橫向穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)作用下微束等離子電弧數(shù)值分析

劉海華, 趙 淘, 張志臣，陳豪杰

(天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室(天津工業(yè)大學(xué))，天津 300387)

微束等離子弧焊是一種小電流焊接工藝，適用于汽車制造、航空航天等領(lǐng)域的薄壁件電弧修復(fù)及增材制造[1]。由于薄壁特征及制造過(guò)程中的往復(fù)熱累積，堆焊層將出現(xiàn)向兩側(cè)“下塌”的現(xiàn)象，導(dǎo)致成形精度降低、綜合性能變差。本文提出采用外加橫向穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)輔助焊接過(guò)程的方法，利用非接觸電磁力調(diào)控電弧對(duì)熔池的熱、力輸入，達(dá)到改善堆焊層形貌與提高堆焊層性能的目的。

由于電弧反應(yīng)過(guò)程極為復(fù)雜，難以對(duì)外加磁場(chǎng)后電弧特性及電弧對(duì)工件的熱輸入和力輸入進(jìn)行直接測(cè)量，因此，通常借助數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析。目前，已有利用數(shù)值模擬方法對(duì)焊接電弧進(jìn)行研究的報(bào)道[2-3]。陳樹君等[4]建立了變極性等離子電弧的三維模型，對(duì)EN、EP兩種情況下的溫度場(chǎng)、電弧壓力、電流密度分布特征進(jìn)行了分析。劉政軍等[5]建立了GTAW電弧二維軸對(duì)稱模型，得到縱向磁場(chǎng)作用下電弧形態(tài)、溫度、流速、電流、陽(yáng)極熱流密度等變化情況。周祥曼等[6-7]建立了基于GMAW電弧和熔池的弱耦合數(shù)值模型，分析了有無(wú)外加橫向磁場(chǎng)作用下熔池電磁力分布、電弧和熔池傳熱傳質(zhì)的差異。但國(guó)內(nèi)外對(duì)微束等離子電弧研究較少，特別是外加磁場(chǎng)對(duì)微束等離子特性影響的研究。

本文依據(jù)微束等離子焊槍尺寸建立電弧物理模型，考慮到壓縮噴嘴對(duì)電弧的約束與鎢針尖端損耗，使用COMSOL軟件進(jìn)行電-磁-熱-流四場(chǎng)耦合計(jì)算，得到了有無(wú)外加磁場(chǎng)作用下微束等離子電弧的特性，利用CCD拍攝電弧輪廓對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并在薄壁件上進(jìn)行多層堆焊試驗(yàn)，以期為薄壁件的磁場(chǎng)輔助電弧增材制造技術(shù)提供一定的理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 模型假設(shè)

為了簡(jiǎn)化模型且得到合理的計(jì)算結(jié)果，做出如下假設(shè)：

1)電弧等離子體滿足局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)；

2)電弧等離子體是連續(xù)的，層流的，忽略重力；

3)等離子氣為純氬氣，其電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率僅為溫度的函數(shù)；

4)電弧中無(wú)位移電流；

5)外加磁場(chǎng)為均勻的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)。

1.2 控制方程組

基于以上假設(shè)，控制方程組如下。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式(1)、(2)是對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行描述。

能量守恒方程：

(3)

式中：ρ為密度；υ為速度矢量；p為壓力；μ為粘度；T為溫度；Cp為比熱容；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)。

式(3)是對(duì)流體傳熱進(jìn)行描述。

SФ為動(dòng)量守恒方程源項(xiàng)，并施加y方向磁場(chǎng)，表達(dá)式為

(4)

式中：Bx、By、Bz為電弧自身磁場(chǎng)，By為外加磁場(chǎng)，文中取30 mT。

S為能量守恒方程源項(xiàng)，表達(dá)式為

(5)

為計(jì)算上述電磁力與焦耳熱，需要計(jì)算出電流密度J與磁通量B，用電流連續(xù)性方程與安培定律計(jì)算電勢(shì)V與磁失勢(shì)A。

(6)

(7)

式(6)、(7)是對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行描述。

根據(jù)V與A計(jì)算電流密度、電場(chǎng)與磁通量為

(8)

(9)

B=×A

(10)

