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送丝速度对电弧增材熔池流动及焊道成形影响的数值模拟

周祥曼, 傅子川, 柏兴旺, 田启华, 方东, 付君健, 张海鸥

周祥曼, 傅子川, 柏兴旺, 田启华, 方东, 付君健, 张海鸥. 送丝速度对电弧增材熔池流动及焊道成形影响的数值模拟[J]. 焊接学报, 2023, 44(5): 109-116. DOI: 10.12073/j.hjxb.20220603001
引用本文: 周祥曼, 傅子川, 柏兴旺, 田启华, 方东, 付君健, 张海鸥. 送丝速度对电弧增材熔池流动及焊道成形影响的数值模拟[J]. 焊接学报, 2023, 44(5): 109-116. DOI: 10.12073/j.hjxb.20220603001
ZHOU Xiangman, FU Zichuan, BAI Xingwang, TIAN Qihua, FANG Dong, FU Junjian, ZHANG Haiou. Numerical simulation of the effect of wire feeding speed on the molten pool flow and weld bead morphology of WAAM[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2023, 44(5): 109-116. DOI: 10.12073/j.hjxb.20220603001
Citation: ZHOU Xiangman, FU Zichuan, BAI Xingwang, TIAN Qihua, FANG Dong, FU Junjian, ZHANG Haiou. Numerical simulation of the effect of wire feeding speed on the molten pool flow and weld bead morphology of WAAM[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2023, 44(5): 109-116. DOI: 10.12073/j.hjxb.20220603001

送丝速度对电弧增材熔池流动及焊道成形影响的数值模拟

详细信息
    作者简介:

    周祥曼,博士,副教授,硕士研究生导师;主要研究方向为电弧增材制造/再制造;Email: zhouxman@ctgu.edu.cn

  • 中图分类号: TG 444

Numerical simulation of the effect of wire feeding speed on the molten pool flow and weld bead morphology of WAAM

  • 摘要: 通过数值模拟研究了不同送丝速度下电弧增材制造单道熔积成形过程中的传热传质及熔池流态,分析了送丝速度对焊道形貌的影响. 结果表明,当送丝速度较小时,基板接受的电弧热较多,熔池的熔深较深且流动性较强,成形焊道较宽且高度较低;随着送丝速度的增大,熔融金属向上堆积,熔池体积增加,送丝速度达到一定值时,电磁力与表面张力达到动态平衡,熔深与焊道高度接近;当送丝速度较大时,液态金属对流减弱,熔深较浅,在表面张力的作用下,熔池边缘收缩导致焊道隆起. 模拟与试验结果吻合较好,研究结果可以为GTAW电弧增材技术的工艺参数调控提供理论依据.
    Abstract: The heat and mass transfer and molten pool flow in single-pass deposition of wire arc additive manufacturing (WAAM) were studied using numerical simulation, and the influence of wire feeding speed on weld bead morphology was analyzed. The results show that when the wire feeding speed is low, the substrate receives more arc heat, the molten pool has deeper penetration and stronger fluidity, and the weld bead width is wide with a low height. As the wire feeding speed increases, the molten metal accumulates upward, and the molten pool volume increases. When the wire feeding speed reaches a certain value, the electromagnetic force and surface tension achieve a dynamic balance, and the molten pool penetration approaches the weld bead height. At higher wire feed speeds, molten pool convection tends to weaken, and penetration becomes shallow. Under the action of surface tension, edge shrinkage of the weld pool leads to weld bead bumps. The simulated single-bead cross-sectional profile agrees well with experimental results and can provide theoretical bases for controlling process parameters in gas tungsten arc welding-based additive manufacturing technology.
  • 304不锈钢因其具有良好的塑性[1]和耐腐蚀性能[2],广泛应用于核反应堆堆芯及周围结构材料[3]. 焊接作为核电设备制造以及维修过程中重要的环节,焊缝质量与核电设备的运行状态息息相关[4],因此对焊缝质量提出了更高的要求,激光焊接技术具有焊接质量高、污染少等优点,在核电站水下部件维修中具有良好的应用前景[5].

