高效GMAW潛弧焊電弧特性數值分析

侯英杰，樊 丁，2，黃健康，2

1.蘭州理工大學 材料科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050 2.蘭州理工大學 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050

0 前言

大電流GMAW潛弧焊相比于其他GMAW焊接方法有著極其優異的焊接效率，在500 A電流下，采用50 m/min的送絲速度和60 cm/min的焊接速度可將20 mm厚的鋼板開坡口單道焊透，實現單面焊雙面成形，且成型良好，這使得焊接效率得到成倍的提升。因為電弧和熔滴過渡都在潛弧空腔中，所以大電流GMAW常見的飛濺大的問題得到很好的改善，顯著提高了熔敷效率和改善了作業環境。因此GMAW潛弧焊擁有極大的應用前景［1］。

王候庭［2］等人在粗絲CO2氣體保護焊工藝性能研究中對粗絲CO2氣體保護焊潛弧現象進行了討論，提到粗絲CO2氣體保護焊潛弧有焊接過程穩定、飛濺小等特點。鄭州煤礦機械集團股份有限公司［3］于2021年針對CO2潛弧焊在液壓支架行業的工程應用進行了可行性研究。結果表明，CO2潛弧焊可顯著提高焊接效率，適合用于液壓支架結構件中PA位置施焊的坡口焊縫和角焊縫。GMAW潛弧焊的電弧和熔滴過渡發生在潛弧空腔中，在實驗中通過高攝攝像等設備很難觀察到潛弧空腔中的現象，因此通過數值模擬方法來研究GMAW潛弧焊的電弧特性是一種重要途徑。由于GMAW潛弧焊電流很大，電弧溫度也隨之增高至上萬攝氏度以上，在如此高的溫度下潛弧空腔中焊絲和熔池會汽化，從而產生大量金屬蒸氣。Murphy［4-5］等人研究表明，由于金屬蒸氣的凈輻射系數要大于相同溫度下的二氧化碳的凈輻射系數，因此金屬蒸氣的加入會造成電弧較大的輻射熱損失，導致電弧溫度明顯下降。因此在GMAW潛弧焊電弧特性的數值模擬中，金屬蒸氣氣氛對其電弧特性的準確模擬是很重要的影響因素，有必要考慮并深入分析其影響規律。

目前關于GMAW潛弧焊的電弧模擬分析鮮有研究報道。本文結合已有的實驗數據主要針對金屬蒸氣氛圍下的磁控GMAW潛弧焊電弧特性進行數值模擬分析，嘗試分析在大電流GMAW潛弧焊中金屬蒸氣及外加直流軸向磁場對電弧特性的影響。

1 數學模型

1.1 電弧數學模型

為建立合理科學的數學模型，參考劉忠杰［1］等人通過X射線透射設備拍攝的大電流GMAW潛弧焊電弧空腔（見圖1a），結合本課題組實驗中高速攝像拍攝的大電流GMAW潛弧焊焊接過程中的熔池（見圖1b）實際焊接實驗現象及焊接電弧的軸對稱特性，建立了軸對稱的電弧熔池二維模型，如圖2所示。因未考慮熔滴過渡的影響，所以簡化焊絲端部的熔化，將焊絲端部設置為圓臺。計算域分為電弧區域和電極區域（焊絲和母材）。相關焊接參數如表1所示。

