旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真学习体会

文献概况与研究背景

本文由南昌大学毛志伟等发表于《焊接学报》2020年第41卷第1期，受国家自然科学基金（51265036）资助。研究聚焦于旋转电弧GMAW堆焊过程中短路过渡阶段的熔池行为，采用Flow-3D软件建立三维数学模型，以球形旋转热源模型描述电弧热输入，综合考虑重力、熔滴拖拽力、表面张力和浮力等物理因素，模拟了Q235钢基体上旋转电弧GMAW短路过渡的熔池成形规律。

堆焊工艺在钢管、管件及阀门的耐磨耐蚀修复中应用广泛，尤其是石油天然气管线用弯头、三通等管件的内表面堆焊硬质合金层，以及压力容器筒体的耐腐蚀堆焊层。然而，传统GMAW堆焊在短路过渡模式下熔池流动性差、稀释率高、层间结合质量不稳定等问题长期困扰工程实践。旋转电弧焊通过使电弧绕焊丝轴线旋转，改变了热输入的空间分布特征，有望改善熔池流动性和焊缝成形质量。本文的核心价值在于从数值模拟角度揭示旋转电弧堆焊熔池的动态演化机制，为工艺参数优化提供理论依据。

核心模型与方法解读

球形旋转热源模型的物理内涵

本文采用球形旋转热源模型来描述旋转电弧的热输入特征。传统电弧热源模型（如双椭球模型、高斯模型）假设电弧热流密度沿轴向对称分布，而旋转电弧的热流密度在空间上呈现周期性变化。球形旋转热源模型将电弧视为一个旋转的球形热源，其热流密度随时间呈正弦或余弦规律变化，能够较好地反映旋转电弧在工件表面扫描时的瞬态热输入特征。

流体力学控制方程与边界条件

模拟中采用流体体积法（VOF）追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形，这是熔池动力学模拟中的关键数值技术。VOF方法通过定义体积分数函数来追踪气-液界面，能够准确捕捉短路过渡时熔滴与熔池合并的瞬间界面变化。控制方程包括Navier-Stokes方程、能量方程和连续性方程，边界条件需考虑工件表面的对流换热、辐射散热以及熔滴入池时的动量和热量传递。

熔池流动驱动力分析

关键技术发现与工程意义

旋转熔滴的搅拌效应

研究结果表明，旋转熔滴进入熔池时对熔池具有显著的搅拌作用，使熔池内部液态金属活性增强、流速加快。这一发现具有重要的工程意义：在堆焊工艺中，熔池的充分搅拌有利于合金元素的均匀分布，减少成分偏析，提高堆焊层的组织均匀性。对于管件内表面堆焊硬质合金层的工艺而言，均匀的合金分布直接关系到堆焊层的耐磨性和耐蚀性。

熔池几何特征的变化

模拟结果显示，旋转电弧GMAW堆焊条件下，熔池的宽度明显大于普通GMAW堆焊。熔池宽度增加意味着电弧热输入在工件表面的横向铺展范围增大，这对于堆焊层的稀释率控制和层间结合质量有直接影响。在钢管内表面堆焊的实际操作中，熔池宽度增大可能有利于形成更宽的堆焊道次，减少层间未熔合的风险，但同时也可能增加稀释率，需要合理控制焊接电流和焊丝送进速度。

模拟与试验的吻合度

文中提到模拟预测的焊缝尺寸和形状与试验吻合良好，这验证了球形旋转热源模型和VOF方法在旋转电弧堆焊熔池模拟中的适用性。在实际工程应用中，数值模拟可以作为工艺参数预筛选的工具，减少试焊次数，降低试制成本。

与钢管管件堆焊工程的结合思考

对管件内表面堆焊工艺的启示

在石油天然气行业，弯头、三通等管件的内表面常需堆焊Cr-Ni-Mo系不锈钢或钴基合金以抵抗高速含砂流冲蚀。传统手工焊或TIG焊堆焊效率低、稀释率难以精确控制。旋转电弧GMAW堆焊有望提高堆焊效率并改善熔池流动性，但需要注意以下几点：

1. 旋转电弧的轴向热输入可能高于普通GMAW，对于薄壁管件（如DN50以下弯头），需严格控制热输入以防止变形和烧穿。
2. 熔池宽度增大意味着单道堆焊的覆盖宽度增加，对于管件内表面的环形堆焊，需要精确控制旋转速度和进给速度的匹配关系，以确保堆焊层厚度的均匀性。
3. 短路过渡模式下的电弧旋转可能导致熔滴过渡的不规则性增加，需要优化送丝速度和电弧长度参数。

数值模拟在工艺开发中的定位

本文的研究方法为堆焊工艺的参数优化提供了新的技术途径。在实际工程实践中，建议将数值模拟与试验验证相结合，形成"模拟预筛选—小批量试焊—性能检测—参数修正"的闭环开发流程。对于批量生产的管件堆焊工艺，可以先通过模拟确定合理的参数窗口，再通过小批量试焊验证，最终形成标准化的作业指导书。

学习心得与展望

通过研读本文，我深刻认识到数值模拟技术在焊接工艺开发中的重要性。旋转电弧GMAW堆焊作为一种新型焊接方法，其熔池行为与普通GMAW有显著差异，仅凭经验难以准确把握其工艺规律。球形旋转热源模型的引入为电弧旋转效应的数值描述提供了有效途径，而VOF方法的应用则解决了熔滴过渡这一瞬态界面追踪难题。

然而，本文的研究也存在一些可进一步探讨的方向。例如，模拟中未考虑电弧力对熔池表面的作用，而短路过渡时的接触力对熔池形貌的影响不可忽略；此外，模拟仅考虑了单层单道堆焊，而实际工程中的多层多道堆焊涉及复杂的层间热循环和残余应力叠加，数值模型的扩展仍有很大的研究空间。

总体而言，本文为旋转电弧GMAW堆焊的熔池行为研究提供了有价值的理论参考，对于推动该技术在钢管管件修复领域的应用具有重要的指导意义。在工程实践中，技术人员应注重将模拟结论与试验数据相互印证，逐步建立适用于具体工况的工艺参数数据库，从而提升堆焊质量的一致性和可靠性。