钛合金因其高温力学性能好、抗腐蚀性能强和比刚度高等良好的综合性能,自20世纪50年代开始作为一种重要的结构材料在各个领域中应用广泛^[1]。钨极氩弧焊(Gas Tungsten Arc Welding,GTAW)是α+β双相Ti-6Al-4V钛合金最常用的焊接加工方式,但常规GTAW(Conventional,C-GTAW)工件局部加热现象显著,易造成Ti-6Al-4V钛合金晶粒β长大,影响钛合金焊缝组织均匀性及接头综合力学性能,由此可知,控制钛合金GTAW熔池温度扩散成为改善焊缝组织形貌、提升接头力学性能的关键。建模仿真与视觉传感等技术手段可为电弧焊接动态过程提供直接研究依据,对焊接过程中工件温度分布进行实时监测是支撑钛合金焊缝温度控制的有效途径。有学者在数值处理中将电弧、熔池独立建模^{[2, 3, 4]},同时也有学者采用耦合模型研究电弧、熔池的相互作用^{[5, 6, 7]}。传感技术是自动化焊接的重要组成部分,可实现焊接过程精确可视化,反映电磁场、温度场、力场和流场特点^[8]。焊接动态过程可视化将为深入理解复杂多物理场耦合及相互作用提供有效途径。

本文拟基于Ti-6Al-4V钛合金平板研究超高频脉冲GTAW(Ultra High Frequency Pulsed GTAW,UHFP-GTAW)焊缝温度分布,通过试验分析、模型仿真等手段与C-GTAW熔池温度场进行比较,研究高频脉冲焊接熔池温度分布特点及其优势,该工作对高频脉冲焊接电弧行为、熔池流动基础研究具有重要意义。

UHFP-GTAW输出电流脉冲频率1~80 kHz可调,脉冲电流切换速率可达50 A/μs,其焊接电源示意图及焊接电流波形如图 1所示。焊接母材金属为厚度5 mm的Ti-6Al-4V钛合金轧制平板,试样尺寸规格为100 mm×50 mm,焊前经砂纸打磨去除母材表面氧化膜,后经丙酮、无水乙醇清洗,恒温干燥保存待焊,留存时间不超过24 h。钨极为铈钨W-2%Ce,直径2.4 mm;焊接试验过程弧长恒为3 mm,保护气体为纯度99.99%氩气,气流量为15 L/min,焊接速度 50 mm/min;试验过程选择0 kHz(常规直流GTAW)、20 kHz和40 kHz3组参数,其工艺参数如表 1所示。需要指出的是,试验过程平均焊接电流约为61 A,由表 1计算焊接电流有效值约为63 A。本文认为,脉冲焊接电弧作用过程较为复杂,若采用纯组态电弧假设可能存在偏差,故选用平均电流作为参数设计标准。

A+—正输出端;B-—负输出端;B1、B2—变压器; DP1,D1,D2,D5,D6—二极管; TP1，TP2—绝缘栅双极性晶体管(IGBT); Lb，Lp—基值电路、峰值电路的电感; Ib—基值电流;Ipp—脉冲电流; Ip—峰值电流;tb,tp—基值、峰值电流作用时间。 图 1 UHFP-GTAW焊接电源示意图及电流波形 Fig. 1 Welding power schematic and current waveform with UHFP-GTAW

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焊接熔池温度场分析通过监测试验与数值模拟完成,其中焊缝温度分布监测由红外实时温度监测系统实现(基于FLUKE Ti400红外热成像仪搭建实时焊缝温度监测平台),如图 2所示。以电弧轴线为对称轴构建熔池二维(2-D)模型如图 3所示,模型尺寸为x×y:25 mm×5 mm,包含50 601 个节点,100 600个面,50 000个单元,其中0点为二维模型底面中心点。

图 2 热成像可视监测 Fig. 2 Observation with thermal imager

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图 3 焊接熔池2-D模型 Fig. 3 Welding molten pool 2-D model

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焊接熔池温度场仿真分析遵从熔池二维模型常用假设条件,不再赘述,其边界条件如下。

1) 表面:电弧热通量(高斯热源,如式(1)所示),设置表面张力温度系数。

2) 底面/右边界:热传导/辐射复合边界,底面换热系数与热输入相关(如式(2)所示),右边界恒为2 W/(m²·K),辐射系数分别为0.5(钛合金),0(空气)。

3) 左边界:绝热壁面。

熔化金属内部驱动电磁力以显式添加至x、y方向动量方程,数值计算过程所需Ti-6Al-4V物理属性如表 2所示。前期结果^[9]已证明,UHFP-GTAW轴向电弧压力对焊缝熔深有较大作用,故在模拟过程中,根据不同参数条件的理论计算结果^[10],左边界不同深度分别添加电弧力,需要指出的是,由于本文研究不涉及焊缝熔深,电弧力非主要研究对象,熔深模拟结果仅作为参考。

