摘" " 要： 針對鎂合金在冷金屬過渡（CMT）電弧增材制造成形過程中熔池精度難于控制、結(jié)構(gòu)件成形質(zhì)量差等問題，建立了三維瞬態(tài)數(shù)值模型，研究了增材過程中的熔池流動及傳熱過程。引入周期性系數(shù)加入雙橢圓熱源中，得到了更加符合實際CMT焊接過程的熱源模型，并利用連續(xù)表面力思想將其轉(zhuǎn)化為體熱源加載在相界面；預(yù)測了焊縫和熔池的形狀和尺寸，并與試驗結(jié)果進行了比較；計算了同一焊接速度下不同焊接電流對焊縫成形的影響。結(jié)果表明：熔池內(nèi)部主要受馬蘭戈尼力影響在熔池后方產(chǎn)生逆時針流動；將模擬結(jié)果與試驗進行對比發(fā)現(xiàn)，焊接電流為129 A時熔寬誤差約為1.13%，余高誤差約為5.49%，熔深誤差約為5.03%，驗證了模型的準確性；相同焊接速度下，隨著焊接電流的增大，焊縫寬高比以及熔深均增加。

關(guān)鍵詞： 鎂合金；冷金屬過渡；熔池；焊縫成形；增材制造

中圖分類號： TG457.19" " " " " " "文獻標志碼： A" " " " " " " " 文章編號：" １６７１－０２４Ｘ（２０25）０1－００83－08

Numerical simulation of magnesium alloy in CMT arc additive manufacturing forming process

WANG Tianqi， JING Wen， HE Junjie

（School of Mechanical Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： A three-dimensional transient numerical model was established to address the issues of difficult control of molten pool precision and poor forming quality of structural parts during the cold metal transition （CMT） arc additive manufacturing of magnesium alloy. The flow and heat transfer of the molten pool during the additive manufacturing process were studied. A periodic coefficient was introduced into the double elliptic heat source to obtain a heat source model more consistent with the actual CMT welding process， and the continuous surface force was used to convert it into a body heat source loaded at the phase interface. The shape and size of the weld seam and molten pool were predicted and compared with experimental results. Furthermore， the effects of different welding currents on the weld seam formation at the same welding speed were calculated. The results show that the interior of the melt pool is mainly influenced by Marangoni forces， which produce counterclockwise flow at the back of the pool. The simulation results were compared with the experimental results， and when the welding current was 129 A， the error of melting width was about 1.13%， the error of residual height was 5.49%， and the error of melting depth was 5.03%， which verified the accuracy of the model. At the same welding speed， the ratio of weld width to height and the depth of fusion increase with the increase of current.

Key words： magnesium alloy； cold metal transfer（CMT）； molten pool； weld forming； additive manufacturing

鎂合金具有比強度和比剛度高、密度低、電磁屏蔽性和加工性良好等特點，多用于汽車及航空航天等大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)[1-2]。增材制造技術(shù)堆積效率高、成本低，且能夠生產(chǎn)大型零部件。然而，由于鎂合金的熱膨脹系數(shù)大，熔點低，傳統(tǒng)電弧增材方式熱輸入量大，在焊接過程中易引起飛濺、夾渣、裂紋等，影響成形件質(zhì)量[3]。冷金屬過渡（CMT）技術(shù)通過控制焊絲的抽送，實現(xiàn)焊接過程的冷-熱交替，大幅降低熱輸入并減少飛濺，適合低熔點金屬的電弧增材制造[4-5]。因此，利用CMT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大型復(fù)雜鎂合金結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造。然而在鎂合金CMT增材過程中存在多個物理場的耦合，且熔池內(nèi)部行為復(fù)雜，易導(dǎo)致不理想的焊縫形貌。因此，需通過數(shù)值模擬的方式分析CMT增材過程中的熔池流動及傳熱傳質(zhì)行為等，預(yù)測鎂合金的成形尺寸并改善成形質(zhì)量[6]。

Cao等[7]將建立的三維CMT電弧增材數(shù)值模型與實驗對比，研究了不同傾斜表面熔池的演變機理，提出了抑制非對稱熔池形態(tài)的成形策略。Cadiou等[8]利用COMSOL建立了二維脈沖電弧送絲增材制造技術(shù)（WAAM）模型，研究了電弧及熔池的傳熱和流動，分析了熔滴過渡對熔池流動和形狀的影響。隨后又通過建立CMT技術(shù)增材制造三維瞬態(tài)模型，將熔滴形成、焊絲回抽及液態(tài)金屬沉積過程完全耦合，分析了焊絲行為及其對熔池的影響[9]。王岑等[10]模擬了CMT焊接鎂/鈦異種金屬的溫度場，得出了AZ31B鎂合金溫度變化特點。夏勝全等[11]根據(jù)建立的CO2短路過渡焊接三維模型，分析了熔池溫度場和流場的瞬態(tài)變化。Bai等[12]建立了等離子弧焊接（PAW）三維瞬態(tài)模型，分析了單道多層沉積過程中的溫度及流體流動演變。Huang等[13]采用實時X射線直接觀測法研究了熔池流動，對了解熔池行為的復(fù)雜物理過程有重要意義。周祥曼等[14]建立了三維磁流體動力學(xué)模型，研究了相同熔積電流不同熔積方式下不同層焊縫形貌對電弧形態(tài)及物理量的影響。Hu等[15]通過觀察DC-CMT與脈沖CMT焊接試驗中的焊絲實時動態(tài)行為和熔滴過渡，分析了AZ31鎂合金CMT焊接過程的電弧特性?；诖耍疚耐ㄟ^建立三維CMT增材過程的瞬態(tài)模型，分析AZ31B鎂合金熔池的流動特點和傳熱過程，并對不同焊接電流下的焊縫成形進行預(yù)測。

