊接接頭截面的宏觀形貌及焊縫成形如圖2所示。可以看出，焊縫成形良好，焊趾部位過渡平滑，各個焊道之間以及焊道與母材之間完全熔合且熔合良好，沒有發現氣孔、夾雜，裂紋等焊接缺陷。

圖2 焊縫截面及焊縫正、背面形貌

利用高速攝像設備對焊接過程中等離子-MIG復合焊過程中復合電弧進行圖像采集，采集完成的復合電弧灰度圖像如圖3所示。運用MATLAB軟件并通過偽彩色增強處理技術對灰度圖像進行偽彩色增強處理，得到復合焊電弧的偽彩色增強圖像，如圖4所示。

圖3 復合電弧灰度圖像

圖4 復合電弧偽彩色增強圖像

通過仔細觀察復合電弧灰度圖像及偽彩色增強處理圖像，可以看出等離子弧與MIG電弧之間存在明顯的磁偏吹現象，此現象會導致兩電弧之間發生相互排斥或吸引，促使電弧發生偏移，進而改變電弧熱-力在工件上的分布。在復合焊中，等離子弧與MIG電弧采用了相反的接法，等離子電弧電流采用直流正接，MIG電弧電流為反接，所以兩電弧電流方向相反產生了相互排斥的洛倫茲力，這種相互排斥的作用提高了等離子弧的挺度，能夠產生更大的熔深。

3 熱源模型改進

由于等離子-MIG復合焊是由2種焊接方法相結合而成，所以單一的熱源模型無法準確的對焊接熱過程進行計算，因此要選取多種熱源模型結合到一起的復合熱源模型進行數值模擬。其中單一MIG焊溫度場的數值模擬，選取雙橢球熱源模型更為合理，其模型如圖5所示。

圖5 雙橢球熱源模型

其熱源模型公式為：

(1)

(2)

式中：qf,qr分別為前、后半橢球的熱流密度；ff,fr為前、后半橢球能量分配系數；ηm為焊接熱效率；Um,Im分別為MIG電弧電壓、焊接電流；af,ar分別為前后半橢球的軸長；b為熔寬的一半；c為熔深。

單一高能等離子束溫度場的數值模擬則選取高斯錐體熱源模型，如圖6所示。

圖6 高斯錐體熱源模型

其熱源模型公式為:

(3)

(4)

式中：ze為倒錐體上表面厚度方向坐標；zi為倒錐體下表面厚度方向坐標；re為倒錐體上表面有效加熱半徑；ri為倒錐體下表面有效加熱半徑；r0(z)為隨厚度方向逐漸衰減的加熱半徑；ηp為等離子焊接熱效率；Up,Ip分別為等離子的電弧電壓、焊接電流。

將這2種熱源模型結合在一起，就得到了典型的等離子-MIG復合焊組合熱源模型，如圖7所示。

圖7 組合熱源模型

通過對復合焊電弧形態的觀察及試驗研究發現，為了使等離子-MIG復合焊的數值模擬結果更加準確，磁偏吹現象是必須考慮的，因此將電弧偏轉現象加入到數值模擬過程中是最為關鍵的一步。

由于2電弧之間存在洛倫茲力相互排斥的現象，所以在2電弧發生耦合之前，等離子弧和MIG電弧會分別在沿焊接方向的前后方向上發生不同程度的偏移。其中由于等離子弧挺度高于MIG電弧，所以在宏觀上表現出等離子弧的偏移程度小于MIG電弧。文中將偏轉前后MIG電弧中心線之間的夾角定義為MIG電弧偏轉角α，定義偏轉前后等離子弧中心線之間的夾角為等離子弧偏轉角β，對復合電弧流場進行模擬分析后測量發現，電弧偏轉角度最大可達45°。隨后對熱源公式進行優化，將電弧偏轉角合理的引入熱源模型中，如圖8所示。

圖8 組合熱源模型

經過偏轉角度修正后的熱源模型公式如式(5)所示；修正后的雙橢球熱源模型公式如式(6)所示。

(5)

(6)

式中：α為MIG電弧偏轉角度；qf,qr分別為前、后半橢球的熱流密度；ff,fr為前、后半橢球能量分配系數；ηm為焊接熱效率；Um,Im分別為MIG電弧電壓、焊接電流；af,ar分別為MIG焊前后半橢球的軸長；b2為MIG焊熔寬的一半；c2為MIG焊熔深。

