母中彥，胡仁志，龐盛永

先進(jìn)焊接與連接

磁場輔助電弧焊接旋轉(zhuǎn)等離子體行為的數(shù)值模擬

母中彥，胡仁志，龐盛永

（華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

研究外加縱向磁場對傾斜電極TIG焊接的電弧溫度分布、流動(dòng)模式和工件所受熱力作用的影響。建立磁場-電弧復(fù)合焊接熱、電、磁、流動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型。通過數(shù)值模擬和高速攝像實(shí)驗(yàn)，揭示傾斜電極電弧在外加磁場作用下的流動(dòng)、形貌及溫度演化機(jī)制。外加縱向磁場后，電弧流動(dòng)速度明顯增加，流動(dòng)模式由沿電極方向噴射變?yōu)榻蒲刎Q直方向旋轉(zhuǎn)向下的流動(dòng)模式；電弧對工件的熱作用均勻性提高，熱作用中心向電極正下方靠近，但在焊接橫向方向上存在偏離；工件受到表面的電弧旋轉(zhuǎn)拖拽力和內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)洛倫茲力作用，最大洛倫茲力可達(dá)50 000 N/m3。基于所建立數(shù)學(xué)模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)電弧形貌吻合良好，結(jié)果表明，外加縱向磁場能夠顯著改變電弧的形態(tài)及流動(dòng)模式，提高電弧熱流密度的均勻性，并能夠?qū)θ鄢禺a(chǎn)生有效的攪拌作用。

復(fù)合焊接；電弧焊接；等離子體；磁場；數(shù)值模擬

現(xiàn)代裝備對高服役性能的需求日益嚴(yán)苛，給現(xiàn)有電弧焊、激光焊為代表的焊接工藝帶來了重大挑戰(zhàn)。采用多能場復(fù)合焊接技術(shù)[1—4]，是實(shí)現(xiàn)高精度、高性能制造的有效途徑?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，在廣泛應(yīng)用的電弧焊接中引入外加磁場，能夠提高焊接穩(wěn)定性，改善焊縫組織，提高接頭耐腐蝕性能[3—5]。

外加磁場提高焊接質(zhì)量的方式具有低成本、易操作的特點(diǎn)，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Vollertsen[6]和Bachmann[7]等發(fā)現(xiàn)在鋁合金激光焊接中，外加磁場能夠提高焊縫組織的均勻性，降低焊接變形和熱裂紋敏感性。張勛[8]和陳蓉等[9—10]在激光-MIG焊接過程中，發(fā)現(xiàn)外加縱向磁場能使焊縫接頭晶粒細(xì)化、均勻性提高，接頭的疲勞強(qiáng)度和低溫沖擊韌性也明顯增強(qiáng)。Chen等[11]采用外加磁場有效抑制了高速脈沖GMAW焊接的咬邊和駝峰缺陷。Sundaresan等[12]發(fā)現(xiàn)外加磁場能夠使鈦合金TIG焊接的焊縫熔合區(qū)晶粒細(xì)化。Sharma等[13]通過外加磁場優(yōu)化鋁合金電弧焊接工藝，獲得了晶粒細(xì)小、無裂紋和氣孔的焊縫。

上述研究表明，外加磁場的電弧焊接具有重要的應(yīng)用價(jià)值。電弧焊接過程存在高溫高速等極端物理現(xiàn)象，給實(shí)驗(yàn)研究帶來了一定的挑戰(zhàn)，因此很多學(xué)者采用數(shù)值模擬研究外加磁場對電弧及熔池行為的影響。相關(guān)數(shù)值研究工作[14—16]主要針對縱向磁場作用下豎直電極TIG焊接電弧和熔池傳熱流動(dòng)行為。近年來，仿真研究也成功應(yīng)用于磁場輔助熔化極保護(hù)焊[17—18]，并揭示了磁場對熔滴過渡行為的影響機(jī)制。上述仿真研究較多采用二維模型，且研究對象都是豎直電極電弧，未見關(guān)于傾斜電極電弧在磁場作用下的報(bào)道，然而，實(shí)際焊接中傾斜電極的設(shè)置并不少見，尤其是在激光-電弧復(fù)合焊接中，電弧與激光多采用旁軸復(fù)合。此外，電弧的偏移和窄間隙焊接中的電弧攀升在一定程度上可以視為傾斜電極的布置，因此，有必要進(jìn)一步研究傾斜電極條件下，外加磁場對電弧特征及工件所受熱力作用的影響。

