摘    要：為了研究同軸送粉TIG熔覆過程電弧的溫度場、流場、電勢分布及粉體顆粒運動軌跡，根據磁流體動力學理論建立了二維仿真模型，利用COMSOL軟件對TIG熔覆電弧和粉體顆粒運動軌跡進行數值模擬。模擬結果表明：電弧形態呈鐘罩形、氣體流動穩定、粉體顆粒利用率高；為了驗證仿真結果的準確性，開展了同軸送粉TIG熔覆試驗。試驗結果表明：焊縫平直無明顯缺陷，實際電弧形態與模擬結果高度一致。通過金相顯微鏡對熔覆層進行觀察，可以清晰地看出熔覆層內部組織均勻、致密。

關鍵詞：TIG熔覆;同軸送粉;COMSOL軟件;數值模擬;顯微組織;

在現代工業生產中，金屬件表面經常會出現磨蝕、磨損等現象，嚴重影響機械設備的性能和壽命[1]。因此，提高金屬件表面的耐磨性成為迫切需要解決的問題。焊接熔覆通過在受損部位表面熔覆一層硬度高、耐磨性好的涂層，重新形成新的表面，從而修復和改善機械設備的表面性能[2,3,4]。

目前常見的焊接熔覆技術主要有：激光熔覆技術、等離子熔覆技術和TIG熔覆技術等。其中，激光熔覆技術所需的設備費用高昂且熔覆層的寬度小[5,6]；等離子熔覆的熔覆率低，對環境要求高[7,8];TIG熔覆具有熔寬大、熔深淺等優點，特別適用于工件表面的焊接修復[9,10,11]。傳統的TIG熔覆通常采用送絲和送粉方式[11,12]，當進行各種金屬材料焊接時，如不銹鋼、鎳基合金、鋁合金等，送絲方式無法滿足焊接要求；送粉方式包括傳統的預置粉末法、旁軸送粉法和同軸送粉法，TIG熔覆常用預置粉末法進行試驗，旁軸送粉法在應用中存在氣孔、結構不均勻、粉末利用率低等缺點，所以在TIG熔覆中未得到應用，而同軸送粉法常用于激光熔覆和等離子熔覆中，在涂層制備和涂層修復中可通過調整焊接材料的成分和合金粉末的比例來獲得預期的焊縫，其熱影響區小、粉末利用率高，但目前在TIG熔覆中的應用較少[12,13,14]。

本文作者設計了一款同軸送粉TIG焊槍。通過COMSOL軟件建立了二維仿真模型，用高斯分布熱源模型，對TIG熔覆過程的溫度場、流場、電勢分布及粉體顆粒運動軌跡進行數值模擬，接著進行熔覆試驗，結果表明，焊縫平直無凹坑，實際拍攝的電弧形態和模擬的電弧形態高度一致，呈典型的鐘罩狀，通過金相顯微鏡對熔覆層進行觀察，發現基體與熔覆層連接處質量較好，無明顯缺陷。

1 同軸送粉TIG焊槍設計

用于同軸送粉TIG熔覆的焊槍結構圖如圖1所示。該焊槍由保護氣快速插頭、壓帽、導電塊、送粉快速插頭、鎢極夾、焊槍主體、導電嘴、鎢極、送粉銅管、隔熱塊、O型圈等組成。焊槍的保護氣通道和送粉通道相互獨立，減少焊接過程中焊槍內部兩種物質的互相干擾。為了使整個焊接過程具有良好的保護氣氛圍，保護氣從徑向方向經過保護氣嘴進入焊槍主體，保護氣流量須在焊接前調節好，確保不影響焊接電弧的穩定性和熔覆層質量。為了確保粉體顆粒輸送的穩定性和流暢性，將兩個送粉快速插頭與焊槍的送粉銅管直接相連，并采用同軸送粉的方式輸送粉體顆粒。送粉內環中設置多個對稱小孔，使氬氣均勻噴出，以保證焊接電弧四周受到均勻的壓力，從而提高焊接電弧的穩定性。

