焊接保護氣同軸快速混氣裝置的設計與優化

李方亮, 程尚華, 武少杰, 程方杰,2

(1.天津大學 材料科學與工程學院, 天津 300350; 2.天津市現代連接技術重點實驗室, 天津 300350)

奧氏體不銹鋼焊縫金屬內鐵素體含量和形態會顯著影響其性能[1-3]。與金屬元素Ni相比,N也是一種強奧氏體化元素,一定程度上N可以代替Ni添加到不銹鋼中作為奧氏體穩定元素。通過保護氣體添加N2是一種靈活方便調控焊縫鐵素體含量的方法[4]。Tseng等[5]研究發現在304型不銹鋼焊縫金屬中,隨著焊接保護氣中N2含量的增加,焊縫金屬的N含量顯著增加,鐵素體數(ferrite number, FN)隨之降低。Shankar等[6]研究發現,對于316L型不銹鋼,Ar中N2體積分數由0到0.4%,其焊縫N的質量分數從0.036%增加到0.07%,鐵素體含量從2.7降低到1.7,凝固模式從FA/AF變化到AF。趙洋等[7]研究發現,N的加入會阻礙鐵素體向奧氏體轉變過程中的相界面遷移,加速奧氏體的成核和生長。304L不銹鋼GTAW熔覆金屬中的鐵素體含量隨氬氮混合氣中N2百分比增大而減小[8-9]。

利用氣體加N2的方法來控制不銹鋼的鐵素體含量,二元氣體配比精度等問題至關重要,文獻[10-12]分別采用不同的研究方法設計了混合氣體配比裝置,但是上述研究僅停留在固定配比的靜態氣體成分測定層面,沒有討論對動態氣體配比的分析與研究。文獻[13-15]提出了一種焊接保護用Ar+CO2自動閉環配比系統的設計方案但未驗證。

工業生產中一般采用固定配比的氣瓶供給焊接保護氣。某些場合下也會采用帶有一個小型混氣罐的氣體配比器來調整焊接過程中的氣體比例。由于混氣罐的存在,混氣過程的響應時間就比較長,而且難以精確控制焊接保護氣的配比。因此,傳統的氣體配比器難以滿足不銹鋼現場焊接頻繁調節N2百分比的要求。針對奧氏體不銹鋼焊接調控鐵素體含量的這一特殊需要,本文設計了一種不帶儲氣罐的快速混合裝置,并利用計算流體力學軟件ANSYS FLUENT對其進行了模擬計算和優化。

1 同軸混氣裝置的設計

本文設計的同軸混氣裝置基于最簡單的三通管件。一個三通管中,2個管口分別輸入2種不同的氣體,第3個管口即可輸出兩者的混合氣。但是如果某一氣體的流量遠小于另一氣體,就會受另一氣體紊流作用的影響,無法保證出口氣體配比的穩定。為了解決這個問題,本文在普通三通管的基礎上,將小流量的N2入口的前端設計成一個縮徑的細管,并使其保持與混氣管同軸布置,從而實現快速、平穩混氣的效果,圖1為其結構示意圖。

圖1 同軸混氣裝置結構示意Fig.1 Physical model of coaxial gas mixer

由于常用的氣體成分測定儀器測定的是靜態氣體成分,無法實時監控在使用過程中的動態N2含量變化規律,本文利用ANSYS FLUENT軟件,對該混氣過程進行仿真研究。

參考圖1,仿真中設定Ar管長為0.1 m,N2管長和混氣管長都為1.0 m,這3個導氣管的直徑為D;同軸送氣管的直徑為2.0 mm;其前端距三通交匯處距離為伸入長度為L。

定性的分析可知,同軸送氣管的伸入長度L會影響N2流的穩定性,進而改變出口氣體成分的穩定性,管徑D則是影響氣體流速的重要因素之一,會影響二元氣體的混合時長。故本文對同軸快速混氣裝置的優化主要考慮這2個關鍵參數。

觀測選取同軸混氣裝置橫截面的N2摩爾分數云圖,用以研究伸入長度L對N2氣流擾動的影響,觀測出口N2摩爾分數均值及出口云圖,用以研究混合氣成分穩定性和均勻性;觀測出口N2摩爾分數及其波動范圍,研究管徑D對混氣時長和出口混合氣均勻度的影響。為了與傳統配比器進行對比,還單獨構建了帶有10L混氣罐的氣體配比器的仿真模型。

