电弧增材制造GTAW保护气模块流场数值模拟.pdf

2023年 第9期 热加工32增材制造专题Additive Manufacturing Topicenergy high-current pulsed electron beamJJournal of Metallurgy，2012：1-10.23 LYU P，CHEN Y，LIU Z，et alSurface modification of CrFeCoNiMo high entropy alloy induced by high-current pulsed electron beamJApplied Surface Science，2020，504：14453.24 GALI O A，SHAFIEI M，HUNTER J A，et alThe influence of hot rolling on oxide development within micro-cracks of aluminum-magnesium alloysJMaterials Science and Engineering:A，2014，618：129-141.20230816电弧增材制造GTAW保护气模块流场数值模拟朱瀚钊，孟美情，辛毅，田华，韩俭，田银宝天津理工大学材料科学与工程学院天津300382 摘要：为了研究GTAW电弧增材制造过程中的保护气流场模拟，建立了GTAW系统保护气三维物理模型，确定了保护气计算区域和边界条件。采用ANSYS Workbench的Fluent模块，对不同流速Ar的GTAW电弧增材过程保护气拖罩进行模拟，获得了增材过程中保护气的流场。结果表明：薄壁墙大部分区域能被浓度为80%以上氩气所覆盖，增加氩气流量虽然在一定程度上改善了氩气分布的范围和浓度，但并不能有效改善拖罩与喷嘴之间的氩气浓度。通过向下延长拖罩侧壁来改变氩气的流动方向，增加内部氩气的覆盖范围和浓度，有效解决了喷嘴与拖罩之间的氩气浓度较低的问题。对于拖罩部分的氩气应按自然对流传热进行处理，喷嘴部分的氩气应按照热对流系数为21.2824W/（m2K）的强制对流传热进行处理。关键词：数值模拟；气流场；保护气；电弧增材制造通信作者：田银宝，博士，讲师，主要从事电弧增材制造研究，E-mail：。1 序言 电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）技术是以电弧作为热源、丝材作为原料，在热源作用下，丝材熔化形成堆积层1。在电弧增材制造过程中，保护气流量对加速构件表面散热作用有一定的影响。首先，保护气能够防止氧气和其他杂质进入沉积区域，从而保护沉积区域不受氧化和其他污染。如果保护气流量不足，则氧气和杂质会进入沉积区域，导致沉积区域的质量下降，如产生裂纹和气孔等缺陷。其次，保护气流量还能影响电弧增材制造过程中的散热作用。当保护气流量过大时，沉积区域的温度会迅速降低，导致沉积区域的热输入不足，从而影响增材制造质量。当保护气流量不足时，则会导致沉积区域的温度过高，可能会产生过热现象，导致沉积区域产生变形或热裂纹等缺陷。保护气流量的选择要考虑到电弧增材制造材料的种类、沉积过程的速度、环境温度，以及电弧增材制造材料的厚度等因素。在实际生产中，需要根据沉积参数进行合理的调整，以确保沉积质量和效率的最优化，因此进行电弧增材制造气流场数值模拟研究具有指导价值和经济价值2-7。HEJRIPOUR等8通过不同工艺参数的 WAAM过程的数值模拟研究了传热、流体流动和传质，并用试验验证了数值结果；BAI等9研究了等离子弧焊方式的WAAM多层堆积过程中的流体流动和传热行为；CAMPANA等10利用数值模拟分析不同气体参数对激光-熔化极气体保护焊时铝合金焊接过程中保护效果的影响规律；TANI等11通过Phoenics 2023年 第9期 热加工33增材制造专题Additive Manufacturing Topic软件模拟了焊接熔池和高温区周围气体浓度对有色金属激光焊接中保护效果的影响规律。目前，对GTAW电弧增材制造仿真分析均未考虑保护气罩内部各处保护气浓度、保护气流量和拖罩构造对保护气流动分布规律和保护效果的影响，本文通过对保护气流场数值模拟来验证保护气罩设计的合理性，为电弧增材制造过程提供更加精准的指导。