中国石油大学（北京）李岩副教授团队：电弧增材制造逐层堆积过程的热质传递仿真模型

中国石油大学（北京）李岩副教授团队：电弧增材制造逐层堆积过程的热质传递仿真模型

引用

网易

1.

https://www.163.com/dy/article/JLD7DFSF0511CJ6T.html

近年来，电弧增材制造技术快速发展，但对于逐层堆积过程的动态热质传递机理认识仍较为缺乏，特别是长周期热累积效应下的熔池流动性增强，对其精准成型带来不利影响。中国石油大学（北京）李岩副教授团队建立了一个能够计算增材成型、熔池流动、热量传递和界面演变耦合的三维模型，并探索了不同工艺条件下焊道形貌特征以及尺寸变化规律，为增材制造技术提供理论依据。

研究背景及目的

近年来电弧增材制造技术快速发展，但对于逐层堆积过程的动态热质传递机理认识仍是较为缺乏，特别是长周期热累积效应下的熔池流动性增强，对其精准成型带来不利的影响。本文建立了一个能够计算增材成型、熔池流动、热量传递和界面演变耦合的三维模型，并探索了不同工艺条件下焊道形貌特征以及尺寸变化规律，为增材制造技术提供理论依据。

论文亮点

1. 建立考虑了熔滴撞击、重力、传热传质、界面演变等因素耦合的三维瞬态CFD数学模型，能够定量分析电弧增材制造成型特征。
2. 发现单一方向增材制造平板和方框时，其成型平均高度比往复型模式更高，但是成型宽度降低。
3. 电弧增材前几层成型高度会有较大下降，但是一定时间后成型高度逐渐平稳。
4. 熔滴初始温度越高，导致熔池流动性越强，焊层高度下降越大；熔滴过渡频率越大，焊层高度和宽度都增大。

试验方法

本文基于计算流体力学建立了一个电弧增材制造三维数学模型，进行了平板和方框结构的熔覆计算，形貌尺寸特征与实验结果吻合良好。在此工艺条件的基础上，通过改变焊接方向（直线单向、直线往复、方形逆向、方形逆顺）、熔滴温度（2600K、2800K、3000K）、过渡频率（50Hz、71.5Hz、92.5Hz）开展了仿真计算，对成型过程中各焊层熔宽、熔深与焊后的整体形貌进行了系统性分析，对基板中心位置的热循环信息进行了提取，分析了在熔覆过程中基板的传热变化规律。

结果

1. 往复方向焊接可以有效控制单道多层堆焊和方形堆焊道的高度变化。这促进了整个焊道更加均匀的热分布。相比之下，单向焊接在电弧熄灭位置导致过多的热输入，从而导致高度降低。
2. 增加熔滴的初始温度可以减少焊层高度并增加焊层宽度。当熔滴初始温度从2600K升高到3000K时，五层的总高度可能会下降11.35％。因此需要对熔滴初始温度进行控制，防止影响熔池流动性或影响焊层形貌。
3. 较高的熔滴过渡频率增加了单位时间内熔池的热输入。焊层的高度和宽度都随着过渡频率的增加而增加。熔滴过渡频率由50Hz到92.5Hz的过程中，熔高增加32.34％，平均宽度增加24.4％。
4. 在初始熔覆过程中，由于热积累导致流动性增加，层高逐渐降低，并在进入热平衡过程后迅速稳定。本模型中热平衡通常在第三层焊层熔覆后达到。

图1 不同堆积方向的成型形貌

图2 各焊层的堆积高度和宽度

图3 方框结构的堆积形貌

图4 方框结构各层堆积高度和宽度

结论

在GMAW电弧增材制造过程中，多层多道熔覆过程的热累积作用对于焊道形貌影响较大，需要对单位时间内熔池热输入进行控制以防止其流动性上升，在熔覆过程中呈现上下层形貌差距较大的现象。单向熔覆模式与往复熔覆模式的形貌特征存在明显差异，在焊接过程中需要合理安排冷却时间以防止热量累积所带来的侧边凹陷的现象。熔滴初始温度不宜过高，否则容易导致焊接熔池流动性增强。熔滴过渡频率对焊层的高度和宽度都有重要影响，需要合理控制。

前景与应用

金属电弧增材制造技术利用目标件的三维切片数据进行逐层熔化、堆积、连接，最终成型。在多层多道的连接过程中需要对熔池流动、成型形貌调控、工艺参数调节等因素进行精细化控制。本研究基于计算流体力学和传热学揭示了金属材料多层熔覆过程成型规律，对材料加工、控制、调节等相关研究提供理论指导。

关于团队

李岩（第一作者），博士，副教授，博士生导师/硕士生导师。2015年毕业于北京科技大学，现就职中国石油大学（北京）机械与储运工程学院。主要研究方向包括3D打印技术及低碳化应用，管道焊接多尺度多物理场仿真模型开发，等离子弧焊接技术及优化，氢能利用与安全检测。近年来主持国家自然科学基金2项，国家管网集团工程创新公司科技项目1项，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、中国石化科技项目和横向项目等8项，发表国内外学术论文30余篇，获得中国工程热物理学会传热传质学术会议“王补宣青年优秀论文一等奖，全国焊接学术会议优秀论文奖等奖项。

团队主要开展电弧增材制造多尺度多物理数值建模研究，提出了微观原子尺度、介观尺度和宏观尺度耦合的电弧增材全过程仿真模型，为电弧增材技术优化提供理论指导，相关研究发表综述论文1篇，目前引用次数超过110次。同时本团队还开展大尺寸、大壁厚、高钢级天然气管道焊接研究工作，开发出了针对现场焊接工艺的管道焊接模型，准确预测各层焊道的热循环参数和焊缝成型规律。

近年团队发表文章：

1. Yan Li, Chen Su, Jianjun Zhu. Comprehensive review of wire arc additive manufacturing: Hardware system, physical process, monitoring, property characterization, application and future prospects. Results in Engineering, 2022(13)100330.
2. Yan Li, Ze Yun, Xiang Zhou, Chuansong Wu. Fundamental understanding of open keyhole effect in plasma arc welding[J]. Physics of Fluids, 2023, 35(4): 043316.
3. Yan Li, Ze Yun, Xiang Zhou, Chuansong Wu. Theoretically more accurate magnetic method to calculate arc welding process. Physics of Fluids, 2023, 35(6): 067105.
4. Yan Li, Ze Yun, Chen Su, Xiang Zhou, Chuansong Wu. Multiphase and multi-physical simulation of open keyhole plasma arc welding [J]. Case Studies in Thermal Engineering, 2023, 41: 102611.
5. Li Yan, Wu Juanhui, Yun Ze, Chen Su. Heat Transfer to the Wire Based on Multiphysics Model for Wire Arc Additive Manufacturing[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2024.

引用论文
Yan Li, Ze Yun, Wutong Zhang, Xun Long, Jianjun Zhu. 3D Modelling of Layer-by-Layer Heat and Mass Transfer in Wire Arc Additive Manufacturing. Additive Manufacturing Frontiers, Volume 3, Issue 3, 2024, 200159.
https://doi.org/10.1016/j.amf.2024.200159.

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