    近年来,国内外学者对不锈钢水下激光焊接进行了大量研究,其中,YOU等人[6]完成了6 mm水深的不锈钢湿法激光焊接,结果表明,在相同的水深条件下,热输入较高的焊缝内部气孔较多,表面形貌较差;KE等人[7]对浅水环境下湿法激光数值模拟进行了研究,并通过试验证明在0 ~ 4 mm水深下,焊缝熔深大致相同,随着水深的增加,熔宽进一步减小,水深超过6 mm时,无法完成水下激光焊接;秦航等人[8]通过在母材表面预置辅助剂的方法将水下湿法激光焊接的有效水深增加至8 mm,当水深超过8 mm后,不能进行焊接;可见水下湿法激光焊接停留在4 mm左右的浅水阶段,要得到表面形貌较好、质量较高的焊缝,需进行水下局部干法激光焊接.

    GUO等人[9]在对水下Nd:YAG激光焊接焊缝质量与光束能量的研究中指出,局部干燥环境的波动会带来驼峰,影响焊接质量;LI等人[10]对304不锈钢局部干法水下激光焊进行研究,发现随着激光功率的降低或焊接速度的提高,接头气孔率减小;ZHANG等人[11]利用自主研制的同轴喷嘴排水装置进行水下激光焊接,结果表明激光功率较大时,由于产生较多的等离子体,熔深的增加趋势会减慢;LUO等人[12]对不同水压下激光焊接中匙孔和熔池动力学进行了研究,结果表明随着水压的增加,更容易形成浅而稳定的匙孔,焊接气孔率降低,可得到质量较好的接头. 局部干法水下激光焊通过优化参数得到质量可靠的接头,既能作为水下维修抢险的储备技术,也能作为水下装备的维护技术,发展前景较大[13].

    影响焊缝质量的工艺参数有很多,相较于其他学者对激光功率、焊接速度、水深等参数的单变量研究,文中主要利用正交试验探究各参数对焊缝截面参数以及气孔率影响的主次顺序,在此基础上探究正交试验获得的影响最大的参数对接头力学性能的影响规律.

    试验所用母材为304不锈钢,化学成分及力学性能见表1表2所示,正交试验焊接试样尺寸为200 mm × 100 mm × 8 mm,对接试验焊接试样尺寸为200 mm × 100 mm × 4 mm. 自主搭建的水下焊接平台如图1所示,试验中使用6 kW连续光纤激光器,激光头焦距为250 mm,利用水箱模拟水环境,焊接过程将激光焊炬固定在FANUC六轴机器人,按照预定轨迹进行焊接.

    表  1  304不锈钢母材主要化学成分(质量分数,%)
    Table  1.  Mine chemical composition of 304 stainless steel material
    C Mn Si Ni Mo Cr Fe
    0.071 1.53 0.57 9.73 2.77 17.51 余量
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    图  1  水下焊接平台
    Figure  1.  Underwater welding platform
    表  2  304不锈钢母材主要力学性能
    Table  2.  Mechanical properties of 304 stainless steel material
    屈服强度
    ReL/MPa
    抗拉强度
    Rm/MPa
    断后伸长率
    A(%)
    硬度
    H/HV
    272 680 46 <210
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    在水下焊接过程中,利用自主设计的双层气体排水装置进行水下局部干法激光焊接. 图2为自主设计的双层气体排水装置结构示意图,其中外层气体为压缩空气,压缩空气通过金属筛网变得更加均匀,之后通过1 ~ 2 mm间隙在焊接区域的最外侧形成高速气帘,排开焊接区域的水环境,形成局部干燥环境;内层保护气为纯度99.99%的氩气,对焊接区域进行同轴保护;最外侧的约束装置对排水气体产生的气泡进行约束,限制气泡进行长大,起到更好的保护作用.

