基于計算流體力學的等離子-電弧復合焊數(shù)值模擬

郭強軍，金成

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1 序言

復合熱源焊接是由兩種或以上的熱源通過合理的組合來完成焊接過程的焊接技術(shù)，其優(yōu)勢在于發(fā)揮不同熱源的優(yōu)點，達到取長補短的效果[1]。等離子弧焊具有熔深大、焊接效率高的優(yōu)點；而金屬極惰性氣體保護焊（MIG）的特點在于熔敷效率高、焊縫成形好。等離子-MIG復合焊可以將兩者結(jié)合，發(fā)揮各自特點，具有穩(wěn)定高效、焊絲熔化速度快、氣孔少及接頭質(zhì)量高等優(yōu)點[2，3]。根據(jù)等離子弧與MIG電弧的相對位置不同，可將等離子-MIG復合焊分為旁軸式和同軸式[4]。同軸式等離子-MIG復合焊方法出現(xiàn)的較早，在同軸式等離子-MIG復合焊接中，等離子弧與MIG電弧處于同一軸線上，MIG電弧被等離子弧所包圍，盡管具備一般復合焊的優(yōu)點，然而過大的MIG電流依然會影響復合電弧的穩(wěn)定性[5，6]。在旁軸式等離子-MIG復合焊中（見圖1），等離子弧與MIG電弧前后放置，在高速焊接過程中尾隨焊槍軸線[7]，等離子弧憑借高溫和電弧壓力在工件內(nèi)產(chǎn)生匙孔，MIG電弧熔化焊絲填充焊縫。在焊接過程中等離子極和MIG電極間產(chǎn)生的電磁力，可有效地保持等離子弧的穩(wěn)定性和挺度，增加了等離子弧的熔深，且在MIG焊填充焊縫前對母材有很好的預熱作用，而隨后的MIG電弧主要起到熔敷作用，高效地填充焊縫，與單一MIG焊相比，熔深更好更穩(wěn)定，且保證了焊接速度的提升。

圖1 旁軸式等離子-MIG復合焊示意[7]

SUN等[8]基于旁軸式等離子-MIG復合焊熱輸入及熔滴過渡特性，建立了復合焊熱源模型，并對復合焊溫度場進行了模擬計算。HAN等[9]通過分析復合電弧形態(tài)、電弧伏安特性以及焊接接頭成形等因素研究了旁軸式等離子-MIG復合焊中復合電弧的作用機制，結(jié)果表明，等離子弧對于MIG電弧有壓縮作用。由于在等離子-MIG焊中，等離子弧與MIG電弧處于同一個電磁空間及導電氣氛中，其電弧間相互作用機制復雜，難以通過試驗進行直接測試。

本文針對等離子-MIG復合熱源，將等離子弧與MIG電弧看作導電磁流體，創(chuàng)建等離子-MIG復合焊電弧的三維模型，依托計算流體力學及麥克斯韋方程組，在流體力學范疇內(nèi)，對電弧之間產(chǎn)生的電磁場相互作用進行計算，分析對比不同焊接參數(shù)對復合焊接電弧的等離子體運動速度和電弧溫度場等的影響，為制定和優(yōu)化復合焊接工藝，以及研究耦合電弧相互作用行為提供理論依據(jù)。

2 等離子-MIG復合焊數(shù)學模型

2.1 基本假設(shè)

對等離子-M I G復合焊的數(shù)學模型提出以下假設(shè)。

1）電弧等離子體是光學薄的，浮力、重力忽略不計。

2）等離子體處于局部熱平衡狀態(tài)。

3）電弧為層流狀態(tài)。

4）不考慮焊絲熔化和熔滴過渡。

在進行假設(shè)后，能夠運用以下基本方程對復合電弧進行描述[10]。

2.2 控制方程

基于上述假設(shè)，可將復合電弧看作一種導電磁流體，其能量守恒方程滿足以下關(guān)系，即

式中ρ——流體密度（kg/m3）；

cP——流體比熱（J/（kg·K））；

T——溫度（K）；

k——熱傳導系數(shù)（W/mK）；

SH——能量源項（W）。

對于電弧能量方程的能量源項SH，在忽略等離子體重力、浮力所做功及黏性耗散條件下，其包括歐姆熱PO、輻射能量PR以及帶電粒子所攜帶的能量PE，即

焊接時，電子由陰極區(qū)進入弧柱等離子區(qū)，而將電子所攜帶的這部分能量表示為

式中KB——波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）；

e——電子電量（1.6×10-19C）；——電流密度（A/m2）；

Te——電子溫度（K）。

電弧的質(zhì)量守恒方程為

式中t——時間（s）；

對于不可壓縮流體，其動量守恒方程為

式中——流體所受單位體力（N/m3）；

——靜壓（Pa）；

μ——流體黏性（m2/s）。

電弧等離子體由自由帶電粒子構(gòu)成，帶電粒子在電磁場中的運動會受到電磁力（洛倫茲力）的影響，其關(guān)系為

2.3 計算模型與邊界條件

選用帶坡口角接頭形式，采用Hypermesh軟件進行復合焊一體化焊槍及角接頭的幾何建模與網(wǎng)格劃分?？紤]到等離子-MIG復合焊的電極相對位置，簡化的軸對稱模型并不符合實際工況，故以焊槍三維模型和實際焊接位置為基礎(chǔ)建立計算模型。模型計算域尺寸約為56mm×32mm×72mm。鎢極約束噴嘴內(nèi)徑為3mm，內(nèi)縮量為3mm。焊絲與鎢極所在軸線水平距離約為6mm。劃分網(wǎng)格時采用分步劃分方法，先劃分復雜形狀的區(qū)域，再劃分形狀簡單的區(qū)域。由于電弧區(qū)域溫度高且變化大，故采用較細密的網(wǎng)格，以能夠計算出更準確的溫度梯度；為了提高計算效率，在遠離電弧的區(qū)域采用尺寸大的網(wǎng)格。根據(jù)一體化焊槍實際尺寸建立的幾何模型及網(wǎng)格劃分分別如圖2、圖3所示。