本文主要研究WAAM过程保护气流量对焊道表面保护和散热作用的影响，采用ANSYS Workbench的Fluent模块建立拖罩保护气分布的三维模型12，分析不同保护气流量和改进拖罩形状对保护气在薄壁件表面分布状况的影响，研究保护气对薄壁件表面的保护效果和散热作用，优化有限元模型的散热参数，获得增材制造过程中气体在拖罩移动时的变化过程，分析对堆积层表面在不同保护气流量、不同保护方式下的保护作用，从而为GTAW保护气模块的改良提供理论指导。2 拖罩保护气三维模型建立及边界条件 2.1 计算域与边界条件本文建立了GTAW电弧增材制造过程的拖罩保护气三维模型，如图1所示。模型的计算域范围为长170mm、宽70mm、高22mm的立方体，其中抽取掉拖罩焊枪和薄壁件所占体积。薄壁件是高度为 17mm、宽度为11mm，顶部为高2.1mm的圆弧。拖罩内部均匀分布180个直径为1.5mm的小孔，两侧为宽 3mm、高2mm的凹槽，向下延长拖罩的两侧外有两个高为18mm、宽为3mm的凹槽。钨极喷嘴内径为15mm，喷嘴中心与最近的拖罩气孔间距为20mm。钨极出气孔面积为176.7mm2，拖罩出气面积为828.1mm2。对于边界条件，除了拖罩小孔、两侧凹槽和钨极出气孔为氩气输入边界外，其余与空气接触的面均为压力流出边界，拖罩、薄壁部分及模型底部均设置为固体边界。2.2 模型假设为了简化模型以降低数值模型的复杂程度并提高模型计算的可行性与计算效率，在建立模型时对实际过程做如下假设和简化。1）将增材过程中薄壁件表面温度视为均匀的平均温度，其中薄壁墙为500，基板为150。2）拖罩中每个孔的保护气流速均相同。3）增材制造过程的薄壁视为无限长。4）环境温度为20，大气压为1.01105Pa。5）忽略电弧对从焊枪处流出保护气的影响。2.3 控制方程本文构建的拖罩保护气的三维模型，再模拟过程中，氩气、空气与边界物质之间遵守质量守恒、动量守恒、能量守恒和组分守恒，其满足的基本方程如下。质量守恒方程13为()()()0uvwtxyz式中流体密度（kg/m3）；t 时间（s）；u、v、w速度分量（m/s）。动量守恒方程13为()div()()div()()div()yxxxzxxxyyyzyyyzxzzzzupuuFtxxyzvpvuFtyxyzwpwuFtzxyza）拖罩无向下延长b）拖罩向下延长图1拖罩保护气三维模型2023年 第9期 热加工34增材制造专题Additive Manufacturing Topic式中 流动微元体上的压力（N）；i 黏性力（Pa），在各方向上的 分量（i，jx、y、z）；Fx、Fy、Fz分别为流体微元上的体积力（N）。能量守恒方程13为 ()div()(grad)TpTkuTTStc式中 T流体温度（）；cp比热容J/kg/K；k流体热传播系数；ST黏性耗散项。组分守恒方程14为 SSSSS()()(cVcDStc式中s组分S的体积浓度（L/m3）；s该组分的扩散系数；s某种组分的净生成率（%）；该组分的质量分数（%）。2.4 材料属性与试验参数设计在本文的数值模拟中，所考虑的气体为空气和氩气，通过查阅相关文献15，得到的物理参数见表1。在WAAM过程中，主要影响保护气分布的参数有两个，一个是拖罩的保护气流速，另一个是拖罩形状。在试验参数中，焊枪的流量大小不做改变，以免对电弧产生影响。拖罩与焊枪保护气参数见表2。表1气体物理参数名称分子量密度/（kg/m3）黏度/105Pas导热系数/W/(mK)比热容/kJ/(kg)空气 28.951.2251.78940.02441.00643氩气 39.941.7822.09000.01730.51916表2拖罩与焊枪保护气参数编号拖罩氩气流量/（L/min）拖罩氩气流速/（m/s）喷嘴氩气流量/（L/min）喷嘴流速/（m/s）拖罩向下延长/mm1100.3014298151.414710602150.4521447151.414710603200.6028596151.414710604150.4521447151.4147106152.5 物理模型的选择（1）湍流和层流判断 湍流和层流状态通常利用雷诺数Re进行判断13，即 uLRe式中流体密度（kg/m3）；u流速（m/s）；L特征长度（m）；动力黏度（Pas）。对于外部流动，沿表面位置分布的雷诺数 500000时通常可认为流动状态为湍流，沿障碍物的雷诺数20000时认为流动状态为湍流13。不同流速的雷诺数计算结果见表3。计算结果表明，所有流速的雷诺数值均20000，计算域内流动状态为层流，Laminar层流模型被用于此次模拟。