表 2 Ti-6Al-4V物理属性 Table 2 Physical properties of Ti-6Al-4V

物理属性	数值
液相线温度Tl/K	1 928
固相线温度Ts/K	1 878
密度ρ/(kg·m-3)	4 450
黏度μ′/(kg·m·s-1)	0.004 9
固相有效热传导系数ks/(J·m·s-1·K-1)	5.4
液相有效热传导系数kl/(J·m·s-1·K-1)	15.9
固相比热CPS/(J·kg-1·K-1)	879
液相比热CPL/(J·kg-1·K-1)	678
热膨胀系数β/K-1	0.000 01
表面张力温度梯度	-0.000 28
真空磁导率μ0/(N·A-2)	1.26×10-6
熔化潜热L/(J·kg-1)	3.57×105

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为保证监测过程的连续性及稳定性,批次试验采集数据需要经过2个阶段校正。首先根据滤镜衰减曲线(y=4.918x-1 115.46 K,R²=0.999)对测量温度进行校正,而后由于熔化金属辐射率一般为0.20~0.35,受量程及连续性限制,试验设定采样辐射率为0.95,由斯蒂芬-玻耳兹曼定律可知,辐射能W=ε₀σT₀⁴=ε₁σT₁⁴,其中:ε₀为实际辐射率；ε₁为设置辐射率；σ为斯蒂芬-玻耳兹曼常数；T₀为实际温度；T₁为显示温度,则被测物表面真实温度将通过T₀=T/[(1-Δε/ε₁)^1/4]进行校正,从而获得最终的监测结果,其中:T为实测温度；Δε为设定辐射率与实际辐射率的差值。监测试验过程中,所有参数点电弧均定点燃烧20 s。

不同参数条件下定点焊接熔池中心表面温度监测如图 4所示,所有监测结果均为电弧移动临界时刻捕捉其正下方的熔池中心表面温度分布,图中高温点所示为电弧覆盖区域的最高温度。

图 4 定点电弧作用下熔池中心表面温度 Fig. 4 Temperature of molten pool center surface with spot welding

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由图 4可知,不同参数条件下的电弧热影响区域存在较大差别,利用Smart View软件提取平行于焊接方向的熔池表面温度线分布,如图 5所示。分别以显示温度320、340和360 K为外边界测量标定近似圆,对应测量温度为678、823和968 K,即图 5中点A(T_A,D_A),B(T_B,D_B),C(T_C,D_C)位置,D_i为i点的距熔池中心位置的距离。点O(T_O,D_O)为熔池中心表面最高温度所在位置,以该点为圆心,分别计算3组工艺参数在不同温度范围所得的高温扩散区半径,如表 3所示。同等加热时间条件下,温度为968 K时20 kHz、40 kHz 所得熔池表面高温扩散区半径为5.37 mm和5.09 mm,分别缩小了10.9%和16.2%。

图 5 定点电弧作用下熔池表面温度分布 Fig. 5 Surface temperature distribution of molten pool with spot welding

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表 3列举了定点电弧作用下熔池中心表面温度及高温扩散面积的减小幅度。与C-GTAW相比,在同等加热时间条件下,UHFP-GTAW熔池中心表面温度最大提高了32 K,运动电弧作用下的研究发现^[11],加热过程、电弧运动过程平均温度提高了50~100 K;同时以不同的温度(678 K、823 K和968 K)为参考点,与C-GTAW工艺下获得的对应高温扩散面积相比,20 kHz、40 kHz条件下钛合金母材金属熔化其高温扩散区域均有不同程度的减小。综上可发现,UHFP-GTAW电弧作用下,熔池中心表面温度有一定程度的增加,其温度扩散面积与C-GTAW相比有较大缩小,这为电弧行为及能量密度研究提供了试验数据支撑。

前期研究结果^[12]表明,在电弧内部径向电磁力作用下,高频脉冲焊接电弧形态压缩,电弧挺度、能量密度提高。由焊缝成形分析结果^[13]可知,随着电弧形态的变化,焊缝高温扩散范围随之缩小,同时由于能量密度增加,电弧加热最高温度增加(上文试验结果已证实),其穿透性增强,从而有利于获得较大的焊缝深宽比。同时,大量研究表明,焊缝热影响区(Heat Affect Zone,HAZ)是Ti-6Al-4V钛合金接头的薄弱区域,常见断裂失效大多集中于该区域,这是由于HAZ晶粒长大显著^[14],晶内多为平行针状组织,抗裂纹扩展能力较差,受其影响,C-GTAW工艺所得Ti-6Al-4V钛合金焊缝接头延展性较差^[15],脉冲电弧焊接母材熔化发生在峰值电流短暂的时间间隔内,而基值电流作用时间内,热量将消散至母材,从而形成较窄的热影响区^{[16, 17]}。同时,高温影响范围的缩小有利于晶粒细化^{[18, 19]},随着晶粒尺寸的减小,Ti-6Al-4V钛合金屈服强度、延展性及抗裂纹扩展能力均得到提升^[20],因此,在GTAW焊接过程中,尽可能缩小Ti-6Al-4V焊缝高温影响面积,将在一定程度上改善焊缝显微组织形貌,并有效提升焊接接头综合力学性能。