    图  2  排水装置示意图
    Figure  2.  Drainage device schematic

    试样焊接结束后,将试样垂直于焊缝方向切割获得金相件(图3),金相件经研磨、抛光后,用配制的腐蚀液(10 gFeCl3,30 mLHCl,120 mLH2O)进行腐蚀,利用Image J软件对试样熔宽、熔深以及气孔率进行测量,利用Minitab软件对试验结果进行分析. 接头拉伸试验在Instron万能试验机上进行,拉伸试样从焊接接头垂直于焊缝方向获得(图3),一组试样3个件.

    图  3  金相试样与拉伸试样(mm)
    Figure  3.  Metallographic sample and tensile sample

    为模拟焊接过程中的核电环境,通过在水箱中加入不同质量的硼酸调控硼酸浓度. 为探究激光功率(A)、焊接速度(B)、水深(C)以及硼酸浓度(D)对焊缝横截面形貌和气孔率的影响规律,选择L9(34)的正交试验表,设计了表3中的四因素三水平的正交试验.

    表  3  工艺参数因素水平
    Table  3.  Factor levels of welding parameters
    试验
    编号
    激光功率A
    P/kW
    焊接速度B
    v/(m·min−1)
    水深C
    h/mm
    硼酸浓度D
    ω/(mg·L−1)
    1 2.7 0.4 10 1000
    2 2.7 0.8 20 2000
    3 2.7 1.2 30 3000
    4 3.0 0.4 30 2000
    5 3.0 0.8 10 3000
    6 3.0 1.2 20 1000
    7 3.3 0.4 20 3000
    8 3.3 0.8 30 1000
    9 3.3 1.2 10 2000
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    正交试验获得的焊缝熔宽、熔深以及气孔率结果见表4,为了进一步分析激光功率、焊接速度、硼酸浓度和水深对焊缝熔宽、熔深和气孔率影响的主次关系,对正交试验获得的结果进行极差分析见表5,其中k表示在不同因素的不同水平下熔宽、熔深、气孔率的平均值,极差越大表示该因素的水平波动对试验结果影响越显著.

    表  4  正交试验结果
    Table  4.  Result of orthogonal test
    试验结果 熔宽
    w/mm
    熔深
    H/mm
    气孔率
    α(%)
    5.29 3.86 3.38
    3.21 3.41 3.93
    2.79 3.33 1.44
    5.90 4.71 6.96
    3.32 4.54 0.82
    2.60 3.61 1.88
    6.28 4.75 2.01
    3.21 4.67 0.87
    3.08 3.45 0.73
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    表  5  正交试验极差分析结果
    Table  5.  Range analysis results of orthogonal test
    分析指标 因素 A B C D
    熔宽 k1 3.763 5.828 3.706 3.900
    k2 3.944 3.248 4.068 4.031
    k3 4.192 2.826 4.132 3.971
    极差 0.429 3.002 0.426 0.132
    主次顺序 2 1 3 4
    熔深 k1 3.538 4.443 4.053 3.958
    k2 4.293 4.213 3.862 3.928
    k3 4.295 3.470 4.211 4.239
    极差 0.757 0.973 0.350 0.311
    主次顺序 2 1 3 4
    气孔率 k1 2.917 4.117 0.643 2.043
    k2 3.220 1.873 2.607 3.873
    k3 1.163 1.350 3.090 1.823
    极差 2.057 2.767 2.447 2.050
    主次顺序 3 1 2 4
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    根据表5正交试验的极差分析结果可知,4个因素对熔宽影响由大到小依次为B(焊接速度)—A(激光功率)—C(水深)—D(硼酸浓度);对熔深影响由大到小依次为B(焊接速度)—A(激光功率)—C(水深)—D(硼酸浓度);对气孔率影响由大到小依次为B(焊接速度)—C(水深)—A(激光功率)—D(硼酸浓度).