電極傾斜狀態(tài)下，電弧的物理場將不再滿足軸對稱分布，因此二維軸對稱電弧模型將不再適用。文中以傾斜電極的磁場輔助TIG焊接工藝為研究對象，建立磁場-電弧復(fù)合焊接的熱、電、磁、流動(dòng)耦合的三維數(shù)學(xué)模型。通過所建立的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合高速攝像實(shí)驗(yàn)開展外加縱向磁場對電弧行為以及工件所受熱力作用的研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

外加磁場輔助的電弧焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，其中，TIG焊機(jī)為Fronius TPS 400 TIG焊機(jī)。鎢極與豎直方向角度為30°，直徑為2 mm，鎢極尖端與工件表面距離為5 mm。外加縱向磁場由永磁鐵提供，磁場大小通過改變永磁鐵的高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，其具體大小采用高斯計(jì)進(jìn)行測量并校正。待焊板材為無磁性的316L奧氏體不銹鋼，板材厚度為5 mm。焊接過程中焊槍和永磁鐵位置固定，焊接速度通過鋁合金制作的可移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行控制。電弧形貌采用配有808 nm帶通濾波片的Phantom V-Series 611高速相機(jī)進(jìn)行觀察。文中焊接電流為150 A，焊接速度為1 m/min，保護(hù)氣體采用15 L/min的工業(yè)純氬，外加縱向磁場強(qiáng)度分別設(shè)置為0，10，20 mT。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意

2 數(shù)學(xué)模型

電弧焊接過程中存在電弧的放電、傳熱和流動(dòng)，工件的熔化、凝固、蒸發(fā)等復(fù)雜物理現(xiàn)象。文中主要研究外加縱向磁場對電弧行為和工件所受熱力作用的影響。為簡化模型，工件內(nèi)部僅計(jì)算電磁場。電弧等離子體假定為不可壓縮的層流流體，且處于局部熱平衡狀態(tài)，其物性參數(shù)（密度、電導(dǎo)率、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等）僅與溫度有關(guān)。工件所受的熱力作用可由電磁場和電弧的溫度、速度計(jì)算獲得。

2.1 控制方程

磁場輔助電弧的仿真需要對電磁場和流動(dòng)傳熱行為進(jìn)行數(shù)值求解。本節(jié)列出了需要求解的控制方程，包括電磁場方程組、質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量方程。

2.1.1 電弧電磁場

電磁場在包含工件在內(nèi)的整個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行求解，具體控制方如下[19]：

2.1.2 流動(dòng)傳熱行為

電弧的傳熱流動(dòng)行為由質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程進(jìn)行求解。動(dòng)量方程中考慮了壓力、粘性力、重力和電磁力的作用。能量方程中考慮了對流、熱傳導(dǎo)、焦耳熱、電子熱輸運(yùn)以及電弧的熱輻射損失。流動(dòng)傳熱行為具體可描述為[20]：

2.2 邊界條件

3 結(jié)果與分析

磁場輔助電弧焊接的控制方程采用有限差分法進(jìn)行離散求解，并基于課題組內(nèi)部C++代碼實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算?？刂品匠讨械膶α黜?xiàng)采用高階WENO格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散。電弧流場采用Projection方法求解，溫度場和電磁場分別采用半隱式方法和隱式方法求解。為盡可能減小計(jì)算量，求解區(qū)域設(shè)置為14 mm×12 mm×13 mm的長方體。如圖2所示，模型中包含工件、鎢極和電弧區(qū)域。求解區(qū)域采用均勻六面體網(wǎng)格劃分，尺寸為0.1 mm。電弧等離子的熱物性參數(shù)采用文獻(xiàn)[19]中氬氣的參數(shù)。工件參與電磁場的計(jì)算，其電導(dǎo)率取7.7′105S/m。

圖2 幾何模型

3.1 外加磁場下電弧的旋轉(zhuǎn)特征

圖3和圖4分別為無外加磁場和外加20 mT縱向磁場時(shí)，傾斜電極TIG電弧的溫度分布和形貌。由圖3和圖4可知，外加磁場能夠顯著改變電弧的溫度分布和形貌特征，電弧形貌的模擬結(jié)果與高速攝像實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。無外加磁場時(shí)，電弧沿鎢極軸線向后鋪展并形成長的電弧尾部。外加20 mT縱向磁場時(shí)，電弧上部收縮，最高溫度由19 850 K增加到20 004 K。電弧溫度沿電極方向的鋪展減弱，反方向的鋪展增強(qiáng)?？傮w來講，外加縱向磁場后，電弧趨向于沿豎直方向軸對稱分布，且靠近工件表面的溫度均勻性提高。

