1 引言

近些年兴起的快速增材制造技术以其无需传统模具、加工工序少及制造周期短等优势而被人们关注^[1]。根据热源的不同,增材制造可分为激光增材、电子束增材以及电弧增材^[2]。针对激光和电子束在增材大型化、整体化复杂结构件方面的不足,以电弧为热源的低成本高沉积率的堆焊技术被越来越多的人重视^[3]。

电弧增材同激光熔覆都是基于逐层熔覆的原理堆积制造零件,热源会重复对基板和已焊焊道进行热处理,产生热循环效应,影响基板与已焊焊道的宏观形貌、微观组织及力学性能,因此研究焊接过程中的温度对增材成形件形貌、性能和寿命的影响具有重要意义^[4]。与激光电子束等热源方式不同,TIG(Tungsten Inert Gas)电弧增材由非熔化极钨极提供稳定的热源,能量相对较低,电弧稳定,能够成形组织致密的金属零件^[5]。有许多学者进行了电弧增材制造方面的研究,如:樊丁等^[6]基于TIG电弧增材制造建立了电弧与熔池交互的数学模型,并分析了熔池的温度场;Ding等^[7-8]采用三维热弹塑性瞬态模型和稳态热分析模型,研究了电弧增材制造过程中的温度模拟和变形预测;李少海^[9]采用数值模拟的方法模拟了TIG堆焊Q235钢时焊接能量与焊接时间对焊件温度场、应力场的影响。然而电弧及熔池都具有很高的温度,单纯依靠实验方法很难全面反映实时的增材过程,并且电弧在等离子状态下仍有一些理论问题尚未得到完全解决。目前,国内外针对TIG电弧增材多层堆积中温度及应力分布规律的报道还不多,增材制造过程中热源往复移动引起的温度场分布不均是成形件产生变形甚至裂纹的主要因素^[10],研究增材制造过程中的温度变化规律,是降低工件中残余应力的关键。

本文借助ANSYS有限元仿真模拟电弧增材的动态成形过程,分析了增材制造过程中基板与焊道的温度场分布及变化规律,并利用实验验证了数值模拟方法的正确性。模拟得到的电弧增材多道堆积过程中温度场的变化规律,能够为成形件微观组织演变的研究提供理论指导。

2 数值模型

2.1 模型假设

1) 假设熔池和电弧呈轴对称分布;

2) 假设焊接系统周围空气的温度稳定;

3) 假设焊接系统的输出功率稳定,焊接过程平稳;

4) 忽略电磁作用对温度场、应力场的影响;

5) 忽略熔池流场的作用,不考虑电弧压力。

2.2 模型分析及简化

2.2.1 模型分析

采用TIG非熔化极氩气气体保护焊进行实验,利用YC-315TX焊机、WF-007A填丝机、VMC600加工中心以及Fluke Ti400红外热像仪等组成的加工平台,研究电弧增材制造过程中基板及焊道温度场的变化规律。实验选择的电流为170 A,焊接速度为120 mm/min,送丝速度为470 mm/min,起弧高度为4 mm,保护气流量为9 L/min。选用直径为1.6 mm的ER50-6碳钢焊丝,在尺寸为240 mm×220 mm×15 mm的45钢基板中心,沿宽度方向焊接40 mm长的焊道。实验前用丙酮溶液擦拭基板表面,以去除油污。焊丝与基板的化学成分如表1所示。

实物模型如图1(a)所示,采用扫描精度为0.03 mm的handyscan700扫描仪对焊道与基板进行扫描,得到的焊道的点云数据如图1(b)所示,焊道截面的模型如图2所示。

图 1. 焊道实物模型与点云数据。(a)单层焊道;(b)焊道点云

Fig. 1. Physical and point cloud data of weld bead. (a) Single-layer weld bead; (b) point cloud of weld bead