    图4给出了各因素相应表. 从熔宽均值响应表可以看出,激光功率从2.7 kW增加到3.3 kW,熔宽是逐渐增加的;焊接速度从0.4 m/min增加到1.2 m/min,熔宽是逐渐减小的;水深和硼酸浓度发生变化时,熔宽变化趋势不明显. 从熔深均值响应表可以看出,激光功率从2.7 kW增加到3.3 kW,熔深逐渐增加,但是增加逐渐趋于稳定;焊接速度从0.4 m/min增加到1.2 m/min,熔深逐渐减小;水深从10 mm增加到30 mm,熔深变化趋势不明显;硼酸浓度从1 g/L增加到3 g/L ,熔深变化趋势不明显. 从气孔率均值响应表可以看出,激光功率从2.7 kW增加到3.3 kW,气孔率先增加后减小;焊接速度从0.4 m/min增加到1.2 m/min,气孔率逐渐降低;水深从10 mm增加到30 mm,气孔率逐渐增加;硼酸浓度从1000 mg/L 增加到3000 mg/L ,气孔率先增加后减小.

    图  4  各因素均值响应表
    Figure  4.  Response table of the mean values of each factor. (a) response table of width and depth; (b) response table of porosity mean

    综合分析各参数对焊缝横截面以及气孔率的影响,发现对焊缝熔宽、熔深影响最大的是焊接速度,其次是激光功率. 这主要是因为焊接速度较小时,激光在母材表面的作用时间较长,单位时间内母材吸收的激光能量较多,激光能量可以到达母材更深处,熔化金属较多,故熔深和熔宽发生较大变化;当激光功率变大时,功率密度的增加会产生更多的等离子体,激光匙孔的面积和深度都会变大[14],但是较多的等离子体会阻碍激光能量的传输,影响焊缝的熔宽和熔深;对接头气孔率影响最大的是焊接速度,然后是激光功率. 在激光匙孔焊基础上,匙孔诱导气孔是最常见的缺陷,在焊接速度较大时,匙孔前壁蒸发过程中产生的金属蒸气击到匙孔后壁并阻止其坍塌,当焊接速度较小时,蒸发压力不足以保持打开的小孔,发生匙孔坍塌(图5),进而产生气孔;在较低焊接速度下(<1.8 m/min),匙孔前壁的蒸发压力与激光功率无关,只与焊接速度有关[15];局部干燥环境中含有复杂的气体环境,包括保护气体、金属蒸气、等离子体和水蒸气,而随着水深的增加,局部干燥环境内的水蒸气增多,会不可避免的扰动匙孔,造成匙孔的不稳定而产生坍塌,形成气孔. 因此在试验条件下,焊接速度对气孔率影响最大.

    图  5  激光焊气孔形成示意图
    Figure  5.  Schematic diagram of laser welding pore formation

    通过正交试验发现,焊接速度对熔宽、熔深和气孔率的影响要大于激光功率的影响,在后续的试验中,以利用此结果去优化焊接参数.

    由正交试验得出,对接头焊缝成形和气孔率影响最大的是焊接速度和激光功率,而焊缝成形和气孔率在一定程度上决定了焊缝强度,在此基础上,设计了表6的对接试验,探究激光功率和焊接速度对焊缝横截面形貌以及力学性能的影响规律.

    表  6  焊接工艺参数
    Table  6.  Welding paraments
    激光功率 P/kW 焊接速度 v/(m·min−1) 水深 h/mm
    2.9 0.8 20
    3.0 0.8 20
    3.1 0.8 20
    3.2 0.8 20
    3.3 0.8 20
    3.0 0.6 20
    3.0 0.7 20
    3.0 0.9 20
    3.0 1.0 20
    3.0 0.8 0
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    图6所示,随着焊接速度的增加,焊缝氧化加重,焊缝正面从凹陷到凸起,最后变为光滑平整,焊缝背面的连续性变差,同时焊缝截面形状由X形逐渐向Y形转变. 对焊缝熔化区的面积进行了测量,随着焊接速度的增加,焊缝熔化区的面积逐渐减小. 焊接速度增加,焊接线能量减小,熔化的金属量减少,一方面体现为熔化区面积的减小,另一方面体现为截面形状的变化.

