高強度鋼等離子絲弧增材制造（PWAAM）過程的計算焊接模擬

來源：先進焊接技術

2023年12月格拉茨技術大學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，介紹了高強鋼等離子電弧增材制造的焊接數(shù)值模擬的相關內容。

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)點在于構建率高、材料成本低、材料適應性強以及良好結構完整性。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計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25000°C。
本研究旨在開發(fā)一個描述高強度鋼PWAAM過程的模擬模型。通過有限元軟件Simufact Welding進行模擬分析。模擬和實驗獲得的溫度場和畸變之間的良好一致性是本研究的主要目標，并通過實驗驗證了上述結果。

圖1為設計的有限元模型，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。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。

實驗中使用的焊接參數(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]焊絲進給速度，𝑉𝑠 ̇[l/min]保護氣體流速和𝑉𝑃 ̇[l/min]等離子體氣體流速。電壓U根據(jù)電源特性自行調節(jié)，因此沒有被指定。在焊接過程中測量電壓，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表示實驗。

為了評估熱機械模擬模型的準確性，還進行了變形實驗。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殘余應力，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長的焊縫。將樣品冷卻至環(huán)境溫度后，在樣品背面測量樣品的畸變。
圖5所示的三維溫度場表示焊縫附近的溫度分布，由測量的溫度曲線和熱電偶的位置生成。將實驗的溫度場與模擬結果進行了比較。此外，還可以從二維視圖中導出結果。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�，模擬的線的長度和寬度與實驗的一致性很好。焊接方向上三維溫度場的二維視圖如圖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 實驗參數(shù)

圖4 焊縫形狀

圖5 三維溫度場

(a)                           (b)

圖6  a） 等溫溫度場，b）橫向溫度分布

結論：

1、對于雙橢圓熱源，難以在匹配溫度分布的同時，對實驗確定的熔池幾何形狀進行適當?shù)慕��！?br />
2、使用二維高斯表面熱源，可以實現(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)點是獨立模擬參數(shù)較少，這簡化了使用試錯法對熱源的調整。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合導致更平坦的能量分布。這項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受到噴嘴橫截面和等離子體氣體量的強烈影響，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。