表1 焊接參數Table1 Welding parameters

圖1 大電流GMAW潛弧焊熔池Fig.1 High current GMAW buried-arc welding molten pool

1.2 基本假設

由于焊接電弧產生包含著許多非常復雜的物理化學現象，在不影響電弧模擬的科學合理性和準確性的前提下，對電弧模型做出以下假設：

（1）電弧等離子體處于連續的、層流的穩態。

（2）電弧等離子體基于局部熱平衡假設（Local thermodynamic equilibrium，LTE）。

（3）電弧是光學薄的，輻射相關的計算參數用凈輻射系數表示。

（4）忽略熔滴對電弧的影響。

（5）等離子體物性參數如密度、粘度、比熱容等僅為溫度和鐵蒸氣濃度相關的函數。

1.3 控制方程組

用到的所有控制方程可以統一寫成：

式中t、ρ、Φ、v、ГΦ、SΦ分別代表時間、密度、通用變量、速度矢量、擴散系數及源項。在不同控制方程中的Φ、ГΦ以及SΦ所具體代表的物理量如表2所示。

表2中μ、P、j、B、g、V、σ、A、μ0、h、k、cp、Su分別為粘度、靜壓力、電流密度、磁感應強度、重力加速度、電勢、電導率、磁勢矢量、真空磁導率（4π×10-7H·m-1）、焓、熱導率、比熱以及動量源項。

電弧區域中能量源項的表達式為

式（2）右邊能量源項依次為電流焦耳熱源項，電子輸運焓源項和電弧輻射熱損失源項。KB、e、εn分別為Boltzmann常數、元電荷以及CO2-Fe混合的凈輻射系數。由于在陰極區和陽極區附近電子輸運焓項會因該區域的溫度梯度很大對數值計算收斂產生影響。并且在之前許多關于GMAW電弧行為的數值模擬研究［7-9］中常常忽略電子輸運焓這一項，得到的計算結果與實驗結果有著較高的吻合度［10-11］，因此本次數值模擬未考慮該源項。

考慮GMAW潛弧焊潛弧空腔內產生的金屬蒸氣對電弧特性的影響，引入了關于Fe金屬蒸氣的組分輸運方程。Fe蒸氣質量分數守恒方程擴散項中的二元擴散系數［12］通過下面的公式計算得到。

式中M1、M2分別為 Fe、CO2的摩爾質量；ρ1、μ1和ρ2、μ2分別是 Fe蒸氣和CO2氣體的密度及粘度［12］；β1、β2是無量綱常數［13］。

歐姆定律和亥姆霍茲分解方程分別為式（4）、式（5）

1.4 邊界條件

母材側壁和底壁的熱邊界條件為：

式中n、hc、Tw、T0、ε0、σ0分別為邊界的法矢量、壁面傳熱系數、壁面溫度、300 K室溫、輻射散熱系數及Stefan-Boltzman常數［14］。

GMAW潛弧焊焊接鋼材時，一般采用反接方式，此時的母材為陰極。熱流密度為［15］：

式（7）的右側三項分別為：電弧對陰極表面的熱傳導、輻射散熱和金屬蒸氣蒸發熱損失［15］。keff為陰極附近電弧等離子體的熱導率［16］；Taw和Tap分別為母材與電弧耦合邊界兩側的緊鄰該邊界的母材及電弧溫度；δ為陰極區長度。Lv、ФV分別為Fe的蒸發潛熱、Fe金屬蒸氣的蒸發速率，數據由實驗測量得到。