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2.2.2 模型简化

对几何模型进行简化,忽略焊道和基板的倒角、小凹槽以及小孔等小特征,将焊道截面简化为图2所示的模型。网格划分如图3所示。考虑到焊道周围区域的温度梯度比较大,将焊道区域的网格细化,单元尺寸为0.5 mm×0.5 mm×0.5 mm;焊道附近基板的网格划分得相对稀疏,单元尺寸为1 mm×1 mm×1 mm;远离焊道的基板区域的网格划分得较稀疏,单元尺寸为5 mm×5 mm×5 mm。这样做的目的是提高计算的精度和效率。

图 2. 简化后的焊道截面模型

Fig. 2. Simplified weld bead section model

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图 3. 有限元网格模型

Fig. 3. Finite element mesh model

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2.3 传热边界条件

基板被置于室温空气中,电弧作为单一热源被加载到基板与焊丝上。由于基板尺寸远大于焊缝尺寸,因此温度从熔池区域向远离热源的基板部位扩散^[11]。在焊接过程中,热量主要通过电弧传导到熔池中,材料熔化沉积过程的热量交换主要为对流换热,其次是热辐射。所以选用综合传热系数

h=(T4-Ta4)εσhcT-Ta,(1)

式中:h为综合传热系数;T为工件表面的实时温度;T_a为环境温度,设定为 25 ℃;ε为辐射率;σ为Stefan-Boltzmann常数;h_c为对流换热系数。

焊接时的温度很高,材料在相变及熔化过程中会吸收或放出一定的热量,因此在计算材料的焓值时,要考虑材料的相变潜热。焓值的计算公式为

H=∫ρc(T)dT,(2)

式中:ρ为材料随时间变化的密度;c(T)为材料随时间变化的比热容。

实际的焊接过程会涉及到复杂的热力学、电磁学等问题,而且材料的物理参数会随温度而变化。目前通过实验很难测得高温下金属的热物理参数。本文采用Jmatpro模拟材料热物理参数,与材料已有的物理参数进行对比,对模拟的参数进行修正后的结果如表2所示。

2.4 焊接过程的温度场设置

2.4.1 热源模型的建立与加载

热源模型会直接影响模拟的结果,因此合理的热源模型是实现良好焊接模拟的基础条件^[12]。对于电弧焊接来说,热源的热流会沿着基板厚度方向施加影响,因此选取对焊缝网格划分细度要求不高的体生热率热源模型。体生热率热源计算公式为

H=KUItVA3

式中:K为热源的热效率;U为电压;I为电流;A为焊道横截面积;V为焊速;t为单位载荷步的时间。模拟过程中K取0.7,电流I为170 A,电压U为9 V,焊速为0.002 m/s。

2.4.2 生死单元的建立与加载

采用生死单元法模拟焊接过程,通过修改单元刚度在焊接模拟前将焊道单元“杀死”,单元被“杀死”只是将单元的各项材料属性降到最低,并不会影响其他部位的模拟计算。当热源移动到焊道某一单元上时,该部位的单元将被激活并参与模拟分析。

3 模拟分析及实验验证

3.1 模拟结果

通过ANSYS软件可以计算分析ER50-6焊丝在焊接熔覆过程中的温度场变化。焊接结束冷却70 s时基板的温度场分布如图4所示,由图4可知,在基板冷却散热过程中,温度沿焊道两侧方向逐渐降低,且大致呈对称分布,最高温度为56.0 ℃,位于焊道中心。

图 4. 焊后冷却70 s时基板的温度分布云图

Fig. 4. Temperature distribution of plate for 70-s cooling after welding

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图 5. 节点选取以及不同时刻各点的温度分布图。 (a)节点的选取;(b)焊接结束及焊后冷却70 s时的温度

Fig. 5. Node selection and temperature distribution at different time. (a) Node selection; (b) temperature after welding and temperature for 70-s cooling after welding

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3.2 温度随位置变化的规律

如图5(a)所示,在焊缝与基板相交的边缘线R₁上每隔5 mm等间距选取9个节点,对比观察焊接结束以及焊后冷却70 s时的温度变化。由图5(b)可知,焊接结束时,焊道边缘处的最高温度达到1428.1 ℃,而焊接起始处由于基板和空气的冷却散热已经降到200 ℃以下。对比图中各点在焊后冷却70 s时的温度变化,可以计算得到15 mm厚度45钢基板的散热速率。

