等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池流体行为研究

张超，胡庆贤，缪俊彦，王晓丽，宋扬

等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池流体行为研究

张超1,2，胡庆贤2，缪俊彦2，王晓丽2，宋扬2

（1.江苏城乡建设职业学院，江苏 常州 213147；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212003）

研究等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊过程的熔池流体行为。综合考虑传热学以及流体动力学，建立Fluent数值分析模型。使用双椭球–锥体热源模型代表等离子弧焊传热模型，用双椭球热源表征GMAW电弧传热并考虑熔滴传热，同时考虑熔池受到的电磁力、浮力、表面张力、等离子流力等作用力。基于Fluent软件，对复合焊过程中熔池的温度场和流场进行研究，模拟脉冲电流为150 A时复合焊熔池的流体行为，并进行实验验证对比。在固定等离子焊接电流为100 A、焊接速度为30 cm/min、GMAW脉冲平均电流为150 A时，模拟显示熔池的熔宽为10.57 mm、熔深为2.58 mm、余高为3.66 mm，模拟结果与实验结果吻合良好。建立的GMAW复合焊数值模型能够有效指导该焊接过程。

脉冲电流；复合焊；数值分析；缆式焊丝

等离子弧焊+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊结合了等离子弧焊、缆式焊丝GMAW复合焊和脉冲电流的三重优点，是一种新型高效节能的优质焊接方法。其中，等离子弧穿透能力强，能形成较大的熔深[1-2]；缆式焊丝GMAW电弧能量集中，焊接效率高[3]；使用脉冲电流进行焊接有助于控制热输入，还能搅拌熔池，提高焊接质量，可用于多种工业领域，具有重要的工程应用价值。但是，对等离子弧焊+缆式焊丝GMAW复合焊的传热和熔池行为机理的研究仍处于初步阶段。为此，文中采用数值模拟与实验相结合的方法，研究了304不锈钢的等离子弧焊+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊的熔池流体行为，为相关研究提供一定的理论依据。

在过去几年中，数值仿真为深入理解熔池流体行为提供了有效手段。张义顺等[4]在研究中根据焊枪的不同对2个热源进行了复合，虽然对不同的焊丝与钨极间距产生的电弧进行了数值模拟，得到了不同的温度场，但是却忽略了等离子电弧与GMAW电弧之间的耦合作用对热源参数的影响。徐菁华等[5]对等离子弧焊+GMAW焊枪在焊接过程中内部产生的温度场进行了数值模拟，根据分析结果改善了焊枪的性能。霍海龙[6]对旁轴式等离子弧焊+GMAW焊接过程中的温度场进行了数值模拟，但研究没有涉及熔池流场和小孔的动态行为。朴圣君[7]对等离子弧焊+MIG/MAG复合焊焊接过程中电弧和熔池的温度场和流场进行了模拟。Hertel等[8]计算了电弧、熔滴和熔池的相互影响，随着焊接实验中等离子电流和GMAW电流的不断变化，母材表面的电弧压力和热量分布也会不断改变。

文中为了揭示等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊过程的熔池流体行为，开展了GMAW复合焊热源模型研究，分析了脉冲电流对焊缝成形过程中流体行为的影响，并通过焊缝宏观形貌与仿真结果对比，验证了仿真模型的正确性。

1 实验

实验用母材为304不锈钢板，尺寸为300 mm× 200 mm×12 mm。实验使用型号为ER–308L的不锈钢缆式焊丝，焊丝直径为1.8 mm。文中采用新型的Super–MIG焊接系统进行焊接。

文中仅研究GMAW脉冲电流为150 A时对304不锈钢板熔池流体行为的影响。在本次实验中固定焊炬高度为6 mm，焊丝与钨极之间距离为6 mm，不锈钢缆式焊丝干伸长为16 mm，保护气体是氩气，GMAW保护气流量为20 L/min，等离子气体流量为2.8 L/min。通过数值模拟和实验验证相结合的方法对比研究等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊过程中的熔池流体行为。

2 复合焊数值模型的建立

2.1 基本假设及控制方程

文中主要采用数值模拟方法研究等离子+缆式焊丝GMAW复合焊的熔池流体行为规律。首先需要建立计算模型并进行离散化，将划分后的几何模型离散成小单元。为提高数值模拟的效率，做出了简化假设[9]。所建模型及网格划分如图1所示。