陽極焊絲端的熱流密度為：

式（8）的右側第二項為陽極電阻熱。

邊界條件如表3所示。

表3 邊界條件Table 3 Boundary conditions

表3中n為單位向量，j為焊絲橫截面上的電流密度，I為焊接電流，r為焊絲半徑。

1.5 物性參數

保護氣體CO2及Fe蒸氣的物性參數來自Murphy［17］。Fe蒸氣與CO2混合后的物性參數可以由混合定律得到。

1.6 數值處理與求解

電磁變量通過用戶自定義變量添加，源項、材料物性參數和邊界條件等通過用戶自定義函數的二次開發編程添加。使用SIMPLEC算法對所要求解的方程組進行計算求解。

2 結果與討論

2.1 溫度場

圖3、圖4分別為外加直流軸向磁場前后電弧和電極的溫度場，同時對比了考慮金屬蒸氣前后的溫度場。模擬結果表明，相比于普通GMAW焊接電弧，大電流GMAW潛弧焊的電弧形態不再是典型的鐘罩型，而是更加擴展，焊絲端部的一部分焊絲會被電弧包裹，這樣勢必會改變焊絲受熱從而影響熔滴過渡。電弧在焊絲端部正下方軸向和焊絲端下2 mm徑向上的溫度分布如圖5所示，可以看出，金屬蒸氣的加入使得電弧溫度整體下降。且電弧的中心高溫區偏離了軸線位置，在徑向分布上從原來的高斯分布變成雙峰，焊絲端部軸線位置出現低溫區，這更符合實際觀測到的GMAW焊接電弧形態［18］。圖6、圖7分別為外加直流軸向磁場前后電弧和熔池壓力云圖，根據壓力云圖顯示，大電流GMAW潛弧焊的電弧壓力分布與普通GMAW焊相似，都是在焊絲端部附近和母材上表面存在高壓區，這有利于電弧排開液態金屬“深扎”進熔池實現潛弧?？紤]金屬蒸氣后，母材上表面受到的電弧壓力相比于無金屬蒸氣時下降了近40%，且同一區域壓力梯度值減小，這會對電弧排開液態金屬實現潛弧造成影響。

圖3 無外加磁場時的電弧及電極溫度場Fig.3 Temperature field of arc and electrode without external magnetic field

圖4 外加磁場下的電弧及電極溫度場Fig.4 Temperature field of arc and electrode under external magnetic field

圖5 不同條件下電弧在軸向和徑向上的溫度分布Fig.5 Axial and radial temperature distribution of arc under different conditions

圖6 無外加磁場時的電弧及熔池壓力云圖Fig.6 Cloud diagram of arc and molten pool pressure without external magnetic field

圖7 外加磁場下的電弧及熔池壓力云圖Fig.7 Cloud diagram of arc and molten pool pressure under external magnetic field

外加直流軸向磁場對焊接電弧的作用主要是改變電弧形態，且最高溫度略有上升，這進一步影響熔池空腔受熱，從而影響熔池流動。其次，電弧溫度高溫區輪廓線在焊絲端部附近產生顯著收縮現象，結合電弧在焊絲端部正下方軸向和焊絲端下2 mm徑向上的溫度分布能夠看出（見圖5），電弧等離子體溫度在靠近母材附近區域出現中心低溫區，且越靠近母材，偏離軸線程度越明顯。根據文獻［19］的研究發現這種現象是電弧的軸向壓縮作用引起的。從模擬結果能夠明顯得出導致收縮最主要的原因是電弧壓力場的變化。壓力云圖如圖6所示，整個母材上表面的電弧壓力分布由單峰分布變成雙峰分布。在母材上表面附近軸線兩側存在高壓區，而中心區域存在低壓區，導致電弧等離子體在中心區域發生了從母材上表面向焊絲端的回流。圖4b為考慮金屬蒸氣氛圍且外加直流軸向磁場下的電弧溫度云圖，電弧最高溫度降至15 484 K左右。電弧形狀更接近于僅外加軸向磁場的電弧形狀（見圖4a），相比于僅外加磁場的電弧，其焊絲端部下方出現低溫區。可見，金屬蒸氣和外加磁場都會對電弧溫度場及電弧形態產生影響。

金屬蒸氣分布如圖8所示，金屬蒸氣的分布主要是在焊絲端部一下軸線區域上，由此分析得出：因為焊絲端部產生的大量金屬蒸氣進入電弧區域后，Fe蒸氣的凈輻射系數要高于相同溫度下的CO2的凈輻射系數，使得電弧等離子體輻射熱損失加大，導致電弧溫度下降。因此這一區域的溫度會低于軸線兩側金屬蒸氣含量較少區域的溫度，從而導致焊絲端部下方出現低溫區。

圖8 外加磁場對金屬蒸氣分布的影響Fig 8 Influence of applied magnetic field on metal vapor distribution