3.3 温度随时间变化的规律

同样在焊缝与基板相交的边缘线R₁上,分别在z=0 mm、z=10 mm、z=20 mm、z=30 mm、z=40 mm处取5个节点,观察焊道不同位置处节点的温度随时间变化的规律。

图 6. 焊缝边缘各点温度随时间的变化

Fig. 6. Variation in temperature at each edge point of weld with time

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由图6可以看出:当热源移动到各个节点时,该点的温度急剧升高;当热源移走后,温度先在短时间内迅速降低,降到一定程度后缓慢下降,一段时间后各节点的温度基本趋于一致。由各节点的温度曲线可知:焊接开始后,由于热量的积累,基板的最高温度逐渐上升;由于焊道两端与基板对流换热作用明显,因此热源消失后温度下降的速率明显比中间节点快。由图6能够计算得到基板的升温速率和降温速率,根据模拟结果还可以直观地看出焊接结束10 s左右时基板的整体温度降到了200 ℃以下。

3.4 实验验证

根据上文建立的单焊道焊接模型得到了焊接及冷却过程中的温度场分布规律,现将实验测得的焊道边缘上特征点的温度变化曲线与模拟结果进行对比。实验采用Fluke Ti400红外热像仪对增材制造过程中的温度场进行测量,在SmartView软件中选取与R₁线段相同位置处的温度数据,将测量温度与模拟温度进行对比,如图7所示。由图7(a)可以看出,焊道边缘处的最高温度在1383.3 ℃左右,实际温度变化趋势与模拟结果基本吻合。由图7(b)可知,实际焊接结束70 s时,基板温度约为40 ℃。由于模型误差以及模拟热物理参数的偏差,基板实际温度比模拟温度稍偏低。起弧点和熄弧点由于对流换热显著,偏差更为明显。图8为焊接终点温度随时间变化的模拟结果与实测结果,可以看出焊接结束后二者的冷却变化情况基本一致。

图 7. 不同时刻焊道边缘的模拟温度与实际温度。(a)焊接结束时;(b)焊后冷却70 s时

Fig. 7. Comparison of simulated and actual temperatures of weld bead edge at different time. (a) After welding; (b) cooling for 70 s after welding

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图 8. 焊接终点温度随时间的变化

Fig. 8. Variation in temperature of welding end point with time

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4 基板厚度对堆积温度场的影响

采用上述数值模拟方法分析电弧增材制造温度场具有一定的可行性,因此本文运用该数值模拟方法进一步对相关温度场进行分析。

基板的厚度是电弧增材制造的重要参数之一,对冷却过程中的温度场有很大影响,因此探究不同厚度基板下电弧增材过程中温度的变化规律对成形件的组织、性能研究具有重大意义。本文采用上述实验参数,分别模拟了基板厚度为5,10,15,20,25 mm的增材制造过程中的温度场变化,以研究焊道边缘中心点处的温度随时间的变化规律。由图9可以看出,增材制造过程中基板厚度对温度的影响较小;在降温过程中,随着厚度增大,基板的导热速率增大,因此降温速率不断增大。由图9可知:当基板厚度为5 mm时,降温速率最小;当基板厚度为10 mm时,降温速率显著增大;当基板厚度达到15 mm后,降温速率增大得不明显。因此,15 mm可以作为本文电弧增材时基板厚度的最优选择。

图 9. 焊道边缘中点的温度随时间的变化

Fig. 9. Variation in temperature at the midpoint of weld bead edge with time

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5 单道多层增材制造过程中温度场的变化

采用上述实验参数在基板厚度为15 mm的45钢板上模拟单道堆焊10层的温度场变化。根据之前的研究可知,在单道多层堆积过程中,除第1层外,其他层的层高基本一致,且约为第1层层高的70%。在模型处理时,假设每层焊道的外轮廓都与第1层相同,只是将第1层焊道沿垂直方向上移焊道高度的70%,则该实验参数下的焊道堆积模型如图10(a)所示。焊道网格划分如图10(b)所示,网格尺寸与单道模型相同。增材制造过程的扫描路径会对成形件尺寸精度有很大影响^[13],本文采用体生热热源,以成形精度较好的S型路径模拟焊道的堆积过程,每层焊道堆焊结束后冷却30 s再进行下一层堆焊。