圖3 無外加磁場時(shí)電弧的溫度分布及形貌

圖4 20 mT外加磁場作用下的溫度分布

圖5為外加縱向磁場作用下傾斜電極TIG電弧的速度場分布。由圖5可知，外加磁場能顯著改變電弧的指向性和流動(dòng)形式。外加20 mT縱向磁場后，電弧流動(dòng)由沿電極方向噴射，變?yōu)榻蒲刎Q直方向旋轉(zhuǎn)向下的流動(dòng)模式，電弧流體從電極到工件旋轉(zhuǎn)的角度約為180°。前期研究發(fā)現(xiàn)[22]，電弧焊接中電弧內(nèi)部熱輸運(yùn)以對流占優(yōu)，流動(dòng)模式的改變能夠直接導(dǎo)致電弧形貌和溫度分布的變化（如圖3—4所示）。此外，外加縱向磁場后電弧流動(dòng)速度增加，最大速度由226 m/s增加到328 m/s。電弧速度的大幅增加，能夠有效提高電弧的抗干擾能力，增強(qiáng)電弧穩(wěn)定性。

為進(jìn)一步厘清外加磁場對電弧的影響，需要對電弧內(nèi)部的流動(dòng)和洛倫茲力進(jìn)行分析。如圖6所示，外加20 mT縱向磁場后，電弧所受到的洛倫茲力方向?yàn)槁菪騼?nèi)。與電弧的自磁收縮力相比，外加磁場為電弧提供了額外的旋轉(zhuǎn)洛倫茲力。如圖6b所示，在陰極尖端下方2 mm位置旋轉(zhuǎn)洛倫茲力可達(dá)105N/m3。外加磁場所提供的旋轉(zhuǎn)洛倫茲力能夠加速電弧旋轉(zhuǎn)，改變電弧流動(dòng)模式，并使電弧速度增加。電弧的高速旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，一方面能夠在離心力作用下增加電弧在工件表面溫度均勻性；另一方面能夠促進(jìn)電弧在外加磁場方向上的旋轉(zhuǎn)對稱，這表明外加磁場能夠控制電弧的指向性。

圖5 磁場作用下的流場分布

圖6 電弧內(nèi)部的洛倫茲力和流場

3.2 旋轉(zhuǎn)電弧對工件的熱力作用

不銹鋼TIG電弧焊接過程中電源采用直流正接，電弧對工件的熱作用包括電弧的熱傳導(dǎo)和電子熱，且這兩部分對工件的熱輸入總量相當(dāng)[23]。工件表面所受熱作用metal具體為：

圖7為不同磁場作用下電弧對工件表面的熱流密度分布。外加縱向磁場后，電弧對工件輸入的熱流密度分布范圍增大且均勻性提高，這與外加磁場擴(kuò)大了電弧的鋪展面積有關(guān)，并且，外加縱向磁場后，電弧的熱流密度分布向鎢極正向方移動(dòng)，但在橫向分布上偏向一側(cè)。隨著外加磁場強(qiáng)度增加，電弧熱作用的均勻性提高，電弧的熱流密度分布進(jìn)一步向鎢極正下方移動(dòng)，且橫向上的偏離減弱。值得注意的是，當(dāng)磁場反向后電弧旋轉(zhuǎn)方向隨之改變，電弧的熱作用在橫向上將偏向另一側(cè)。因此，控制焊接過程中的外加磁場的大小和方向能夠有效控制電弧熱作用的位置和均勻性。

圖7 不同磁場作用下電弧對工件表面的熱流密度

焊接過程中電弧會(huì)對熔池表面產(chǎn)生壓力和拖拽力。電弧壓力會(huì)與表面張力平衡，對熔池流動(dòng)影響微弱，此處僅分析電弧流體對工件的拖拽力。拖拽力是電弧流動(dòng)在熔池表面產(chǎn)生的切向作用力，能夠影響熔池的表面流動(dòng)行為。圖8為外加20 mT縱向磁場時(shí)，工件表面受到的拖拽力。工件所受拖拽力方向?yàn)樾D(zhuǎn)向外，這與電弧速度在工件表面上的分布一致。拖拽力最大值位于旋轉(zhuǎn)中心外側(cè)，其最大值為45 N/m2。

圖9為外加20 mT縱向磁場時(shí)工件內(nèi)部受到的洛倫茲力分布。與電弧所受到的洛倫茲力類似，外加縱向磁場在工件內(nèi)部同樣產(chǎn)生了大的旋轉(zhuǎn)力。工件所受洛倫茲力在靠近工件表面具有最大值，可達(dá)到50 000 N/m3。洛倫茲力沿深度方向逐漸減小，但在深度為2 mm的位置洛倫茲力依然有20 000 N/m3。在工件表面，洛倫茲力在20 000 N/m3以上的區(qū)域直徑達(dá)到8 mm。因此，外加縱向磁場條件下產(chǎn)生的洛倫茲力能夠?qū)θ鄢氐淖銐虼髤^(qū)域進(jìn)行有效攪拌。