    图  6  不同焊接速度下的焊缝成形和熔化区参数
    Figure  6.  Weld forming and melting zone parameters under different welding speeds. (a) weld forming and cross section appearance at different welding speeds; (b) melting zone area at different welding speeds

    当焊接速度为0.6 m/min时,焊缝表面为蓝紫色,焊缝正面出现了凹坑,没有飞溅,背面较为连续;当焊接速度为1.0 m/min时,焊缝的连续性变差,氧化严重,正面有咬边缺陷,背面不够连续,焊缝熔透情况不够均一. 这是因为焊接速度增加,焊接热输入减少,从而熔化的金属量变少,蒸发的金属量也减少,正面凹坑深度降低. 同时因为焊接速度的增加,在移动过程中,外层气流和内层气流波动较大,营造的局部干燥环境不够稳定,相比焊接速度慢时,会有更多的水侵入的可能性,所以氧化比较严重. 结合焊缝表面形貌以及横截面参数,选定焊接速度0.8 m/min.

    图7所示,随着激光功率的增加,焊缝表面成形良好,有轻微的氧化,焊缝正面由凸起逐渐变为凹坑,且凹坑的深度越来越大;同时发现,焊缝的截面形状没有发生变化,一直保持Y形,对焊缝熔化区面积进行了测量,激光功率的增大,焊缝熔化区面积逐渐增加.

    图  7  不同激光功率下的焊缝成形和熔化区参数
    Figure  7.  Weld forming and melting zone parameters under different laser power. (a) weld forming and cross section appearance under different laser power; (b) melting zone area under different laser power

    当激光功率为2.7 kW时,试样未焊透,且焊缝正面有凸起;当激光功率为2.8 kW时,试样焊透,焊缝正面有部分凸起,边缘凹陷;当激光功率为2.9 kW,焊缝正面由凸起转变为了凹坑,说明此时有较多的金属蒸发;当激光功率为3.1 kW时,由于焊接热输入较大,能使更多的金属蒸发,没有过多的金属去填充凹坑,所以正面凹坑深度变大,而激光功率过大导致焊缝背面熔化过多,试样焊漏. 凹坑深度增加的原因是:激光功率增大金属熔化量和熔池金属蒸发量增加,由于保护气和水的冷却作用,焊缝金属的凝固速度更快,材料本身不能有效补偿蒸发的焊缝金属,所以正面凹坑的深度有所增加,选出合适的工艺参数为2.8 ~ 3.0 kW.

    对接头进行力学性能测试,图8为不同激光功率下的拉伸性能,发现断裂位置均处于焊缝处,且没有明显的颈缩现象,说明在最大应力时,焊缝出现了断裂,激光功率的变化对焊缝抗拉强度和断后伸长率的影响如图8所示:激光功率升高带来了焊缝的抗拉强度的下降,且在功率为2.9 kW时,焊缝的抗拉强度达到了最大值673 MPa,大于国家标准GB/T 24511—2017规定的标准值(≥585 MPa),断后伸长率呈现了先下降后上升的变化趋势,激光功率为2.9 kW时,断后伸长率达到了最大值45%,符合国家标准GB/T 24511—2017的要求值(≥40%).

    图  8  不同激光功率下的抗拉强度和断后伸长率
    Figure  8.  Tensile strength and elongation at different laser power

    晶粒较小的尺寸塑性和韧性较好,当激光功率为2.9 kW时,此时的激光功率适中,晶粒尺寸小于3.0 ,3.1 ,3.2 ,3.3 kW等功率,所以此时的焊缝韧性、塑性较好,焊缝抗拉强度达到最大值673 MPa,断后伸长率达到了最大值45%;若继续增大激光功率,焊缝熔化的金属过多导致过度熔透,出现凹陷缺陷(图9),存在应力集中点,同时由于热输入过大使焊缝晶粒粗化,对焊缝的抗拉强度产生影响. 根据焊缝的力学性能得出,在此条件下最优的激光功率为2.9 kW.