圖2 幾何模型

圖3 等離子-MIG計算模型網(wǎng)格劃分

在計算過程中，設(shè)定焊絲截面電流密度為正，鎢極截面電流密度為負，兩截面溫度恒定不變；保護氣體入口流速恒定不變，介質(zhì)為氬氣；為保證順利引弧，焊接母材表面為零電勢，溫度為5000K。氬氣性質(zhì)參數(shù)取自相關(guān)文獻[11]。模型邊界參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 模型邊界參數(shù)設(shè)定

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 復合電弧溫度場

采用建立的模型，計算中的主要工藝參數(shù)包括等離子電流、MIG電流、離子氣流量和保護氣流量，具體數(shù)值見表2。通過計算得出電弧區(qū)域的溫度場和流場等重要結(jié)果。

表2 等離子-MIG復合焊焊接參數(shù)

翼板夾角為20°，且通過鎢極軸線平面的截面溫度場和流體速度場分布如圖4所示。從圖4可看出，等離子-MIG復合焊的復合電弧狀態(tài)穩(wěn)定，最高溫度超過28000K，流體最大速度達到690m/s。等離子流高速運動的主要能量來自于電磁力F，根據(jù)式（5）可知電磁力是由磁場強度和電流密度決定，由于噴嘴的壓縮和氬氣的冷卻隔離作用，使等離子弧的電流密度增大，而磁場強度也與電流密度相關(guān)，因此在壓縮等離子弧的同時，增大等離子流速，使之對母材的沖擊力更大、穿透能力更強，可以達到增大焊接熔深的目的。

圖4 截面溫度場和流體速度場分布

3.2 等離子電流的影響

通過改變等離子電流進行數(shù)值求解，得到等離子電流對溫度場的影響，如圖5所示。通過計算結(jié)果可看出，電流的變化導致了復合電弧溫度分布變化，最高溫度也上升至37000K。根據(jù)式（2）可知電弧熱源項由歐姆熱、電子焓和熱輻射損失組成，增大電流會最終導致電弧熱源的增大。

圖5 等離子電流對溫度場的影響

采用不同等離子電流時，等離子極軸線上的電弧壓力和等離子速度曲線如圖6所示。增大等離子電流后，軸線上的速度峰值增大，但是變化趨勢依然為先快速增大到峰值后下降；電弧壓力的最大值和工件表面壓力也隨電流增加而增大。

圖6 等離子極軸線上的壓力和速度

電弧壓力分布曲線如圖7a所示，從曲線中可看出等離子極正下方（Z=0.027m）電弧壓力最大，且隨等離子電流增加而增大；在MIG極下方無明顯的弧壓波峰。電流密度分布曲線如圖7b所示，在等離子電流增大后，雙極下方的電流密度同時變大，驗證了雙弧之間有著密切的耦合關(guān)系。

圖7 焊縫縱向壓力和電流密度

3.3 等離子極氣體對焊接電弧的影響

在其他工藝參數(shù)不變的條件下，改變等離子氣體流量，得到復合電弧溫度分布云圖，如圖8所示。由圖8可知，等離子氣體流量增加后，鎢極附近等離子弧被冷卻壓縮，能量更加聚集，向四周擴散減弱，導致溫度分布變化；母材附近的溫度升高，高溫分布區(qū)間增大。當流量達6L/min后，復合電弧被等離子氣體隔斷成獨立的等離子電弧與MIG電弧。

圖8 等離子氣體流量對溫度場的影響

不同等離子氣體流量對應的等離子極軸線上的等離子運動速度和電弧壓力曲線如圖9所示。由圖9可知，等離子速度隨等離子氣流量的增加而有所增大，但依然為先快速增大到峰值后迅速下降，與增大等離子電流效果相似。通過等離子氣體冷卻壓縮效果，最終增大電磁力和電弧壓力。焊縫縱向的電流密度和電弧壓力曲線如圖10所示。由圖10可知，隨著等離子氣體流量的增大，等離子極（Z=0.027m）的電流密度值增大，而MIG極的電流密度不變，由此證明了離子氣體流量只影響等離子電弧的分布。

圖9 等離子極軸線上的速度和電弧壓力

圖10 焊縫縱向電流密度和電弧壓力

4 結(jié)束語

針對等離子-MIG復合電弧，運用FLUENT流體模擬軟件和力學方程組對電磁場進行建模和描述，并對三維模型進行計算。模擬結(jié)果顯示，復合電弧模型區(qū)域的溫度分布、等離子的運動速度以及電弧壓力受等離子電流和氣體流量等工藝參數(shù)的影響，并得到以下結(jié)論。

1）旁軸一體式等離子-MIG焊槍在適合的焊接參數(shù)下可以形成一個耦合良好的電弧。

2）等離子電流增大使電弧溫度、電弧壓力、等離子流速和焊縫根部電流密度也隨之增加。

3）隨等離子氣體流量增加，電弧壓力、等離子流速和電流密度隨之增加，但當流量過大時會影響復合電弧形態(tài)，甚至形成雙弧。