黃繼明, 金成

(大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028)

0 前言

等離子-MIG復(fù)合焊是將2種不同的熱源復(fù)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(fù)合焊方法達到了取長補短的效果[1]，不但發(fā)揮了2種焊接熱源的優(yōu)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(zhì)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(zhì)量高等優(yōu)點[3]。

近年來，數(shù)值模擬技術(shù)在焊接過程中的應(yīng)用越加廣泛，同時也是焊接技術(shù)未來發(fā)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(jié)構(gòu)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(fù)合焊過程中，電弧作用機理復(fù)雜，精確地給出復(fù)合焊時的熱源模型是進行數(shù)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(shù)的方式，將電弧偏轉(zhuǎn)角引入到了多絲埋弧焊的數(shù)值模擬研究中，增加了多絲埋弧焊模擬結(jié)果在磁偏吹的現(xiàn)象，此現(xiàn)象會導(dǎo)致等離子弧體在焊接過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。同時隨著等離子體電弧的增加，電弧的偏轉(zhuǎn)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(xiàn)象會導(dǎo)致焊接過程發(fā)生不對稱咬邊現(xiàn)象，直接影響焊接質(zhì)量。Yang等人[7]通過模擬及試驗也證實了等離子-MIG復(fù)合焊電弧之間的相互作用機制會影響復(fù)合電弧的溫度分布，同時這種相互作用機制還會使電弧穩(wěn)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(wěn)定。上述研究中均說明了復(fù)合焊過程中電弧間的相互作用對復(fù)合焊接過程有著重要的影響，但在等離子-MIG復(fù)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(fù)合焊的物理過程帶來了一定制約。

文中在結(jié)合等離子-MIG復(fù)合焊電弧的形態(tài)觀測，與相互作用分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了等離子-MIG復(fù)合焊熱源模型，同時應(yīng)用有限元分析軟件對復(fù)合焊接溫度場進行模擬計算，為研究復(fù)合電弧耦合機理、偏轉(zhuǎn)電弧對溫度場產(chǎn)生的影響及優(yōu)化復(fù)合焊焊接工藝提供依據(jù)。

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(fù)合焊接系統(tǒng)進行焊接，系統(tǒng)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(yù)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(shù)見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖1 焊接方法原理

焊接過程中，采用高速攝像設(shè)備對復(fù)合電弧形態(tài)進行圖像采集及觀測。焊接試驗結(jié)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(jīng)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(tài)。

2 焊縫成形與耦合電弧形態(tài)

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(fā)現(xiàn)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(shè)備對焊接過程中等離子-MIG復(fù)合焊過程中復(fù)合電弧進行圖像采集，采集完成的復(fù)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(shù)對灰度圖像進行偽彩色增強處理，得到復(fù)合焊電弧的偽彩色增強圖像，如圖4所示。

圖3 復(fù)合電弧灰度圖像

圖4 復(fù)合電弧偽彩色增強圖像

通過仔細觀察復(fù)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(xiàn)象，此現(xiàn)象會導(dǎo)致兩電弧之間發(fā)生相互排斥或吸引，促使電弧發(fā)生偏移，進而改變電弧熱-力在工件上的分布。在復(fù)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(chǎn)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(chǎn)生更大的熔深。

3 熱源模型改進

由于等離子-MIG復(fù)合焊是由2種焊接方法相結(jié)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(jié)合到一起的復(fù)合熱源模型進行數(shù)值模擬。其中單一MIG焊溫度場的數(shù)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(shù)；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(shù)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(jié)合在一起，就得到了典型的等離子-MIG復(fù)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(fù)合焊電弧形態(tài)的觀察及試驗研究發(fā)現(xiàn)，為了使等離子-MIG復(fù)合焊的數(shù)值模擬結(jié)果更加準確，磁偏吹現(xiàn)象是必須考慮的，因此將電弧偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象加入到數(shù)值模擬過程中是最為關(guān)鍵的一步。

由于2電弧之間存在洛倫茲力相互排斥的現(xiàn)象，所以在2電弧發(fā)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(fā)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(xiàn)出等離子弧的偏移程度小于MIG電弧。文中將偏轉(zhuǎn)前后MIG電弧中心線之間的夾角定義為MIG電弧偏轉(zhuǎn)角α，定義偏轉(zhuǎn)前后等離子弧中心線之間的夾角為等離子弧偏轉(zhuǎn)角β，對復(fù)合電弧流場進行模擬分析后測量發(fā)現(xiàn)，電弧偏轉(zhuǎn)角度最大可達45°。隨后對熱源公式進行優(yōu)化，將電弧偏轉(zhuǎn)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(jīng)過偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)；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(zhuǎn)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(wǎng)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(dǎo)入Hypermesh軟件中對其進行網(wǎng)格劃分。為了滿足等離子-MIG復(fù)合焊溫度場計算的準確性，此處采取了過渡式的網(wǎng)格劃分，焊縫處及近縫區(qū)域采用較細的劃分，最小網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，而遠離焊縫的區(qū)域采用了相對較大的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為4 mm。在過渡區(qū)節(jié)點的單元能轉(zhuǎn)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(shè)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(dǎo)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(guān)的材料屬性，見表2。

表2 熱導(dǎo)率及比熱容

選擇載荷類型為體熱源，同時設(shè)置初始溫度邊界條件為室溫293 K。根據(jù)用戶自定義熱源子程序提交計算，得出計算結(jié)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(fù)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(jié)果更加明顯，采取多組焊接參數(shù)進行計算，且每組參數(shù)都分別采用原熱源公式與優(yōu)化后的熱源公式進行模擬計算，得出多組計算結(jié)果。

4.3 計算結(jié)果與分析

根據(jù)優(yōu)化前后的2種熱源模型進行溫度場數(shù)值模擬結(jié)果，取焊縫截面處溫度場云圖如圖10所示。圖中灰色區(qū)域為沿焊縫方向上焊接熔池形態(tài)，通過對比觀察可以看出優(yōu)化后熱源公式計算結(jié)果中等離子弧的匙孔效應(yīng)比原始熱源公式的計算結(jié)果更加明顯，在沿焊縫方向上熔池形態(tài)也發(fā)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(qū)分更加明顯，MIG焊熔池的熔深及熔池長度均發(fā)生了一定程度的縮小，熔池形態(tài)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(tài)。通過這2組圖可以看出在垂直焊縫方向上，熔寬同樣發(fā)生了一定變化，但其變化程度不大，說明磁偏吹引發(fā)的電弧偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象主要發(fā)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(zhuǎn)角度45°時的計算結(jié)果與原始熱源公式計算結(jié)果分別于實際焊縫尺寸進行對比，得出熱源優(yōu)化前后模擬結(jié)果與實際尺寸之間的誤差，見表3。由表3可知，熱源公式優(yōu)化前后模擬結(jié)果熔池尺寸均與實際工件相近，優(yōu)化前計算結(jié)果誤差率在3.3%～5.4%之間，而優(yōu)化后計算結(jié)果誤差率在1.7%～4.2%之間。由此可以看出，優(yōu)化后的熱源相較于原始熱源計算結(jié)果誤差更小，計算結(jié)果更準確，更加貼近實際焊縫尺寸。

表3 模擬結(jié)果與實際工件比較

5 結(jié)論

(1)在仔細觀察等離子-MIG復(fù)合焊耦合電弧形態(tài)的基礎(chǔ)上，證實了復(fù)合焊電弧在焊接過程中確實由于磁偏吹現(xiàn)象發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。

(2)通過模擬結(jié)果之間的相互比較，可以看出電弧偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象主要發(fā)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(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生。

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