對各尺寸結構進行網格劃分時,整體網格均采用結構化的六面體網格,最小網格質量都在0.6以上,符合流體計算要求。

2 同軸混氣過程的數學模型

模擬計算采用基于壓力的求解器和瞬態計算方法,數學模型采用k-ε湍流模型與物質輸運模型。

2.1 標準k-ε湍流模型

湍動能k和耗散率ε的傳輸方程分別為:

(1)

(2)

(3)

Pk=μtS2

(4)

(5)

式中:k和b為湍流動能,J;ε為湍流擴散系數;t為時間,s;xi為i方向空間坐標;ui為速度矢量在i方向的分量,m/s;T為溫度,K;ρ為氣體密度,kg/m3;μ為氣體粘度,kg/(m·s);S為平均應變率張量的模;gi為重力在i方向的分量,N;模型參數C1=1.44,C2=1.92,C3=0.09,Cμ=0.09,σk=1.0;σg=1.3;Prt=0.85;i=1,2,3。

2.2 物質輸運模型

由于該氣體混合模型流動介質含有N2和Ar共2個組分,因此采用雙組元物質輸運模型[16-17]。對于無反應混合組分,選擇化學物質守恒方程計算,采用Fluent軟件通過第n種物質對流擴散方程預測其質量分數ωn。Ar、N2成分-化學物質守恒方程為:

(6)

式中:Ji為物質擴散通量,由濃度梯度產生;Ri為化學反應凈產生速率;Si為離散相和定義的源相導致的額外產生速率。由于不考慮N2和Ar的化學反應,只考慮兩者混合,因此Ri和Si均取0,只研究湍流擴散通量Ji,i=1,2,3。

2.3 邊界條件及初始條件

氣體入口采用速度入口邊界條件,氣體物理參數及速度值如表1～3所示。

表1 入口氣體物理性能與其流量Table 1 Physical properties and flow rate of inlet gas

不同管徑D的一組取值如表2中1～3組所示,并保持伸入長度50 mm、Ar流量F=20 L/min、N2流量f=0.2 L/min不變,此時的理論N2百分比恒定為0.99%。

表2 不同管徑D取值及對應Ar流速V和N2流速vTable 2 Different D values and corresponding V and v

不同伸入長度的一組,保持管徑D=10 mm、Ar流量F=20 L/min、N2流量f=0.2 L/min不變,入口流速見表2第2組,伸入長度L取0、10、30、50 mm,刪除隔斷和送氣管的普通3通作對照組。

不同N2百分比的一組,保持管徑D=10 mm、伸入長度為50 mm、氬氣流量F=20 L/min、氬氣流速V=4.24 m/s不變,改變N2流量,取值如表3所示。

表3 不同N2百分比N2流量f及其流速v取值Table 3 Values of N2 flow rate f and corresponding v

初始狀態下,計算域內設置為靜態空氣,溫度為300 K,出口壓力為標準大氣壓101 325 Pa,壁面給定無滑移壁面。瞬態計算的時間步長為0.1 s,每個時間步的最大迭代步為50步,以保證計算收斂。

3 焊接驗證試驗與結果分析

為了驗證所設計的同軸混氣裝置效果,設計了一組不同N2百分比的填絲GTAW焊接試驗,母材為厚度3.0 mm的304L不銹鋼板,填充焊材為Φ1.2 mm的308L實芯焊絲;焊接電流I=200.0 A,電壓U=14.0 V,焊接速度v=8.0 mm/s,Ar流量F=20 L/min,送絲速度為14.5 mm/s。保護氣體Ar中添加不同含量的N2(變化范圍0～0.6 L/min,每次增加0.1 L/min)。總共進行了7組試驗,焊后測量熔覆金屬的FN,觀察顯微金相組織,對比分析N2添加量對FN和微觀組織的影響來驗證該混氣裝置的有效性。

在模擬瞬態計算過程中,設立一個觀測指標為出口N2摩爾分數面積加權平均值,繪圖時簡記為:出口N2摩爾分數均值,用以分析氣體混合時長、混合氣成分穩定性以及改變N2流量后的動態響應速度。截取穩定后的橫截面及出口N2摩爾分數云圖輔助分析。