1 CMT數(shù)值模型

CMT增材是多物理場耦合的復(fù)雜過程，通過監(jiān)測電弧和焊絲運動實現(xiàn)熔滴短路過渡，其焊接過程呈周期性循環(huán)：焊絲向前進給，電弧產(chǎn)生，電流電壓達到最大值，焊絲端部熔化，在各種力作用下形成熔滴；熔滴接觸熔池時發(fā)生短路，電弧熄滅，電流電壓均降至最低，焊絲回抽，熔滴脫落進入熔池。

對建立的模型進行以下假設(shè)：計算區(qū)域均視為流體；熔池中的流體流動為黏性不可壓縮的牛頓層流；熔滴溫度為恒定值；忽略熔池中的電磁力[16]；不考慮鎂合金蒸汽及氧化的影響。

1.1 控制方程

從上述假設(shè)可知，CMT增材制造鎂合金過程滿足質(zhì)量、動量和能量三大守恒方程?？刂品匠探M在整個流體域進行計算。

式中：δ為對流換熱系數(shù)；ε為輻射系數(shù)，取值0.85；C0為斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)；T為表面溫度；Te為環(huán)境溫度。

相界面處的熱損失需要同熱源一樣通過類似連續(xù)表面力的思想加載其中。

1.4 網(wǎng)格劃分及邊界條件

針對CMT堆焊鎂合金過程建立如圖1所示的三維軸對稱模型，其中包括氬氣和基板兩部分。模型尺寸為80 mm × 24 mm × 16 mm，其中ABCD-EFGH為3 mm厚的基板區(qū)域，ABLK為對稱面。由于三維模型計算復(fù)雜，耗時較長，且為保證能夠模擬出熔滴與熔池變化的細節(jié)，對模型靠近焊縫中心位置進行網(wǎng)格加密，并采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

使用的焊絲與基板均為AZ31B鎂合金，氬氣作為保護氣體，表1為材料熱物性參數(shù)。

模擬所用邊界條件如表2所示，通過對流和輻射邊界條件來描述基板外部邊界熱損失。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬結(jié)果分析

利用Fluent對鎂合金CMT增材時的成形過程進行模擬，采用基于壓力的Simple算法，通過調(diào)整時間步將庫朗數(shù)控制在1以下，保證計算收斂。

采用直徑為1.2 mm的鎂合金焊絲，焊接速度為0.014 m/s，送絲速率為10 m/min，電流為129 A，在保護氣流量為20 L/min的條件下進行模擬，并以相同參數(shù)進行試驗。

鎂合金CMT增材過程中不同時刻焊縫形貌變化及溫度場分布情況如圖2所示。電弧附近溫度最大，而基板的溫度較為均勻，這是由于鎂合金熱導(dǎo)率較大，且基板厚度較薄，可以迅速傳遞熱量。焊接過程結(jié)束后，焊縫尾部未被液態(tài)鎂合金的回流填充而形成凹坑。

圖3所示為2.474 s開始的一個周期內(nèi)熔滴轉(zhuǎn)移模擬過程。

由圖3可見：圖3（a） Δt = 0 s時熔滴生成，在電弧壓力及等離子流拉力作用下向熔池轉(zhuǎn)移，受上一循環(huán)周期影響，大量液態(tài)鎂合金向熔池后方流動，少量流向熔池前方；圖3（b）熔滴開始接觸熔池，此時熔滴速度最大，為0.652 m/s；圖3（c）熔滴完成向熔池的過渡，熔池受熔滴沖擊向四周擴散；圖3（d）中熔滴完全進入熔池，熔池完全凹陷，液態(tài)鎂合金主要向熔池后方斜坡流動，最大流速為0.449 m/s；圖3（e）熔池中心位置產(chǎn)生由內(nèi)部向自由表面的對流，有恢復(fù)初始狀態(tài)的趨勢；圖3（f）熔滴再次生成，新的熔滴周期開始。

在電弧壓力、電弧剪切力、表面張力、馬蘭戈尼力、重力和浮力的綜合作用下，液態(tài)鎂合金主要向熔池后方流動，而液態(tài)鎂合金的溫度越高，表面張力越小，由此產(chǎn)生的馬蘭戈尼力主導(dǎo)熔池后方形成逆時針回流。根據(jù)熔池流動特點，取同一時刻不同位置x-y橫截面，如圖4所示。