1.3 邊界條件

建立微束等離子弧焊電弧三維模型如圖1所示，該模型包括鎢針、壓縮噴嘴、空氣域、電弧計(jì)算域及工件。其中鎢針直徑1.0 mm，考慮鎢針在高溫下耗損，將鎢針簡(jiǎn)化為直徑0.1 mm且?guī)в?0°傾角的尖端，噴嘴口徑1.0 mm，鎢針內(nèi)縮2 mm，噴嘴距工件3 mm，焊接電流14 A，等離子氣流量0.3 L/min，保護(hù)氣流量10 L/min。其中，A為鎢針側(cè)面；B為等離子氣氣入口；C為鎢針上端面；D為保護(hù)氣入口；E為電弧計(jì)算域；F為保護(hù)氣出口；G為焊件上表面；H為焊件側(cè)面；I為壓縮噴嘴內(nèi)壁，邊界條件見表1。

表1 邊界條件

圖1 電弧物理模型

保護(hù)氣速度與氣流量大小、保護(hù)氣噴嘴內(nèi)徑、壓縮噴嘴尺寸等相關(guān)，計(jì)算公式如下[8-9]。

(11)

式中：Q為保護(hù)氣流量；Rn為保護(hù)氣噴嘴內(nèi)徑；Rw為壓縮噴嘴尺寸。

等離子氣速度與氣流量大小、壓縮噴嘴內(nèi)徑相關(guān)，計(jì)算公式為

(12)

式中:Q1為等離子氣流量.

在陰極和陽(yáng)極表面，即電極鞘層上有幾個(gè)平均自由程長(zhǎng)度的邊界層，這些邊界層不處于局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)，卻對(duì)電弧與熔池的傳熱傳質(zhì)有著重要的影響，因此，需要對(duì)其能量通量進(jìn)行計(jì)算[10-11]。

陰極：

-n·(-kT)=|Ji|Vi-|Je|φc-εσBT4

(13)

陽(yáng)極：

-n·(-kT)=|J·nφa-εσBT4

(14)

式中：|Ji|Vi代表氬電離產(chǎn)生離子加熱，|Je|φc代表電子發(fā)射消耗能量；εσBT4代表輻射損失能量；|J·n|φa代表從電子轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極的能量；Ji為離子電流；Je為電子電流；Vi為氬氣電離電位；φc為陰極功函數(shù)；φa為陽(yáng)極功函數(shù)。

Ji與Je計(jì)算如下：

Je=Jr[(|J·n|-Jr)>0]+

|J·n|[(|J·n|-Jr)<0]

(15)

Ji=|J·n|-Je

(16)

(17)

式中：Ar為理查森常數(shù)；Je熱離子發(fā)射的有效功函數(shù)；e為電荷量.

工件與空氣接觸的部分為對(duì)流邊界條件，其熱通量表示為

-q0=h(Text-T)

(18)

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)；Text為外部溫度。

保護(hù)氣與等離子氣均使用純氬氣，工件使用AISI304不銹鋼，其熱物理參數(shù)見參考文獻(xiàn)[10，12]。以COMSOL中物理場(chǎng)控制網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格劃分，共劃分207 842個(gè)四面體單元，其中包括13 718個(gè)邊界元和1 152 個(gè)邊單元，最小單元0.024 71，求解的自由度數(shù)為716 884，為縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度，模型采用以上一次計(jì)算得到的解為初始值進(jìn)行參數(shù)化掃描計(jì)算。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析

圖2為有/無(wú)外加穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)作用下電弧與熔池溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，由于噴嘴的機(jī)械壓縮作用，噴嘴內(nèi)部電弧溫度較高且分布集中[13]，溫度梯度較小，最高溫度為14 912 K。在噴嘴下方，由于未受到噴嘴限制，且處于自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，電弧溫度分布較分散，整體形狀以電極軸線為中心呈“鐘罩”形分布。熔池位于焊件中心位置，最高溫度為3 558 K；當(dāng)施加橫向磁場(chǎng)后，電弧等離子體不只是處于自身產(chǎn)生環(huán)形對(duì)稱的洛倫茲力中，在外加電磁力作用下，由于噴嘴的限制作用，噴嘴內(nèi)部未發(fā)生明顯變化，最高溫度為14 776 K。噴嘴下方的電弧等離子體向x負(fù)方向移動(dòng)，導(dǎo)致電弧形態(tài)向x負(fù)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。熔池隨電弧偏轉(zhuǎn)而向x負(fù)方向移動(dòng)，最高溫度降低為3 242 K。