圖8 旋轉(zhuǎn)電弧對工件的拖拽力

圖9 工件內(nèi)部受到的洛倫茲力

為了更加直觀地展示外加磁場后洛倫茲力對熔池的攪拌作用，引入激光作用來形成足夠大的熔池。圖10為有無外加縱向磁場條件下的焊縫形貌對比，紅色虛線為激光作用位置，其中激光功率為2 kW，焊接電流為150 A。由圖10可知，外加縱向磁場20 mT后，焊縫不再沿中心對稱。這與圖7和圖8所示的外加磁場使電弧的熱力作用在橫向方向上偏離有關(guān)。此外，外加磁場在熔池內(nèi)部形成旋轉(zhuǎn)電磁力，增強(qiáng)了熔池中下部的橫向?qū)α鳠彷斶\(yùn)，使焊縫中下部的橫向方向上獲得了更多的能量，焊縫深度方向熔寬的一致性增加。

圖10 外加磁場對激光-TIG復(fù)合焊接焊縫的影響

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬和高速攝像實(shí)驗(yàn)，研究了外加縱向磁場對傾斜電極TIG焊接的電弧溫度分布、流動(dòng)模式和工件所受熱力作用的影響。主要結(jié)論如下。

1）外加縱向磁場后，傾斜電極TIG電弧趨向于沿豎直方向軸對稱分布，且工件表面的溫度均勻性提高。外加磁場提供額外旋轉(zhuǎn)洛倫茲力使電弧速度增加，最大速度由226 m/s增加到328 m/s，流動(dòng)模式由沿電極方向噴射變?yōu)榻蒲刎Q直方向旋轉(zhuǎn)向下的流動(dòng)模式。

2）分析了外加縱向磁場對工件表面所受熱作用的影響。結(jié)果表明，外加縱向磁場后，電弧對工件輸入的熱流密度分布范圍增大且均勻性提高。電弧的熱流密度分布向鎢極正向方移動(dòng)，且在橫向分布上偏向一側(cè)。隨著外加磁場強(qiáng)度增加，電弧熱作用的均勻性提高，且橫向上的偏離減弱。

3）外加縱向磁場后，工件表面的電弧旋轉(zhuǎn)拖拽力與電弧流場分布一致，最大作用力為45 N/m2。工件內(nèi)部所受旋轉(zhuǎn)洛倫茲力在靠近工件表面位置可達(dá)50 000 N/m3，且沿深度方向逐漸減小。在深度2 mm和直徑8 mm范圍內(nèi)工件所受洛倫茲力超過2000 N/m3。通過引入激光形成足夠大熔池的方式，驗(yàn)證了外加磁場對熔池?cái)嚢璧挠行浴?/p>

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Numerical Simulation of Rotating Plasma Behavior in Arc Welding Assisted by Magnetic Field

MU Zhong-yan, HU Ren-zhi, PANG Sheng-yong

(State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The work aims to study the influence of an external magnetic fieldon arc temperature distribution, flow pattern and thermal action of workpiece in TIG welding with inclined electrode. A three-dimensional mathematical model of heat, electricity, magnetism and flow in magnetic field-arc hybrid welding was established. Through numerical simulation and high-speed camera experiments, the flow, morphology and temperature evolution mechanism of arc of TIG welding with inclined electrode under external magnetic field were revealed. After the longitudinal magnetic field was applied, the arc flow speed increased and flow pattern changed from a spray mode along the electrode direction to a downward flow pattern which was approximately rotating in the vertical direction. The uniformity of the heat input of the arc to the workpiece was improved, and heat center approached directly below the electrode, but deviated from the horizontal welding direction. The workpiece was subject to the arc rotating drag force on the surface and the internal rotating Lorentz force, and the maximum Lorentz force reached 50 000 N/m3. The simulation results based on the established mathematical model are in good agreement with the morphology of the experimental arc. The results show that the external longitudinal magnetic field can significantly change the shape and flow pattern of the arc, improve the uniformity of the arc heat flux, and can effectively stir the molten pool.KEY WORDS: hybrid welding; arc welding; plasma; magnetic field; numerical simulation

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.017

TB24；V261

A

1674-6457(2021)06-0123-07

2021-05-11

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB1103100）

母中彥（1992—），男，博士生，主要研究方向?yàn)榧す?電弧復(fù)合焊接過程的數(shù)值模擬。

龐盛永（1982—），男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)椴牧铣尚文M、材料激光加工、焊接工藝與裝備。