距離熔池中心越遠，熔池溫度越低，焊縫余高逐漸增加。圖4（a）處電弧加熱位置溫度最高，熔池中心受電弧壓力作用產(chǎn)生凹陷，同時液態(tài)鎂合金受到擠壓向熔池兩側(cè)流動。圖4（b）在表面張力的作用下，熔池自由表面向外流動，內(nèi)部形成由兩側(cè)向中心的對流，阻礙了熔池向兩側(cè)流淌。圖4（c）位置時，熔池上方液態(tài)鎂合金由內(nèi)部向自由表面流動，且受到電弧剪切力及表面張力作用，熔池底部逐漸凝固，熔池表面積減小，余高增加。

2.2 試驗驗證

在相同工藝參數(shù)下對AZ31B鎂合金進行單道單層成形試驗，圖5所示為高速攝像采集的熔池形態(tài)與模擬熔池液相體積分數(shù)對比。

通過高速攝像采集的圖像觀察試驗過程中熔池的固液相界面，并與模擬所得固液相界面位置和尺寸進行對比，結(jié)果基本吻合；而試驗與模擬的熔池形狀略微存在差異，這是由于沒有考慮鎂合金蒸發(fā)造成的反力。試驗時由于起弧端焊槍有短暫停頓，焊接過程不穩(wěn)定，導(dǎo)致起弧端有凸起；而模擬時焊接過程相對穩(wěn)定，焊縫高度均勻，如圖5（c）所示。

圖6比較了電流為129 A時模擬與試驗的焊縫橫截面形貌。此時鎂合金已經(jīng)凝固，因此可以通過此截面預(yù)測焊縫成形。模擬與試驗所得熔寬分別為7 mm和7.08 mm，誤差約1.13%；模擬與試驗余高分別為3.65 mm和3.46 mm，誤差約5.49%；模擬所得熔深為1.51 mm，試驗熔深為1.59 mm，誤差為5.03%。兩者之間存在誤差主要是由于建模時對模型進行了一定的簡化，且本文給出的鎂合金在高溫下的材料參數(shù)與真實值仍存在差異。

通過實驗比較，驗證了本文模型的準確性，可以滿足對鎂合金電弧增材制造過程的成形預(yù)測要求。

2.3 不同焊接電流的焊縫成形

相同焊接速度下，對焊接電流分別為75、100、129及150 A時的焊縫形貌進行模擬。圖7所示為相同位置處不同電流計算所得模型的橫截面形態(tài)變化。

由圖7可以看出，電流為75 A與100 A時，熔池始終保持凸起，129 A時熔池產(chǎn)生凹陷，隨著時間的變化，熔池自由表面逐漸凸起直至完全凝固。當電流為150 A時，熔池?zé)彷斎脒^大，表面凹陷范圍擴大，凝固時間較長。

不同電流下得到的同一位置焊縫橫截面形貌對比如圖8所示。

由圖8可見：電流越大，熔寬越大；電流為75 A與100 A時，焊縫余高變化不明顯；隨著電流繼續(xù)增大，余高明顯減小，接觸角也相應(yīng)減小。為了避免堆焊時兩沉積層之間無法完全熔合，接觸角應(yīng)小于90°，但過小的接觸角不利于薄壁件成形。在焊接速度為0.014 m/s的情況下，焊接電流在100～129 A范圍內(nèi)時可以得到合適的接觸角，有利于后續(xù)鎂合金的沉積。

不同焊接電流下的焊縫熔深對比如圖9所示。由圖9可知電流的增大會導(dǎo)致焊縫的熔深增加。電流為75 A與100 A時，焊縫的熔深過小；電流為150 A時焊接電流過大，鎂合金薄板被焊透。

3 結(jié) 論

本文引入周期性系數(shù)加入CMT熱源中，通過數(shù)值模擬得到了更為直觀的鎂合金CMT電弧增材成形過程。研究結(jié)果表明：

（1） 熔滴進入熔池后，主要受馬蘭戈尼力的驅(qū)動流向熔池后方，并在內(nèi)部形成逆時針回流，且與高速攝像中觀察到的熔池動態(tài)行為一致。

（2） 相同工藝參數(shù)下，模擬與試驗所得焊縫熔寬、余高以及熔深的誤差分別為1.13%、5.49%以及5.03%，誤差均較小，驗證了模型的準確性。

（3） 模擬了不同焊接電流焊縫的成形，在焊接速度為0.014 m/s的情況下，焊接電流在100～129 A范圍內(nèi)時，可以得到合適的接觸角，有利于后續(xù)鎂合金的沉積。

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本文引文格式：

王天琪， 靖雯， 何俊杰. 鎂合金在冷金屬過渡電弧增材制造成形過程中的數(shù)值模擬[J]. 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2025， 44（1）： 83-90.

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收稿日期： 2022-11-17

基金項目： 天津市科技特派員項目（20YDTPJC00780）；天津市“項目+團隊”重點培養(yǎng)專項資助項目（XC202053）；天津市教委科研計劃項目（2019KJ011）

通信作者： 王天琪（1981—），男，博士，副教授，主要研究方向為金屬電弧增材制造、焊接自動化控制技術(shù)。E-mail： wtq0622@163.com