圖2 電弧與熔池溫度場(chǎng)分布

圖3為工件上表面截線l1上的熱通量分布曲線，可見，無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，工件上表面熱通量符合高斯分布特征，在工件中心位置達(dá)到最大值9.76×106W/m2；外加磁場(chǎng)后，最大熱通量位置遠(yuǎn)離工件中心，位于x負(fù)半軸，在x=-0.857 mm處取得最大值8.74×106W/m2，熱通量最大值減小，降幅約為10.5%。這是由于電弧偏轉(zhuǎn)增加了電弧長(zhǎng)度，電弧與外界接觸面積增大，電弧散熱增加，導(dǎo)致電弧最大熱通量減小，電弧對(duì)熔池?zé)彷斎虢档汀?/p>

圖3 l1上熱通量分布曲線

2.2 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析

圖4為電弧流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，其中云圖代表壓力分布，箭頭描述電弧等離子體流動(dòng)。無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，電弧等離子體流速在噴嘴內(nèi)部較大，約為192 m/s，壓力在鎢針附近較大，最大約為3 120 Pa，從鎢針至工件逐漸減小，從云圖中可見，在鎢針下端壓力云圖有明顯的平行分層；當(dāng)施加橫向磁場(chǎng)后，由于等離子體流速與壓力最大值都位于噴嘴內(nèi)部，因此最大值無(wú)明顯變化，但在鎢針下端壓力分布出現(xiàn)明顯變化，在噴嘴內(nèi)部的同一水平線上，x負(fù)半軸側(cè)壓力大于正半軸側(cè)壓力。

圖4 電弧流場(chǎng)分布

外加磁場(chǎng)對(duì)電弧等離子體流動(dòng)方向影響較大，無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)直接向下，到達(dá)工件上表面后再均勻的向四周流動(dòng)；外加磁場(chǎng)后，電弧等離子體流動(dòng)方向改變?yōu)殡x開噴嘴后直接向x負(fù)方向流動(dòng)。這是由于在外加磁場(chǎng)作用下，電弧等離子體受到向x負(fù)方向的洛倫茲力，使得電弧等離子體向x負(fù)方向移動(dòng)，最終造成壓力與流動(dòng)方向發(fā)生改變。

2.3 電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與分析

圖5為電弧電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，其中云圖代表電勢(shì)分布，箭頭描述電流密度。無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，電流由工件流出，經(jīng)電弧計(jì)算域流至鎢針，在鎢針下端面取得最大值4.52×108A/m2；外加磁場(chǎng)后，鎢針尖端電流密度最大值減小，但減小幅度較小，約為4.37×108A/m2，這是由于鎢針下端面面積較小，導(dǎo)致電流密度在此處較大。電勢(shì)分布與溫度場(chǎng)類似，但外加磁場(chǎng)后，由于電弧長(zhǎng)度增加，電弧計(jì)算域內(nèi)電壓變大，由無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)的25.2 V增加至25.7 V。

圖5 電弧電場(chǎng)分布

2.4 電弧壓力計(jì)算結(jié)果與分析

圖6為工件上表面電弧壓力(p)計(jì)算結(jié)果，圖中以p=150 Pa的等值線為例，對(duì)電弧壓力的變化進(jìn)行分析。無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，電弧壓力區(qū)域?yàn)閳A形分布，壓力峰值位于焊件中心；外加磁場(chǎng)后，電弧壓力區(qū)域相應(yīng)的向電弧偏轉(zhuǎn)方向凹陷，電弧峰值向x負(fù)方向移動(dòng)，形成向左側(cè)凹陷的不規(guī)則形狀，壓力較大區(qū)域位于x負(fù)半軸。這是由于外加磁場(chǎng)后，電弧長(zhǎng)度增加，造成單位長(zhǎng)度內(nèi)軸向壓力差減小，導(dǎo)致電弧等離子體達(dá)到工件上表面的速度減小，因此，對(duì)工件表面沖擊力減小[14]。

圖6 工件表面電弧壓力分布

圖7為工件上表面截線l1上電弧壓力的分布曲線。

圖7 l1上電弧壓力分布曲線

從圖7可以看到，無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，在x=0處取得最大值251 Pa；外加磁場(chǎng)時(shí)，在x=-0.86 mm處取得最大值231 Pa。從圖中曲線可以看出外加磁場(chǎng)使工件表面電弧壓力減小，最大值降幅約為7.97%。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