3.1 同軸混氣裝置結構優化

3.1.1 導氣管直徑對混氣時間的影響

導氣管包括Ar管、N2管和混氣管,在討論Ar管尺寸時,主要關注的是其對Ar流速的影響,即Ar排凈空氣的快慢。當Ar管直徑為16 mm時,Ar的流速最低,為1.66 m/s,但仍遠大于N2流速,在極短的時間就可以完成排凈空氣的過程。所以在本節討論時,對Ar管尺寸的影響忽略不計,主要討論的是N2管徑對混氣時長的影響,以及混氣管徑對混氣均勻度的影響。圖2為不同管徑的同軸混氣結構,在起始混氣階段的出口N2摩爾分數均值,從圖中可見,隨著管徑增大,出口N2摩爾分數達到理論值0.99%的時間增長,這是由于N2管徑增大,N2流速減低,其排凈N2管中空氣的時間增長。

圖2 管徑對混氣時間影響Fig.2 The influence of pipe diameter on mixing time

圖3為同軸混氣裝置管徑對混氣區域氣體分布云圖的影響規律,x軸以同軸送氣管出口為零點。雖然N2流主體穩定在混氣管中心位置,但是仍有少量N2分布在混氣管上方。一方面,這是因為N2流受到反彈Ar氣流的托舉作用,向上部聚集;另一方面,N2的相對原子質量小于Ar,也會出現“上浮”的現象。

圖3 管徑對氣體混合過程影響規律Fig.3 Influence of pipe diameter on gas mixing process

圖4為同軸混氣裝置管徑與長度對氣體均勻性的影響規律。不同管徑下,N2摩爾分數最大值、均值、最小值均隨長度的增大而接近,即混氣管的長度越大,氣體的均勻度越高。管徑越大,最值和均值接近所需的長度越大,比如以達到相同的1%相對誤差范圍為準,8 mm管徑所需長度為600 mm,10 mm管徑需要700 mm,而16 mm管徑則需要950 mm。即混氣管的管徑越大,氣體均勻化的過程越難。

圖4 管徑對混氣距離影響規律Fig.4 Influence of pipe diameter on mixing distance

圖5為不同管徑情況下,混氣達到穩定后的出口處管截面上的N2摩爾分數云圖。隨著混氣管直徑的增大,出口N2、Ar的混合均勻程度變差,混氣管直徑為8和10 mm時,混合氣成分較為均勻,而管徑為16 mm時,N2靠近邊緣分布,這與圖3、4所示規律相關:管徑為16 mm時,不僅有少量N2受Ar的托舉作用向上運動,而且氣體均勻化難度大,最終仍會出現有N2分布在出口上邊緣的情況。如果繼續增大混氣管長度,這一問題將有所改善。

圖5 管徑對穩定后的出口氣體均勻性影響規律Fig.5 Influence of pipe diameter on gas uniformity at outlet after stabilization

圖6為不同管徑情況下,混氣達到穩定后出口的N2摩爾分數。盡管N2含量的平均值基本一致,但是隨著導氣管直徑的增大,出口處N2摩爾分數的波動范圍加大,混氣管直徑為8和10 mm時,出口N2摩爾分數的波動值較小,16 mm時則顯著增加,即隨著管徑的增加,混合氣的成分均勻性在變差。

圖6 管徑對穩定后的出口N2摩爾分數值影響規律Fig.6 Influence of pipe diameter on the value of N2 mole fraction at outlet after stabilization

為了獲得較快的氣體配比速度和足夠的氣體配比均勻度,需要選取較小的管徑,但是管徑過小又會增大同軸送氣管的對中難度,綜合考慮,選擇8～10 mm直徑的管徑較為理想。

3.1.2 同軸送氣管長度對氣體混合過程的影響

圖7展示出了同軸送氣管伸入長度對混氣區域氣體分布云圖的影響規律,x軸以三通交匯處為零點。其中,圖7(a)是不帶同軸送氣管的普通三通結構模擬結果。普通三通中N2大部分都被阻隔在左側的N2管區域中,主要是從底部以被Ar卷入的方式帶入到混氣管中。當增加了同軸送氣管后,氣體混合過程將發生明顯變化。同軸送氣管的伸入長度L為0(即同軸送氣管出口位于三通交匯處)時,N2氣流受Ar氣流的沖擊影響,明顯向混氣管底部集中;當伸入長度L為10 mm時,N2流又受到反彈Ar氣流的托舉作用,明顯在混氣管上部聚集;隨著伸入長度L延長到30 mm,同軸送氣管出來的N2逐漸穩定在了混氣管的軸心附近,隨著氣體的流動,逐漸擴散均勻,當伸入長度L為50 mm,整個混氣過程已變的較為平穩。