修正后的高斯錐體熱源模型公式：

(7)

(8)

式中：β為等離子弧偏轉角度；a為倒錐體上表面有效加熱半徑；b為倒錐體下表面有效加熱半徑；c為等離子焊熔深；r0(z)為隨厚度方向逐漸衰減的加熱半徑；ηp為等離子焊接熱效率；Up,Ip分別為等離子的電弧電壓、焊接電流。

4 溫度場模擬計算

4.1 模型建立及網格劃分

首先利用ABAQUS軟件按1∶1的比例建立工件模型，由于對接接頭具有對稱性，因此對接接頭模型只需建立1/2即可。后將建立好的模型導入Hypermesh軟件中對其進行網格劃分。為了滿足等離子-MIG復合焊溫度場計算的準確性，此處采取了過渡式的網格劃分，焊縫處及近縫區域采用較細的劃分，最小網格尺寸為0.5 mm，而遠離焊縫的區域采用了相對較大的網格劃分，網格尺寸為4 mm。在過渡區節點的單元能轉變退化生成過渡單元，如圖9所示。

圖9 對接接頭

4.2 材料屬性及載荷的設置

試驗材料為SMA490BW耐候鋼，由于該試驗只計算溫度場，因此為了提高計算效率只需添加密度、熱導率、比熱容等屬性即可滿足試驗要求，計算中采用了溫度相關的材料屬性，見表2。

表2 熱導率及比熱容

選擇載荷類型為體熱源，同時設置初始溫度邊界條件為室溫293 K。根據用戶自定義熱源子程序提交計算，得出計算結果。

在多道焊過程中，實際上存在焊絲填充的過程，想要同時精確模擬焊縫填充過程、熔池形成及溫度場分布是非常復雜的，因此在該試驗中采用生死單元法進行處理，且暫不考慮坡口對熱源的影響。

為了使結果更加明顯，采取多組焊接參數進行計算，且每組參數都分別采用原熱源公式與優化后的熱源公式進行模擬計算，得出多組計算結果。

4.3 計算結果與分析

根據優化前后的2種熱源模型進行溫度場數值模擬結果，取焊縫截面處溫度場云圖如圖10所示。圖中灰色區域為沿焊縫方向上焊接熔池形態，通過對比觀察可以看出優化后熱源公式計算結果中等離子弧的匙孔效應比原始熱源公式的計算結果更加明顯，在沿焊縫方向上熔池形態也發生了較明顯的變化，可以看出MIG焊熔池與等離子弧形成的匙孔之間區分更加明顯，MIG焊熔池的熔深及熔池長度均發生了一定程度的縮小，熔池形態更接近真實焊接熔池。

圖10 溫度場云圖對比(沿焊縫方向)

圖11為垂直焊縫方向上溫度場云圖，圖中灰色部分為垂直焊縫方向上焊接熔池形態。通過這2組圖可以看出在垂直焊縫方向上，熔寬同樣發生了一定變化，但其變化程度不大，說明磁偏吹引發的電弧偏轉現象主要發生在沿焊縫方向上，而在垂直焊縫方向上影響不大。

圖11 溫度場云圖對比(垂直焊縫方向)

測量焊接接頭的焊縫尺寸，選取最大偏轉角度45°時的計算結果與原始熱源公式計算結果分別于實際焊縫尺寸進行對比，得出熱源優化前后模擬結果與實際尺寸之間的誤差，見表3。由表3可知，熱源公式優化前后模擬結果熔池尺寸均與實際工件相近，優化前計算結果誤差率在3.3%～5.4%之間，而優化后計算結果誤差率在1.7%～4.2%之間。由此可以看出，優化后的熱源相較于原始熱源計算結果誤差更小，計算結果更準確，更加貼近實際焊縫尺寸。

表3 模擬結果與實際工件比較

5 結論

(1)在仔細觀察等離子-MIG復合焊耦合電弧形態的基礎上，證實了復合焊電弧在焊接過程中確實由于磁偏吹現象發生了偏轉。

(2)通過模擬結果之間的相互比較，可以看出電弧偏轉現象主要發生在沿焊縫方向上，而在垂直焊縫方向上并沒有很明顯的偏轉現象發生。

(3)修正后的熱源公式計算結果與實際焊縫吻合度更高，結果更為準確，說明修正后的熱源模型能夠較好地描述復合焊的物理過程，這對優化其焊接工藝參數具有一定的實際應用價值。