图 10. 多层堆焊网格模型。(a)焊道模型;(b)焊道网格

Fig. 10. Multi-layer welding grid model. (a) Model of weld bead; (b) grids of weld bead

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5.1 基板对多层堆积温度场的影响

增材制造完成后,在第1层焊道与基板相交的边缘线中点处测量该点的温度场随时间的变化规律,结果如图11所示。由该点的热循环曲线图可知:在增材制造前4层时,由于热源距离基板较近,影响明显,升温和降温速率均较大;随着堆积层数增多,热源与基板的距离增大,已堆焊层传递到基板上的热量逐渐减少,使得波峰温度不断降低,并且波峰间的温差不断减小;由于热积累效应波谷温度缓慢升高且趋于稳定。波峰与波谷的温差逐渐缩小,说明随着堆积层数增加,

图 11. 焊道边缘与基板交线中点的温度随时间的变化

Fig. 11. Variation in temperature at midpoint of intersection line of bead edge and substrate with time

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基板对堆焊层的影响逐渐减小。由图11可知,在第4层以后的堆焊中,热循环传递到第1层的热量不足以引起其微观组织和力学性能的变化。因此,基板对前4层散热的影响最明显。

5.2 各层焊道温度场的变化规律

垂直于焊接方向,在第2层到第5层焊缝侧壁中心顶点处各取一点,其温度随时间的变化如图12所示。随着焊层增加,由于热积累效应,熔覆层的峰值温度逐渐升高,波谷温度缓慢升高。由图12可以看出后续熔覆层对已堆焊层温度的影响,在相同的冷却时间下,前几层的冷却速率较大,各层波谷温度基本一致,熔覆第5层以后不同焊层波谷温度相差逐渐明显,说明基板对前四层焊道的散热作用比较明显。当堆焊后一熔覆层时,前道焊层会再次被加热到熔化温度,形成熔池重熔,随着层数增加,各焊层波峰间的温度逐渐升高,且温差有缩小的趋势。由于堆焊高度增加,热量主要由上层缓慢向下层焊道及空气中传递,而基板的散热作用不断减小,热量堆积在各个焊层间。图13为堆焊10层时第1层到第5层各层波峰温度分布图,可知:在整个堆焊过程中,上层焊缝热循环中引起材料组织性能变化的峰值温度数量比下层多。熔覆第10层时热循环再加热效应使第3层微观结构发生再次结晶。通过上述分析得到的多层堆积温度变化规律可为增材制造过程中层间等待时间的选取提供理论依据。

图 12. 各焊层侧壁中心顶点处的温度随时间的变化

Fig. 12. Variation on temperature at peak of side wall center of each welding layer with time

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图 13. 各层波峰温度分布图

Fig. 13. Temperature distribution of wave peaks in each layer

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6 结论

本文建立了TIG焊接过程中单焊道温度场的数值模型,采用生死单元法模拟了电弧增材制造过程中温度场的分布及变化规律,通过实验对比分析得到如下结论。

1)通过模拟与实验相结合,验证了经过简化的物理模型以及修正的金属热物理参数能在一定精度上很好地应用于金属材料的有限元热力学分析,可以应用该方法进行多层多道电弧增材制造过程中温度场、应力场的模拟。

2)通过对比分析基板厚度对电弧增材制造温度场的影响规律,得出15 mm可作为基板厚度的最优选择。

3)分析多层焊道的温度场分布及变化规律后发现,基板散热对前4层焊道的影响比较明显,随着堆焊层数增加,上层熔覆层对已堆焊层的热影响范围增大。

上述增材制造过程温度的变化规律能够为碳钢材料在电弧增材工艺与锻、铣工艺一体化快速成形研究中,借助增材后余温选择合适的锻打时机来改善成形件的组织、性能提供参考。