圖1 焊槍結構示意圖 

2 模型建立與模擬結果分析

2.1 幾何模型和假設條件

同軸送粉TIG熔覆的焊槍幾何模型如圖2所示。包括鎢極、氬氣和316L不銹鋼母材。其中VBXYW為直徑2.4 mm的鎢極，KMNJ為60 mm×10 mm的316L不銹鋼母材，其余計算域為氬氣環境，BC、VU為保護氣入口，流速為1 m/s,GF、RQ為送粉氣入口，流速為7.5m/s，鎢極尖端距316L不銹鋼母材表面8 mm，模擬焊接電流分別為100、130、160 A。為了提高計算效率，對焊接電弧做以下假設：1）電弧區域處于局部熱平衡狀態；2）電弧為不可壓縮流體，且流動狀態為層流；3）電弧等離子體為光學薄；4）標準大氣壓下氬氣的物性參數僅與溫度有關，不考慮重力作用對電弧的影響。

圖2 焊槍幾何模型 

2.2 控制方程

焊接電弧的數值模擬滿足以下控制方程：

質量守恒方程：

式中：ρ為氬氣密度；u、v為電弧的軸向和徑向速度。

徑向動量守恒方程：

軸向動量守恒方程：

式中：P為電弧所受壓力；μ為氬氣的動力黏性系數；ρ為電弧重力；Fr、Fz分別為體積力在r、z方向上的分量。

能量守恒方程：

式中：CP為定壓比熱容；T為溫度；k為熱導率；Q為能量方程的源項。

電磁場方程：

電流連續方程：

歐姆定律：

安培環流定律：

式中：σ為電導率；φ為電勢；B為磁場強度；μ0為真空磁導率。

熱源模型：

選用高斯分布熱源模型：

式中：qa為距電弧加熱光斑中心r處的熱源密度；qm為最大熱流值；r為距離電弧斑點中心距離；R為電弧加熱半徑。

2.3 氬氣的熱物性參數

TIG熔覆使用氬氣作為保護氣體，數值模擬過程中氬氣的熱物性參數會隨溫度發生較大變化，其相關物性參數隨溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 氬氣熱物理參數隨溫度變化曲線

2.4 邊界條件和源項

模型加載的邊界條件如表1所示。

能量方程源項：

式中：σ為電導率；kB為Boltzmann常數；e為電子電量；SR為輻射損失。

表1 邊界條件

2.5模擬結果與分析

2.5.1 傳熱過程模擬

同軸送粉TIG熔覆過程電弧的溫度場分布如圖4所示。圖4a為130 A電流下電弧的溫度分布云圖。可以看出，電弧形態呈鐘罩狀，其溫度場近似于傳統TIG焊電弧的溫度場，鎢極尖端和工件之間存在較大的溫度梯度。圖4b為電弧中心軸向溫度分布曲線。在距鎢極軸向距離1.13 mm處溫度達到最高，這是因為此處的電流密度較大，電流流過導致等離子體中的電阻增加，從而產生較大的焦耳熱，且隨電流的增大，電弧的最高溫度也隨之升高，電弧溫度從鎢極尖端的最高值逐漸向工件表面遞減，工件表面的溫度約為3 000K，而316 L不銹鋼的熔點約為1 400 K，所以可以熔化母材形成熔池。

圖4 電弧的溫度場分布 

2.5.2 氣流過程模擬

同軸送粉TIG熔覆過程電弧的流場數值模擬結果如圖5所示。圖5a為130 A電流下電弧等離子體速度分布云圖。圖5b為電弧中心軸向等離子體速度分布曲線。等離子氣以較小的速度從焊槍的送粉通道和送氣通道流入，在鎢極下端因受到電弧的影響開始電離，隨著電離的發生，等離子體速度迅速增大，靠近工件表面時等離子體的速度逐漸收斂，至工件表面時降至0，由圖5a可以看出，氣流主要集中在鎢極下方，從而提高了焊接質量和穩定性。圖5c為電弧中心軸向壓力分布曲線。可見，電弧中心軸向壓力先升后降，且峰值隨電流的增加而增大。

圖5 電弧的流場數值模擬結果 

2.5.3 電勢分布

同軸送粉TIG熔覆過程電弧的電勢分布如圖6所示。本研究采用直流正接方式，即鎢極為陰極，工件為陽極，工件接地，電勢為0。圖6a為130 A電流下電弧電勢分布云圖。可以看出，鎢極尖端電勢變化較大，靠近工件變化較小，當電流分別為100、130、160 A時對應的最高電勢差分別為12.75、13.27、13.80 V，電壓變化較小，對熔覆過程影響小。