圖7 伸入長度對氣體混合過程影響規律Fig.7 Influence of extension length on gas mixing mode

圖8為不同伸入長度下,達到相對穩定后的出口N2摩 爾分數隨時間變化曲線,普通三通出口N2百分比隨時間波動最為劇烈,L=10 mm的結構次之,而L=0的結構N2摩爾分數均值波動范圍偏離了理論設定值(0.99vol.%N2),只有當L增大到30～50 mm后,N2摩爾分數才能穩定在0.99%附近并保持較小波動。

圖9為不同伸入長度下,出口N2摩爾分數云圖,當伸入長度L=0時,出口氣體成分最不均勻,普通三通氣體較為均勻,但偏離理論設定值(0.99%N2)較大,伸入長度L=10,30,50 mm時的氣體均勻性較好。

圖9 伸入長度對穩定后的出口氣體均勻性影響規律Fig.9 Influence of extension length on gas uniformity at outlet after stabilization

在討論同軸送氣管長度的同時可以發現,Ar管軸心與同軸送氣管出口的相對位置也在發生改變,即從Ar的角度而言,其軸心位置距同軸送氣管出口的距離越大,Ar流對混氣過程造成的波動越小,出口氣體的成分越穩定、越均勻。

綜合考慮混氣區域氣流的平穩程度、出口氣體成分穩定性和出口氣體成分均勻性,應選擇較大的伸入長度,同時從整體結構的緊湊性考慮,伸入長度又不宜過大,所以選擇L為30～50 mm較為理想。

3.2 同軸混氣與傳統氣體配比器的對比

3.2.1 混氣時間的對比

設計10L傳統配比器作為對照并進行仿真模擬,其模擬條件與同軸混氣裝置相同,采用標準k-ε湍流模型和物質輸運模型,邊界條件采用20 L/minAr+0.2 L/minN2的組合,初始計算域為靜態空氣、溫度為300 K,出口壓力101 325 Pa,壁面為無滑移壁面。

圖10為導氣管直徑D=10 mm的同軸混氣裝置與傳統配比器的出口N2摩爾分數均值隨時間變化曲線,同軸混氣裝置約30 s即可達到理論設定值(即0.99% N2)并保持穩定。而傳統帶混氣罐的氣體配比器不僅混氣時間長,并且無法保持穩定,而是在0.94%～1.06%范圍內不規則波動,波動幅度為理論設定值(0.99%N2)的12.1%。

圖10 同軸混氣裝置與傳統氣體配比器混氣時間對比Fig.10 Comparison of mixing time between coaxial gas mixer and traditional gas mixer

同軸混氣裝置與傳統帶混氣罐的氣體配比器裝置在開始通氣階段,都需要將其內部的空氣排凈,不同的是,同軸混氣裝置排出的主要是N2管中的空氣,其排氣速度與N2流速和N2管體積相關,而傳統帶混氣罐的氣體配比器排出的則是混氣罐內的空氣,排氣速度取決于Ar流速和混氣罐體積。雖然Ar流速大于N2,但混氣罐體積遠大于N2管體積,因此同軸混氣裝置混氣時長小于傳統混氣罐。

所以從提高實際生產效率、增大N2、Ar的配比速度、提高出口N2百分比穩定性3方面而言,本文研究的同軸混氣裝置比傳統氣體配比器更具優勢。

3.2.2 動態調節速度的對比

在保持Ar入口流速不變的前提下,增大N2入口的流速,由原來的0.2 L/min分別調整為0.4、0.6、0.8、1.0 L/min,穩定后再調整回0.2 L/min,對比2種結構的動態響應速度。繪圖時,類似于0.2 L/min→0.4 L/min→0.2 L/min的動態調節過程簡記為0.4 L/min,對應曲線如圖11(a)、(b)所示。圖11(a)為同軸混氣裝置改變N2流量后,出口N2摩爾分數均值隨時間變化曲線,N2流量的變化量對其動態響應速度影響很小,在測試范圍內基本都在0.8 s的時間內就可以穩定達到設定值。