2.2 金屬蒸氣分布

圖8為只考慮金屬蒸氣影響和考慮金屬蒸氣且外加軸向磁場的金屬蒸氣分布云圖。結果表明，大電流GMAW潛弧焊的潛弧空腔內充斥著金屬蒸氣，但金屬蒸氣主要集中分布在焊絲端部下方。電弧等離子體在外加直流軸向磁場的作用下會沿軸線進行高速旋轉，金屬蒸氣分布也因此受到影響。在不加直流軸向磁場時，焊絲端部附近金屬蒸氣含量最多，金屬蒸氣沿軸線分布，由軸線向周圍擴散，在徑向上呈高斯分布。而在外加直流軸向磁場的作用下，金屬蒸氣分布偏離軸線，母材上方的金屬蒸氣主要分布在焊絲下端的軸線兩側，在軸線上分布變少出現空腔，在徑向上呈現雙峰分布。

2.3 電場

根據圖9所示的四種條件（A：不考慮金屬蒸氣且不加磁場；B：考慮金屬蒸氣且不加磁場；C：不考慮金屬蒸氣且外加磁場；D：考慮金屬蒸氣且外加磁場），對比A、B可知金屬蒸氣可以提高電弧電壓，這是因為雖然溫度在15 000 K以下時，金屬蒸氣的電導率要高于純CO2［19］，但金屬蒸氣的加入使得電弧整體溫度較大幅度下降，造成電弧整體電導率下降程度更大，因此整體表現出電壓值上升。對比A、C可以看出，外加磁場同樣會導致電弧電壓的升高，主要是外加磁場的收縮作用導致，但上升幅度小于因金屬蒸氣造成的電壓上升幅度。綜上所述，金屬蒸氣和外加直流軸向磁場都會導致電弧電壓上升。

圖9 外加磁場及金屬蒸氣對電弧電勢的影響Fig.9 Influence of applied magnetic field and metal vapor on arc potential

對比考慮金屬蒸氣前后的電流密度云圖（見圖10）可以看出，金屬蒸氣的加入導致電弧中心電流密度明顯下降，電弧中心區域電流密度梯度降低。這也是相比于普通GMAW焊接電弧，GMAW潛弧焊的電弧更加擴展的原因之一。外加磁場后電流密度分布在中心區出現空腔（見圖11），電流大多從電弧邊緣區通過。結合溫度云圖和金屬蒸氣云圖對比發現，金屬蒸氣分布會影響電流密度的分布，金屬蒸氣主要集中分布在焊絲下方的電弧中心區域，使得電弧中心區域溫度低于電弧邊緣區域溫度，降低了電弧中心區域的電導率，導致電流大多從電弧邊緣區域通過，而電流通過電弧等離子體產生的焦耳熱是電弧能量的重要來源，因此電弧溫度分布受到影響。

圖10 無外加磁場時的電流密度分布Fig.10 Current density distribution without applied magnetic field

圖11 外加磁場下的電流密度分布Fig.11 Current density distribution under applied magnetic field

3 結論

（1）GMAW潛弧焊的電弧相比于普通GMAW焊接電弧有著較大差異，其電弧更加擴展，在焊絲端部一部分焊絲會被電弧包裹，有爬弧現象。

（2）GMAW潛弧焊的潛弧空腔內充斥著大量金屬蒸氣，電弧氣體氛圍的改變使電弧溫度明顯下降，甚至出現了電弧中心低溫區。主要原因是金屬蒸氣較大的凈輻射系數導致的電弧等離子體較大的輻射熱損失以及電流密度的分布改變造成的電流通過電弧等離子體產生焦耳熱差異。GMAW潛弧焊的這種電弧特性勢必會影響到熔滴過渡和熔池受熱流動。

（3）通過外加磁場來控制GMAW潛弧焊，會使電弧收縮，導致電弧下部中心區域形成一個低溫、低壓腔體。

（4）金屬蒸氣的冷卻作用和外加磁場的收縮作用都會提高電弧電壓。

（5）目前關于GMAW潛弧焊技術的工藝試驗以及機理研究還不完善，其電弧—熔滴—熔池耦合行為機理尚不明確，數值模擬是未來研究其機理的重要手段，可為高效GMAW潛弧焊工藝研究提供理論支撐。