圖6 電弧的電勢分布 

2.5.4 粉體顆粒運動軌跡模擬

圖7為不同時間下同軸送粉TIG熔覆的粉體顆粒運動軌跡數值模擬結果。可知，大部分粉體顆粒成功進入熔池區域，通過COMSOL軟件對粉體顆粒的分布進行統計，可知，共釋放了270顆粉體顆粒，其中192顆粉體顆粒到達熔池參與熔覆過程，只有少部分粉體顆粒飛出熔池區或殘留在工件表面，粉體顆粒的利用率為71%，提高了熔覆質量和性能。

圖7 粉體顆粒運動軌跡數值模擬結果 

3 試驗驗證

3.1 試驗條件

同軸送粉TIG熔覆試驗用時代逆變WSM-400型焊機，北京隆源生產的AFS系列送粉器，送粉氣和保護氣均為質量分數為99.99%的高純氬氣，母材為316L不銹鋼，尺寸為250 mm×150 mm×10 mm，可在寬度方向進行多次熔覆，熔覆材料由比例為98∶2的316L粉末和SiC粉末均勻混合而成，其粒徑分別約為20、8μm。為保證送粉效果，鎢極伸出長度為7 mm，鎢極尖端距母材316 L不銹鋼板表面距離為8 mm，對應的電弧電壓約為15 V，使用CCD相機對電弧進行拍攝。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 宏觀形貌

為了保證焊接質量，提前打開保護氣，待氣體穩定輸出時啟動焊接按鈕，電弧穩定燃燒后再送粉，調節氣流使粉體顆粒輸送流暢穩定，在焊接時，焊槍按照指定的焊接方向運動。TIG熔覆的工藝參數有焊接電流、送粉量和SiC濃度。其中送粉量是單位長度熔覆層接受的粉體顆粒質量，在數值上等于單位時間送粉量與焊接速度的比值。SiC濃度是復合粉體顆粒中SiC的質量分數。用焊接電流分別為100、130、160 A，送粉量為6 g/mm,SiC濃度為1.5%的工藝參數進行熔覆試驗，獲得的單層單道熔覆層如圖8所示。可見，焊縫平直，熄弧位置無凹坑且焊縫熔寬一致。

圖9為相機拍攝的130 A電流下的實際電弧圖像。呈典型的鐘罩形狀，表明電弧在焊接過程中穩定性好，能夠提供穩定的熱源熔化和熔覆材料。圖10為對應的電弧溫度場數值模擬結果。可見模擬結果與試驗結果一致。

圖8 同軸送粉TIG熔覆表面單層單道熔覆層 

圖9 實際電弧圖像 

圖1 0 對應的電弧溫度場數值模擬結果 

3.2.2 顯微組織

焊接電流為130 A、送粉量為6 g/mm、SiC濃度為1.5%的工藝參數下熔覆層橫截面不同區域顯微組織如圖11所示。由圖11a可以看出，熔覆層內部組織均勻，無明顯缺陷，熔覆層與基體連接處結合良好，可以清晰地看到熔凝線。由圖11b可知，熔覆層與基體熱影響區結合處存在一條以界面為核心的平面晶，組織以粗大且分布不均的樹枝晶和柱狀晶為主，晶體沿散熱方向由熔池底部向熔覆層頂部生長。由圖11c可知，樹枝晶和柱狀晶的數量和尺寸明顯減少，熔覆層產生更多細小的等軸晶粒，呈典型的迅速熔凝組織特征。

圖1 1 熔覆層不同區域顯微組織 

4 結論

1）采用同軸送粉技術理念開發了一種新型的TIG焊槍，用于表面熔覆。

2）建立了焊槍二維數學模型，通過COMSOL軟件對熔覆過程的的溫度場、流場、電勢分布和粉體顆粒運動軌跡進行了數值模擬，結果表明，焊接電弧溫度分布均勻，呈典型的鐘罩狀，氣流穩定，粉體顆粒利用率高。

3）將焊槍在316 L不銹鋼表面進行熔覆試驗，獲得的堆焊焊縫成型美觀，在焊接電流為130 A、送粉量為6 g/mm、SiC濃度為1.5%的工藝參數下拍攝的實際電弧圖像與模擬結果一致，獲得的熔覆層內部組織均勻致密無明顯缺陷。

文章來源兵器材料科學與工程. 2023,46(05)