圖11 同軸混氣裝置與傳統氣體配比器調節速度對比Fig.11 Comparison of dynamic response time between coaxial gas mixer and traditional gas mixer

而圖11(b)展示出的傳統帶混氣罐的氣體配比器則需要通過Ar的流動更新其內部的氣體,一段時間后才能基本完成增大N2百分比的動態調節過程,且在調節之后,N2摩爾分數均值存在劇烈波動。特別是在N2含量較低時,(對應的N2流量為從0.2 L/min調整到0.4 L/min),在整個調整過程中都有較大的波動,即N2含量越低,這種帶儲氣罐的氣體配比器穩定性越差,難以滿足不銹鋼焊接的需要。

在動態切換過程中,本文研究的同軸混氣裝置響應速度遠快于傳統帶混氣罐的氣體配比器,且出口N2含量更加穩定,尤其是在N2含量較低、傳統配比器波動幅度較大的情況下,同軸混氣裝置仍能保持穩定,證明其更適用于在不銹鋼焊接過程中動態調節保護氣N2含量。

3.3 改變N2含量對焊縫鐵素體含量的影響試驗

圖12給出的是利用所設計的同軸混氣裝置改變N2流量來動態調控氮氬混合氣中N2百分比進行GTAW焊接試驗的結果。試驗結果表明,固定Ar流量及其他焊接參數不變,隨著N2流量的增加,奧氏體不銹鋼熔覆金屬中鐵素體含量FN有規律的降低,表明保護氣中N2含量發生了規律性的升高,這與理論預測和前期的試驗結果都吻合良好。所設計的同軸混氣裝置確實起到了通過在焊接過程中動態調控焊接保護氣中N2百分比來調控不銹鋼焊縫FN的作用。

圖12 N2流量對FN影響規律Fig.12 Influence of N2 flow rate on FN

圖13展示了受同軸混氣裝置調控,不同N2流量下的不銹鋼熔覆金屬顯微金相組織。在1 000倍放大倍數下統計鐵素體相的寬度,結果如圖14所示。

圖13 N2流量對熔覆金屬顯微組織影響規律Fig.13 Effect of N2 flow rate on microstructure of cladding metal

圖14 N2流量對熔覆金屬鐵素體尺寸影響規律Fig.14 Effect of N2 flow rate on ferrite size of cladding metal

綜合圖13和14的統計結果,δ鐵素體的摩爾分數和尺寸均隨N2流量的增大而減小,這很好地吻合了FN測定結果,進一步表明,本文設計的同軸混氣裝置有效地調控了保護氣N2含量,進而實現了對奧氏體不銹鋼熔覆金屬鐵素體含量和形貌的控制作用。

4 結論

1)所設計的同軸混氣裝置,可以通過調節導氣管的管徑和同軸送氣管的伸入長度來實現混合氣的均勻配比,導氣管的直徑越小,出口氣體成分達到穩定的時間越短,出口氣體均勻度越高,N2含量的波動越小,同軸送氣管伸入的長度越長,混氣區域N2流越平穩、出口氣體成分穩定性和均勻性也越高。

2)所設計的同軸混氣裝置,模擬比較常用的1.0%N2摩爾分數混合過程時,出口處N2百分比可以在30 s內穩定達到設定值,其響應時間遠小于傳統配比器,且混合氣體N2含量保持穩定;在N2百分比的動態調控過程中,同軸混氣裝置響應速度快、出口處的N2含量沒有產生劇烈波動,可以滿足工程實際中對氣體含量進行實時調整的需要。

3)304L奧氏體不銹鋼平板GTAW堆焊試驗表明,隨同軸混氣裝置輸入端N2流量的增加,熔覆金屬鐵素體的含量和尺寸均發生減小,表明該結構成功實現了對氬氮混合氣中N2含量的準確調控,進而達到了靈活控制不銹鋼熔覆金屬微觀組織的目的。