高強(qiáng)度鋼等離子絲弧增材制造（PWAAM）過程的計(jì)算焊接模擬

來源：先進(jìn)焊接技術(shù)

2023年12月格拉茨技術(shù)大學(xué)連接和成型研究所的Simon Schöneggera，Matthias Moschinge，Norbert Enzingera在《European Journal of Materials》上刊登了《Computational Welding Simulation of a plasma wire arc additive manufacturing (PWAAM) process for high-strength steel》一文，介紹了高強(qiáng)鋼等離子電弧增材制造的焊接數(shù)值模擬的相關(guān)內(nèi)容。

電弧送絲增材制造（WAAM）工藝非常適合制造由各種金屬材料制成的大型部件。與基于粉末的系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于構(gòu)建率高、材料成本低、材料適應(yīng)性強(qiáng)以及良好結(jié)構(gòu)完整性。該工藝屬于直接能量沉積（DED）工藝范疇，通常使用電弧作為熱源來熔化金屬絲。
等離子絲電弧增材制造（PWAAM）使用等離子電弧作為熱源，與TIG焊接工藝相似，使用非熔化鎢電極來產(chǎn)生電弧。這兩種工藝之間的主要區(qū)別在于前者使用專門設(shè)計(jì)的噴嘴和等離子體氣體來收縮電弧，從而提高能量密度和在相同電流下電弧的穩(wěn)定性。在此過程中，等離子體的溫度最高可達(dá)25000°C。
本研究旨在開發(fā)一個(gè)描述高強(qiáng)度鋼P(yáng)WAAM過程的模擬模型。通過有限元軟件Simufact Welding進(jìn)行模擬分析。模擬和實(shí)驗(yàn)獲得的溫度場(chǎng)和畸變之間的良好一致性是本研究的主要目標(biāo)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述結(jié)果。

圖1為設(shè)計(jì)的有限元模型，模型中基材的尺寸為175 mm x 40 mm x 30 mm。焊縫尺寸為1.2 mm高、7.9 mm寬和150 mm長(zhǎng)。表1為基材與焊材成份如表1所示。圖2為雙橢圓Goldak熱源模型，圖3為高斯熱源模型。

實(shí)驗(yàn)中使用的焊接參數(shù)如表2所示，其中I[A]是焊接電流、U[V]是焊接電壓，𝑣𝑠 [mm/s]焊接速度，𝑣𝐷 [mm/s]焊絲進(jìn)給速度，𝑉𝑠 ̇[l/min]保護(hù)氣體流速和𝑉𝑃 ̇[l/min]等離子體氣體流速。電壓U根據(jù)電源特性自行調(diào)節(jié)，因此沒有被指定。在焊接過程中測(cè)量電壓，并隨后在模擬模型中給出平均值。
在焊接過程中，以50Hz的采樣率記錄溫度。焊接完成后，將樣品橫向切割到焊縫上，形成焊縫的橫截面顯微照片如圖4所示。參數(shù)𝑡𝑒𝑒 [mm]，ℎ𝑛𝑒 [mm]和𝑏𝑒 [mm]確定熔深、焊縫高度和焊縫寬度。指數(shù)e表示實(shí)驗(yàn)。

為了評(píng)估熱機(jī)械模擬模型的準(zhǔn)確性，還進(jìn)行了變形實(shí)驗(yàn)。使用25 mm x 130 mm x 8 mm的試樣幾何形狀來增加翹曲。為了最大限度地減少初始?xì)堄鄳?yīng)力，將試樣在860°C下保持25分鐘。使用表2中的焊接參數(shù)在試樣上沉積100mm長(zhǎng)的焊縫。將樣品冷卻至環(huán)境溫度后，在樣品背面測(cè)量樣品的畸變。
圖5所示的三維溫度場(chǎng)表示焊縫附近的溫度分布，由測(cè)量的溫度曲線和熱電偶的位置生成。將實(shí)驗(yàn)的溫度場(chǎng)與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。此外，還可以從二維視圖中導(dǎo)出結(jié)果。俯視圖顯示了基材表面的等溫線（圖6a），黑色箭頭指向焊接方向。黑色虛線代表以100°C為單位繪制的等溫線�？梢钥闯觯�模擬的線的長(zhǎng)度和寬度與實(shí)驗(yàn)的一致性很好。焊接方向上三維溫度場(chǎng)的二維視圖如圖6b所示，顯示了橫向于焊縫的基底表面上的溫度分布。

圖1 有限元模型

表1 材料成分

圖2 雙橢圓Goldak熱源模型

圖3 高斯熱源模型

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4 焊縫形狀

圖5 三維溫度場(chǎng)

(a)                           (b)

圖6  a） 等溫溫度場(chǎng)，b）橫向溫度分布

結(jié)論：

1、對(duì)于雙橢圓熱源，難以在匹配溫度分布的同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)確定的熔池幾何形狀進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕��！?br />
2、使用二維高斯表面熱源，可以實(shí)現(xiàn)熔池幾何形狀和溫度分布的良好一致性。與雙橢圓熱源相比，高斯表面熱源的優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立模擬參數(shù)較少，這簡(jiǎn)化了使用試錯(cuò)法對(duì)熱源的調(diào)整。雖然高斯熱源通常是光束過程的首選，但它可以更好地代表等離子體過程。具體情況如下：較低的高斯參數(shù)，其與增加的熱源橫截面半徑相結(jié)合導(dǎo)致更平坦的能量分布。這項(xiàng)研究展示了用普通熱源演示等離子體電弧的可能性。由于等離子體電弧會(huì)受到噴嘴橫截面和等離子體氣體量的強(qiáng)烈影響，因此開發(fā)一種新的等離子體焊接過程熱源模型是十分具有意義的。