以上试验及分析表明,UHFP-GTAW电弧形态集中,能量密度显著增加,作用于Ti-6Al-4V钛合金母材金属时,熔化金属表面最高温度增加,高温扩散区域得到较好控制,从而实现在相对小的区域内完成母材金属加热过程。

在试验研究的基础上,按照第1节所述方法进行熔池2-D模型数值模拟,各参数条件下的熔池温度分布及熔化状态如图 6所示。数值模拟的结果用于验证采用C-GTAW和不同脉冲频率(20 kHz、40 kHz)的UHFP-GTAW工艺时,电弧定点燃烧20 s后Ti-6Al-4V金属材料焊缝区及热影响区的温度变化及高温扩散面积。进一步将模拟计算所得结果与温度监测结果进行比较,发现不同工艺参数下得到的模拟与测量结果变化趋势基本一致。

图 6 焊接熔池温度分布 Fig. 6 Temperature distribution in welding molten pool

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由图 6可知,C-GTAW电弧定点燃烧得到的熔池中心温度为2 250 K,与之相比,20 kHz时熔池中心温度为2 300 K;40 kHz的熔池中心温度为2 310 K。模拟结果表明,与C-GTAW工艺相比,不同脉冲频率下的UHFP-GTAW(见图 6(b)、图 6(c))熔池中心温度增加了50～60 K;进一步比较3组工艺参数在700、880和980 K温度范围内的高温扩散半径,由于试验监测结果为熔池表面温度,故本小节模拟结果分析主要针对表面高温扩散。模拟结果表明,UHFP-GTAW电弧(20 kHz、40 kHz)作用下的高温扩散区域在C-GTAW工艺的基础上均有不同程度的减小,熔化金属温度分布更为集中。由此可知,高频脉冲焊接熔池表面温度增加,同时高温扩散范围减小,这一模拟结果与第2.1节的试验研究结论具有一致性,将为UHFP-GTAW电弧-熔池耦合及基础理论研究提供理论参考。

结合第2.1节电弧热影响区域的分析发现,与C-GTAW相比,UHFP-GTAW电弧可在同等加热时间内达到较高的加热温度,同时由于电弧挺度增加,作用于焊缝的热扩散范围相应缩小,形成较小的高温影响区域。以上监测试验及模拟结果可解释UHFP-GTAW对Ti-6Al-4V焊缝显微组织的改善作用,这是由于UHFP-GTAW电弧热、力特性发生改变,电弧能量密度提高,电弧作用于母材金属的加热区域减小而加热强度增加造成的,同时这一结果可为Ti-6Al-4V焊缝晶粒细化及接头综合力学性能提高提供数据支撑。

温度测量方面,为保证采样连续性、完整性,温度监测采样辐射率为0.95,熔化金属辐射率一般为0.20~0.35(取0.20),因此在进行焊接过程熔池温度监测时,一般需经过采样镜头衰减曲线校正、辐射能公式换算2次修正。由于镜头衰减校正曲线、辐射能公式一般是在黑体条件下获得,故计算得到的熔池最高温度绝对数值可能存在误差,该熔池表面温度采集、校正方案将在后期工作中进一步完善。

模拟仿真方面,与试验监测时的电弧定点加热时间相同,C-GTAW、脉冲频率20 kHz和40 kHz的UHFP-GTAW工艺下获得的熔池中心温度分别为2 250、2 300和2 310 K,而试验测量值分别为2 055、2 064和2 087 K,模拟结果与试验监测结果所得的温度数据存在一定误差,二者之间的差异是由试验测量、时间校正、测量值校准、模型建立和迭代步长等一系列因素共同造成,但整体变化趋势一致,后期模型改进过程中将适当优化模型设计,合理规划误差分布。

1) 同等条件下(电弧定点加热Ti-6Al-4V钛合金母材20 s),C-GTAW和UHFP-GTAW(20 kHz、40 kHz)工艺下的熔池中心温度测量值分别为2 055、2 064和2 087 K,UHFP-GTAW熔池中心温度增加了10～30 K。

2) 与C-GTAW工艺相比,相同电弧作用时间下的UHFP-GTAW(20 kHz、40 kHz)工艺得到的熔池高温扩散范围缩小,在968 K的温度范围内的熔池表面高温扩散区半径分别为5.37和5.09 mm,分别减小了10.9%和16.2%。

3) 在热量、力作用、复合散热等基础上建立了UHFP-GTAW熔池温分布模型,温度场模拟结果分析表明,UHFP-GTAW电弧可在相同的加热时间内达到较高的加热温度,并可有效控制高温扩散区域面积。