表3不同流速的雷诺数计算流速/（m/s）雷诺数0.3014298436.910.4521447655.370.6028596873.831.41471062050.59（2）组分运输模型 组分运输模型可以用来求解组分运输过程和化学反应。如果多种介质都处于分子混合水平，则此时就需要通过使用组分运输模型解决14。利用Fluent提供的组分运输模型能够对混合物扩散与传输、化学反应及燃烧过程等方面进行模拟。本次模拟并不包括对于化学反应组分运输过程的求解，因此采用无反应的组分运输模型。采用该模型可以计算组分在对流扩散过程中各组分的时空分布，其基于组分守恒定律。3 网格划分网格划分如图2所示。在本次拖罩保护气三维模型中，网格划分采用四面体网格类型。其中，主体部分的网格尺寸为1mm，拖罩176 个小孔的网格尺寸为0.5mm，各区域之间网格平滑过度。拖罩无向下延长的模型最终划分的网格数量为979390个，共产生188264个节点。拖罩向下延长的模型最终划分的网格数量为1078823个，共产生 20879个节点。2023年 第9期 热加工35增材制造专题Additive Manufacturing Topica）拖罩无向下延长b）拖罩向下延长图2网格划分4 模拟结果与分析4.1 不同保护气流量对薄壁墙的影响在本文中使用的保护气分布模型中，通过改变保护气体的流量，根据设定的参数进行迭代运算，得到10L/min、15L/min、20L/min 3种流量下氩气分布和氩气流速的变化。不同保护气流量下位于模型不同位置的横截面氩气分布如图3所示（左侧红框区域为拖罩区域，右侧红框区域为喷嘴区域）。氩气在接触到基板后沿基板表面从两侧流出，因此位于距基板较近位置的氩气分布较多。在距基板10mm和17mm的横截面中，10L/min的氩气流量形成超过 80%的氩气分布区域均小于15L/min和20L/min。在图3ac中，覆盖100%氩气浓度的范围随着氩气流量增加而从51.5%增加至92.8%。在图3gi中，拖罩部分中间的氩气浓度均为100%，喷嘴位置与拖罩之间的空隙中氩气的含量较低，且10L/min 的流量造成的氩气含量为70%，低于15L/min和20L/min造成的含量为80%的氩气。因此，随着保护气体流量增加，薄壁墙周围氩气的覆盖范围和浓度上升。综上所述，薄壁墙大部分区域能被至少浓度为80%氩气所覆盖，但拖罩与喷嘴之间的间隙和喷嘴正下方的薄壁墙两侧的低浓度区域是影响保护效果的主要原因。增加氩气流量虽一定程度上改善了氩气分布的范围和浓度，但并不能有效改善拖罩与喷嘴之间的氩气浓度。4.2 延长拖罩对薄壁墙保护效果的影响向下延长拖罩侧壁后位于模型不同位置的横截面氩气分布如图4所示。由图4d、f可知，向下延长拖罩侧壁后，拖罩侧壁内部以及喷嘴与拖罩之间的间隙都被100%的氩气所覆盖。与非延长拖罩侧壁的模型相比，向下延长侧壁可以有效地提高氩气的浓度和覆盖范围。即使在图4b中，此截面没有拖罩侧a）距底端 3mm：10L/minb）距底端 3mm：15L/min c）距底端 3mm：20L/min d）距底端 10mm：10L/min e）距底端 10mm：15L/minf）距底端 10mm：20L/ming）距底端 17mm：10L/min h）距底端 17mm：15L/min i）距底端 17mm：20L/min j）三维位置 图3不同保护气流量下位于模型不同位置的横截面氩气分布2023年 第9期 热加工36增材制造专题Additive Manufacturing Topic壁的影响，也依然有较多的100%氩气覆盖在薄壁墙两侧。综上所述，通过向下延长拖罩侧壁来改变氩气的流动方向，从而增加氩气的覆盖范围和浓度，并有效解决拖罩侧壁喷嘴与拖罩之间氩气浓度较低的问题，使拖罩侧壁内部除左侧与空气边界接触位置外的空间内部氩气浓度全部达到100%。4.3 模拟结果对散热数值的计算通常认为，在强制对流的流体流动中出现温度差异，必然同时产生附加的自然对流。当Gr/Re20.1时，可以忽略自然对流的因素；当Gr/Re210时，可按单纯自然对流处理，而介于其间的情况则称之为混合对流传热11。格拉晓夫准数Gr表达式15为 式中流体密度（kg/m3）；g重力加速度（m/s2）；L特征长度（mm）；动力黏度（Pas）；体积膨胀系数，1/。