文中試驗(yàn)使用微束等離子焊接系統(tǒng)，選擇焊接電流14 A，等離子氣0.3 L/min，保護(hù)氣10 L/min，堆焊時(shí)送絲速度0.13 m/min，在長(zhǎng)寬分別為170 mm與50 mm，厚為4 mm的304不銹鋼上進(jìn)行焊接試驗(yàn)，其化學(xué)成分見文獻(xiàn)[15]。外加穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度為30 mT，當(dāng)焊槍行至線圈邊緣處打開勵(lì)磁電源，離開線圈后關(guān)閉勵(lì)磁電源，并使用CCD相機(jī)對(duì)焊接過(guò)程的電弧進(jìn)行拍攝，試驗(yàn)裝置示意圖如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)裝置示意圖

3.1 熔焊試驗(yàn)

為對(duì)仿真結(jié)果加以驗(yàn)證，首先進(jìn)行不填絲熔焊試驗(yàn)。電弧溫度越高，釋放光輻射越強(qiáng)，因此其光學(xué)圖像可在一定程度上代表溫度分布。圖9給出了試驗(yàn)拍攝的電弧輪廓與仿真溫度場(chǎng)的對(duì)比，可以看到，無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，靠近噴嘴處電弧非常集中，遠(yuǎn)離噴嘴處電弧較分散，與仿真結(jié)果基本一致；外加磁場(chǎng)后，噴嘴下方電弧發(fā)生與焊接方向相反(x負(fù)方向)的偏轉(zhuǎn)，但由于線圈對(duì)相機(jī)角度的影響，導(dǎo)致拍攝到的電弧右側(cè)工件上出現(xiàn)反光區(qū)域，其余輪廓與仿真結(jié)果吻合較好。

圖9 試驗(yàn)與仿真電弧輪廓對(duì)比

3.2 堆焊試驗(yàn)

按上述方法進(jìn)行3層堆焊試驗(yàn)，并截取焊縫截面，如圖10所示，圖中①為無(wú)磁場(chǎng)焊縫截面，②為添加磁場(chǎng)焊縫截面。結(jié)果表明：加磁前后堆焊層存在較大差別，無(wú)磁區(qū)域焊縫無(wú)明顯分層，余高較小，熔寬較大，由截面①可見焊縫向兩側(cè)“下塌”；加磁區(qū)域焊縫存在明顯分層，余高增加，熔寬減小，由截面②可見焊縫“下塌”現(xiàn)象消失。根據(jù)上述分析可知，外加磁場(chǎng)作用下電弧對(duì)焊件的熱輸入減小，對(duì)熔池的壓力降低，使得熔池沒有向兩側(cè)“下淌”，因此，焊縫“下塌”現(xiàn)象消失，焊縫余高增加，熔寬減小，有利于多層堆焊成形。

圖10 加磁前后堆焊層形貌

4 結(jié) 論

1)外加橫向穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)后，由于噴嘴的限制，噴嘴內(nèi)部電弧等離子體未發(fā)生明顯變化，噴嘴下方電弧等離子體因受到洛倫茲力向x負(fù)方向移動(dòng)，相應(yīng)的電弧形態(tài)、電弧等離子體流速、電流密度等均發(fā)生相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)。在加磁前后，電弧最高溫度由14 912 K減至14 776 K，焊件表面最高溫度由3 558 K降低至3 242 K；電弧等離子體流速大小無(wú)明顯變化，約為192 m/s；兩極之間電壓由25.2 V增加至25.7 V。

2)外加30 mT橫向穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)后，工件表面電弧熱輸入減小，最大值減小幅度約為10.5%；電弧壓力降低, 最大值降幅約為7.97%。

3)在長(zhǎng)寬分別為170 mm與50 mm，厚為4 mm的304薄板上進(jìn)行熔焊與堆焊試驗(yàn)，熔焊試驗(yàn)過(guò)程中拍攝電弧輪廓與仿真得到的電弧形態(tài)吻合度較好；堆焊層有磁區(qū)域較無(wú)磁區(qū)域焊縫余高增加、熔寬減小，且焊縫沒有向兩側(cè)“下塌”，有利于多層堆焊成形。