    图  9  不同参数下的断裂现象
    Figure  9.  Fracture phenomena under different parameters. (a) fracture phenomena under high power conditions; (b) fracture phenomena under low welding speed conditions

    图10为不同焊接速度下的拉伸性能,随着焊接速度的增加,焊缝的抗拉强度先下降后上升,而断后伸长率出现了上升、下降、上升、下降的波动趋势,当焊接速度为0.9 m/min时,抗拉强度达到了最大值682 MPa,断后伸长率也达到了最大值51%.

    图  10  不同焊接速度下的抗拉强度和断后伸长率
    Figure  10.  Tensile strength and elongation at different welding speeds

    焊接速度过小,激光匙孔不够稳定,在焊缝内部产生坍塌出现小孔、外部产生咬边的缺陷,在拉伸时存在应力集中(图9),影响拉伸性能的稳定性,降低其抗拉强度. 而焊接速度过大时,热源作用于母材的时间变短,能量无法使焊缝金属完全熔化,焊缝底部存在未熔透;根据焊缝的力学性能得出,在此条件下最优焊接速度为0.9 m/min.

    (1) 304奥氏体不锈钢水下激光焊中,对焊缝熔宽、熔深影响最大的是焊接速度,其次是激光功率;对焊缝气孔率影响最大的是焊接速度,其次是水深;硼酸浓度对焊缝熔宽、熔深、气孔率影响不大.

    (2) 304奥氏体不锈钢激光焊接中,激光功率较大时,易产生凹陷存在应力集中点,导致接头力学性能较差,此条件下合适的激光功率为2.9 kW.

    (3) 304奥氏体不锈钢激光焊接中,焊接速度较小时,因为匙孔不稳定产生较多的气孔,导致接头力学性能较差,此条件下合适的焊接速度为0.9 m/min.

  • 图  1   数值计算模型及边界示意图

    Figure  1.   Numerical model and boundary condition

    图  2   不同送丝速度下焊道截面温度场分布及速度流线

    Figure  2.   Temperature distribution and velocity streamline of weld bead in different wire feed speeds. (a) 1.2 m/min; (b) 1.8 m/min; (c) 2.4 m/min; (d) 3.0 m/min; (e) 3.6 m/min; (f) 4.2 m/min

    图  3   路径示意图

    Figure  3.   Schematic of path

    图  4   自由表面及熔池内部速度值

    Figure  4.   Velocity curve of free surface and internal molten pool. (a) Velocity curve of free surface on Path 1; (b) Velocity curve of internal molten pool on Path 2; (c) Velocity curve of free surface on Path 3; (d) Velocity curve of internal molten pool on Path4;

    图  5   熔池表面温度梯度变化曲线

    Figure  5.   Temperature gradient curve of free surface. (a) Temperature gradient curve of free surface on horizontal direction; (b) Temperature gradient curve of free surface on vertical direction;

    图  6   不同送丝速度下试验与模拟成形结果对比

    Figure  6.   Comparison of experiment and simulation result in different wire feed speeds. (a) 1.2 m/min; (b) 1.8 m/min; (c) 2.4 m/min; (d) 3.0 m/min; (e) 3.6 m/min; (f) 4.2 m/min

    图  7   试验与模拟结果变化曲线

    Figure  7.   Variation curve of experiment and simulation results

    表  1   电弧增材试验结果

    Table  1   Results of deposition experiment

    送丝速度
    vs/(m·min−1)
    宽度
    w/m
    高度
    h/m
    宽高比焊道宏观形貌
    1.20.009 00.001 46.42
    1.40.009 20.001 65.75
    1.60.009 40.001 56.26
    1.80.009 00.001 75.29
    2.00.008 40.002 04.20
    2.20.008 60.002 33.74
    2.40.008 40.002 43.50
    2.60.008 40.002 53.36
    2.80.007 70.002 82.75
    3.00.007 30.003 12.35
    3.20.006 80.003 61.89
    3.40.007 10.003 42.09
    3.60.006 60.003 61.83
    3.80.006 60.004 21.57
    4.00.007 40.004 81.54
    4.20.007 00.004 31.63
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-02
  • 网络出版日期:  2023-04-07
  • 刊出日期:  2023-05-24

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