在等离子+缆式焊丝GMAW复合焊接过程中，将遵循质量守恒、能量守恒、动量守恒等控制方程[10]，液态熔池也受到表面张力、电弧压力、等离子流力等作用力影响。

2.2 热源模型

等离子弧焊及其复合焊很难用单一的热源模型对其进行描述[11]，因此文中使用双椭球热源模型和锥体热源模型[12]进行复合来描述等离子弧焊热输入，再外加一个双椭球热源模型及熔滴热源模型代表缆式焊丝GMAW焊电弧热输入，共同构成了文中的复合热源模型。等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊由等离子焊和缆式焊丝脉冲GMAW焊组合而成，其热输入主要来自于2个电弧和熔滴，且各个热输入之间也存在相互作用，其中等离子弧与GMAW电弧之间的相互影响特别明显，对数值模拟的结果影响很大。因此，在对等离子+缆式焊丝GMAW复合焊进行数值模拟时，必须予以考虑[13-15]。

3 PAW+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池流体行为仿真研究

本章在第2章的基础上，利用Fluent软件对UDF进行二次开发，运用控制变量法，保持其他参数不变，研究GMAW脉冲电流和焊接速度对等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池流体行为的影响，焊接时等离子弧与脉冲GMAW电弧耦合共同作用于熔池，脉冲GMAW的周期性形成独特的热质传输过程。

3.1 脉冲平均电流为150A时复合焊熔池流体行为

等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池纵截面的演变过程见图2。=0.02 s时（见图2a），等离子弧优先起弧，形成熔池和匙孔，匙孔在等离子流力、电弧压力等共同作用下产生，熔池内液态金属不断被等离子弧推向两侧，底部的液态金属沿着熔合区向上运动。=0.16 s时（见图2b），GMAW脉冲电流处于峰值阶段，电流密度相对较大，GMAW熔池表面产生了较为明显的凹坑，PAW熔池和GMAW熔池长大并相连成共熔池。=0.25 s时（见图2c），GMAW脉冲电流处于基值阶段，GMAW熔池范围缩小，熔池重新分离为2个独立的熔池。=0.41 s时（见图2d），随着熔池内液态金属的不断增多，金属堆积越来越高，两熔池之间重新相连为一个大的共熔池，并开始出现液态金属的交换。熔池不断长大的过程中，熔池中心到边缘存在着温度梯度差异，熔池中心区域温度高，表面张力小。熔池中心向外区域温度不断降低，所以表面张力逐渐增大，表面张力梯度由熔池中心区域指向边缘，带动熔池表面液态金属从中心向边缘流动。=0.55 s时（见图2e），GMAW脉冲电流位于基值阶段，电流密度减小，电弧压力减小，熔池范围迅速缩小，熔池内凹坑消失，共熔池范围减小，与PAW熔池交换的液态金属量也大大减少。=0.72 s时（见图2f），GMAW脉冲电流再次转到了峰值阶段，此时大量的熔融金属被GMAW电弧挤压向熔池前方的PAW熔池，液体金属向前侧流动，部分液态金属有填充匙孔趋势。随着焊接过程的不断进行，在电弧热作用和熔滴热焓作用下，两电弧对应熔池均经历生成、长大过程，最终逐渐达到相对稳定，进入准稳态阶段，但GMAW脉冲电流峰值阶段和基值阶段的变化对复合焊熔池形成周期性长大和缩小，形成独特的热质传输过程。

图1 等离子+缆式焊丝GMAW复合焊数值模型

缆式焊丝GMAW平均脉冲电流为150 A时，304不锈钢等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池横截面演变过程见图3。随着焊接过程的进行，焊丝端部熔滴经过长大、脱落及过渡过程，熔滴脱落下落过程中速度增加，达到熔池时速度达到最大，对熔池形成熔滴冲击力。随着熔滴不断滴落，在母材表面堆积，将其携带的热焓量传递给熔池，有利于提高熔池温度，熔滴的过渡增大了熔池体积。在GMAW电弧压力以及等离子流力的作用下，GMAW对应熔池表面凹陷。随着焊接过程的不断进行，在电弧热作用和熔滴热焓作用下，熔池在经历变大过程后，逐渐达到相对稳定的焊接过程，熔池进入准稳态阶段。

