郭強(qiáng)軍，金成

1.中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司 山東青島 266111 2.大連交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧大連 116028

1 序言

復(fù)合熱源焊接是由兩種或以上的熱源通過(guò)合理的組合來(lái)完成焊接過(guò)程的焊接技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于發(fā)揮不同熱源的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果[1]。等離子弧焊具有熔深大、焊接效率高的優(yōu)點(diǎn)；而金屬極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）的特點(diǎn)在于熔敷效率高、焊縫成形好。等離子-MIG復(fù)合焊可以將兩者結(jié)合，發(fā)揮各自特點(diǎn)，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(diǎn)[2，3]。根據(jù)等離子弧與MIG電弧的相對(duì)位置不同，可將等離子-MIG復(fù)合焊分為旁軸式和同軸式[4]。同軸式等離子-MIG復(fù)合焊方法出現(xiàn)的較早，在同軸式等離子-MIG復(fù)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(fù)合焊的優(yōu)點(diǎn)，然而過(guò)大的MIG電流依然會(huì)影響復(fù)合電弧的穩(wěn)定性[5，6]。在旁軸式等離子-MIG復(fù)合焊中（見(jiàn)圖1），等離子弧與MIG電弧前后放置，在高速焊接過(guò)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(guò)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(duì)母材有很好的預(yù)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(fù)合焊示意[7]

SUN等[8]基于旁軸式等離子-MIG復(fù)合焊熱輸入及熔滴過(guò)渡特性，建立了復(fù)合焊熱源模型，并對(duì)復(fù)合焊溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。HAN等[9]通過(guò)分析復(fù)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(fù)合焊中復(fù)合電弧的作用機(jī)制，結(jié)果表明，等離子弧對(duì)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(gè)電磁空間及導(dǎo)電氣氛中，其電弧間相互作用機(jī)制復(fù)雜，難以通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行直接測(cè)試。

本文針對(duì)等離子-MIG復(fù)合熱源，將等離子弧與MIG電弧看作導(dǎo)電磁流體，創(chuàng)建等離子-MIG復(fù)合焊電弧的三維模型，依托計(jì)算流體力學(xué)及麥克斯韋方程組，在流體力學(xué)范疇內(nèi)，對(duì)電弧之間產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互作用進(jìn)行計(jì)算，分析對(duì)比不同焊接參數(shù)對(duì)復(fù)合焊接電弧的等離子體運(yùn)動(dòng)速度和電弧溫度場(chǎng)等的影響，為制定和優(yōu)化復(fù)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(fù)合焊數(shù)學(xué)模型

2.1 基本假設(shè)

對(duì)等離子-M I G復(fù)合焊的數(shù)學(xué)模型提出以下假設(shè)。

1）電弧等離子體是光學(xué)薄的，浮力、重力忽略不計(jì)。

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(guò)渡。

在進(jìn)行假設(shè)后，能夠運(yùn)用以下基本方程對(duì)復(fù)合電弧進(jìn)行描述[10]。

2.2 控制方程

基于上述假設(shè)，可將復(fù)合電弧看作一種導(dǎo)電磁流體，其能量守恒方程滿(mǎn)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(dǎo)系數(shù)（W/mK）；

SH——能量源項(xiàng)（W）。

對(duì)于電弧能量方程的能量源項(xiàng)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(shí)，電子由陰極區(qū)進(jìn)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(shí)間（s）；

對(duì)于不可壓縮流體，其動(dòng)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(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到電磁力（洛倫茲力）的影響，其關(guān)系為

2.3 計(jì)算模型與邊界條件

選用帶坡口角接頭形式，采用Hypermesh軟件進(jìn)行復(fù)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(fù)合焊的電極相對(duì)位置，簡(jiǎn)化的軸對(duì)稱(chēng)模型并不符合實(shí)際工況，故以焊槍三維模型和實(shí)際焊接位置為基礎(chǔ)建立計(jì)算模型。模型計(jì)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(shí)采用分步劃分方法，先劃分復(fù)雜形狀的區(qū)域，再劃分形狀簡(jiǎn)單的區(qū)域。由于電弧區(qū)域溫度高且變化大，故采用較細(xì)密的網(wǎng)格，以能夠計(jì)算出更準(zhǔn)確的溫度梯度；為了提高計(jì)算效率，在遠(yuǎn)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(shí)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(jì)算模型網(wǎng)格劃分

在計(jì)算過(guò)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(fù)，兩截面溫度恒定不變；保護(hù)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(shì)，溫度為5000K。氬氣性質(zhì)參數(shù)取自相關(guān)文獻(xiàn)[11]。模型邊界參數(shù)設(shè)定見(jiàn)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(fù)合電弧溫度場(chǎng)

采用建立的模型，計(jì)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(hù)氣流量，具體數(shù)值見(jiàn)表2。通過(guò)計(jì)算得出電弧區(qū)域的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)等重要結(jié)果。

表2 等離子-MIG復(fù)合焊焊接參數(shù)

翼板夾角為20°，且通過(guò)鎢極軸線平面的截面溫度場(chǎng)和流體速度場(chǎng)分布如圖4所示。從圖4可看出，等離子-MIG復(fù)合焊的復(fù)合電弧狀態(tài)穩(wěn)定，最高溫度超過(guò)28000K，流體最大速度達(dá)到690m/s。等離子流高速運(yùn)動(dòng)的主要能量來(lái)自于電磁力F，根據(jù)式（5）可知電磁力是由磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度也與電流密度相關(guān)，因此在壓縮等離子弧的同時(shí)，增大等離子流速，使之對(duì)母材的沖擊力更大、穿透能力更強(qiáng)，可以達(dá)到增大焊接熔深的目的。

圖4 截面溫度場(chǎng)和流體速度場(chǎng)分布

3.2 等離子電流的影響

通過(guò)改變等離子電流進(jìn)行數(shù)值求解，得到等離子電流對(duì)溫度場(chǎng)的影響，如圖5所示。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可看出，電流的變化導(dǎo)致了復(fù)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(xiàng)由歐姆熱、電子焓和熱輻射損失組成，增大電流會(huì)最終導(dǎo)致電弧熱源的增大。

圖5 等離子電流對(duì)溫度場(chǎng)的影響

采用不同等離子電流時(shí)，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(shì)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(wú)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(shí)變大，驗(yàn)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(duì)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(fù)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(kuò)散減弱，導(dǎo)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(dāng)流量達(dá)6L/min后，復(fù)合電弧被等離子氣體隔斷成獨(dú)立的等離子電弧與MIG電弧。

圖8 等離子氣體流量對(duì)溫度場(chǎng)的影響

不同等離子氣體流量對(duì)應(yīng)的等離子極軸線上的等離子運(yùn)動(dòng)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(guò)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(yǔ)

針對(duì)等離子-MIG復(fù)合電弧，運(yùn)用FLUENT流體模擬軟件和力學(xué)方程組對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行建模和描述，并對(duì)三維模型進(jìn)行計(jì)算。模擬結(jié)果顯示，復(fù)合電弧模型區(qū)域的溫度分布、等離子的運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dāng)流量過(guò)大時(shí)會(huì)影響復(fù)合電弧形態(tài)，甚至形成雙弧。