通过CFD-Post后处理平台函数计算器求得3种流速的保护气在薄壁墙表面平均流速分别为0.040m/s、0.054m/s、0.069m/s，喷嘴处薄壁墙上表面的氩气流速为1.266m/s。通过计算得出拖罩和喷嘴位置的雷诺数依次为58.58、77.62、2100.45和1835.03，Gr/Re2的值分别为66.02、37.61、22.45和0.0672。因此，拖罩部分的氩气按自然对流传热进行处理，喷嘴部分的氩气按照强制对流传热进行处理。由雷诺数可知，拖罩部分的氩气流速和喷嘴部分的氩气流速均属于层流范畴。由图3.1可知，氩气主要作用于薄壁墙上表面，因此将薄壁墙上表面视为平板，可通过准数方程式求其平均对流传热系数。准数方程7的表达式为 1310.66412Pr ReL式中L特征长度（mm）；比热容J/（kgK）；动力黏度（Pas）；热导率W/（mK）；运动黏度（m2/s）。通过计算，可得到喷嘴部分的热对流系数为21.2824 W/（m2K）。通过数值模拟增材制造过程中一层结束后喷嘴部分作用于薄壁墙尾部的温度变化，对比采用优化前的热对流系数和优化后热对流系数的温度差异，以应用于后续模拟增材制造过程中进行散热参数的优化。5 结束语本文通过建立保护气分布的三维模型，主要介绍了不同氩气流量和延长拖罩两侧侧壁的长度在氩气分布浓度和速度场对薄壁墙的影响。通过模拟结果来计算保护气对有限元温度场的散热系数，用于优化温度场的散热模型。根据模拟和计算结果，得出以下结论。1）薄壁墙大部分区域被浓度为80%以上氩气所覆盖，但拖罩与喷嘴之间以及喷嘴正下方的薄壁墙两侧形成的保护气低浓度区域是影响保护效果的a）距底端 3mm：非延长 b）距底端 3mm：延长 c）距底端 10mm：非延长 d）距底端 10mm：延长 e）距底端 17mm：非延长 f）距底端 17mm：延长 g）三维位置 图4 延长拖罩下位于模型不同位置的横截面氩气分布2023年 第9期 热加工37增材制造专题Additive Manufacturing Topic主要原因。2）增加氩气流量虽然在一定程度上改善了氩气分布的范围和浓度，但并不能有效改善拖罩与喷嘴之间的氩气浓度。3）通过向下延长拖罩侧壁来改变氩气的流动方向，使拖罩侧壁内部除左侧与空气边界接触位置外的空间内部氩气浓度全部达到100%，可有效解决喷嘴与拖罩之间的间隙氩气浓度较低的问题。4）对于拖罩部分的氩气应按自然对流传热进行处理，喷嘴部分的氩气应按照热对流系数为21.2824W/（m2K）的强制对流传热进行处理。参考文献：1 C H E N L，H E Y，Y A N G Y，e t a lT h e research status and development trend of additive manufacturing technologyJThe International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2017，89（9-12）：3651-3660 2 DEMIR A GMicro laser metal wire deposition for additive manufacturing of thin-walled structuresJOptics and Lasers in Engineering，2018，100：9-173 CAO J，GHARGHOURI M A，NASH PFinite-element analysis and experimental validation of thermal residual stress and distortion in electron beam additive manufactured Ti-6Al-4V build platesJJournal of Materials Processing Technology，2016，237：409-4194 CUNNINGHAM C R，FLYNN J M，SHOKRANI A，et alInvited review article：Strategies and processes for high quality wire arc additive manufacturingJAdditive Manufacturing，2018，22：672-6865 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