图2 复合焊熔池纵截面的演变过程（GMAW平均脉冲电流150 A）

图3 复合焊熔池横截面的演变过程

图4a和b给出了各个时刻复合焊熔池横断面的演变过程，直观地展现了不同时刻复合焊面熔池的演变过程。焊接开始后，熔池体积随着脉冲峰值与脉冲基值的来回变化也在不断扩大缩小。图4c和d给出了复合焊熔深与匙孔的演变过程，直观地展现了不同时刻复合焊面熔深与匙孔深度的对比。PAW下方匙孔、熔深迅速增加，GMAW电弧下方熔深随着脉冲峰值与脉冲基值的不断轮转也在不断循环往复。

图4 复合焊yOz面熔池的演变过程

4 实验验证

数值模拟是在实验基础上进行的，为了保证数值模拟结果的准确性，需要结合焊接实验实际结果进行对比验证。图5给出了计算的焊缝形貌以及焊后实际焊缝横截面对比结果。

表1给出了脉冲模式GMAW复合焊的焊缝横截面测量值与计算值。通过对比可知，数值模拟得到的熔深比测量值略深，熔宽和余高比测量值略小，最大误差不超过4%，基本符合试验数据，验证了模拟结果的准确性，提高了其可信度。

图5 实际焊缝界面

表1 脉冲模式GMAW复合焊的焊缝横截面测量值与计算值对比

Tab.1 Comparison of measured and calculated weld cross section of pulsed GMAW hybrid welding

5 结论

使用Fluent软件模拟计算了等离子+缆式焊丝GMAW复合焊熔池流体行为，将数值计算熔池形貌与实际焊后形貌进行对比，验证了模拟结果的准确度。得到结论如下。

1）在考虑离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊工艺特点的前提下，建立的等离子+缆式焊丝GMAW复合焊的数理模型能够有效对GMAW复合焊熔池流体行为进行仿真。

2）在GMAW脉冲平均电流为150 A时，模拟结果表明，熔池的熔宽为10.57 mm、熔深为2.58 mm，余高为3.66 mm。

3）通过对比数值模拟结果和焊缝实测值，模拟得到的熔深比测量值略深，熔宽和余高比测量值略小，最大误差不超过4%，说明模拟结果准确，提高了其可信度。

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Weldpool Fluid Behavior of Plasma Arc Welding+Cable-wire Pulsed GMAW Hybrid Welding

ZHANG Chao1, HU Qing-xian2, MIAO Jun-yan2, WANG Xiao-li2, SONG Yang2

(1. Jiangsu Vocational College of Urban and Rural Construction, Jiangsu Changzhou 213147, China; 2. Jiangsu University of Science and Technology, Jiangsu Zhenjiang 212003, China)

The molten pool fluid behavior of the plasma+cable wire pulsed GMAW hybrid welding process was studied. Heat transfer and fluid dynamics are considered comprehensively, and a fluent numerical analysis model was established. The double ellipsoid cone heat source model was used to represent the heat transfer model of plasma arc welding. The double ellipsoid heat source was used to characterize the heat transfer of GMAW arc and the heat transfer of droplet is considered. The electromagnetic force, buoyancy, surface tension, plasma flow force and other forces on the weld pool are considered. Based on FLUENT software, the temperature field and flow field of the weld pool in the process of hybrid welding were studied, and the fluid behavior of the weld pool was simulated when the pulse current is 150 A, and verified and compared by experimental. The results show that fixed plasma welding current is 100 A, welding speed is 30 cm/min, and adjusted GMAW pulse average current is 150 A. It is found that the simulation results show that the melting width is 10.57 mm; The penetration is 2.58 mm; The reinforcement is 3.66 mm; The simulation results based on the numerical model are in good agreement with the experimental results. It shows that the GMAW composite welding numerical model established in this paper can effectively guide the welding process.

pulse current; the hybrid welding; numerical analysis; cable type welding wire

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.05.014

TG403

A

1674-6457(2022)05-0094-06

2022–01–15

国家自然科学基金（51675249）；江苏省高等学校自然科学研究面上项目（19KJB460011）；常州市科技局项目（CJ20190028）；江苏省高校优秀科技创新团队（苏教科[2021]1号）

张超（1987—），男，博士生，讲师，主要研究方向为焊接质量控制。

胡庆贤（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向为材料成形模拟、高效焊接。

责任编辑：蒋红晨