双层布
6061-T6铝合金薄板双脉冲MIG焊动态组合热源模型摘要：双脉冲 MIG焊是一种新型的铝合金焊接工艺，可同时实现电弧和熔池的双路控制，具有焊接速度快、焊接质量好等特点。目前双脉冲 MIG焊的研究主要集中在大电流双脉冲焊，而对于小电流双脉冲焊研究较少。本文基于有限元分析软件 ANSYS，建立了6061-T6铝合金薄板双脉冲 MIG焊动态组合热源模型，研究了焊接电流和脉冲频率对组合热源模型的影响，并通过焊接试验验证了动态组合热源模型的正确性。结果表明：动态组合热源模型能够反映焊接过程中焊丝、熔池和热影响区的温度分布情况，提高了焊接工艺参数的准确性。此外，试验结果与仿真结果一致，表明该模型可用于指导双脉冲 MIG焊工艺参数的优化。 关键词：双脉冲MIG焊；铝合金；动态组合热源模型
引言
双脉冲 MIG焊接是将常规的单脉冲变为两脉冲 MIG焊接，通过对低频率下的磁场进行周期搅动，实现了在低频率下，高频率下的强、弱交替变换，并改变了焊接过程中的电弧力及热量。可见，采用双脉冲 MIG焊可以实现对输入热量及熔滴过渡形态的有效控制。相对于常规
的金属薄片熔化焊法，采用双脉冲 MIG焊法可以避免金属的烧穿，改善焊缝的力学性能。所以，双脉冲 MIG焊在铝合金板材的焊接中得到了广泛的应用。
一、动态组合热源模型
本文建立了两个变量：焊丝温度和焊丝/熔池接触区的温度。根据热力学定律，在焊接过程中，热源能量不变，即：
式中：M为焊接电流， kA;k为热输入量， kJ；δ为热影响区与母材之间的热阻，k C；δ为热影响区与母材之间的热阻，k C；ε为材料的热膨胀系数。
由于焊接过程中热源能量不变，则当热源与焊缝表面接触时，焊接过程中形成热循环如。因此，可以利用图1所示的动态组合热源模型来模拟焊接过程中的热源能量分布。式中：T为焊接时间；h为热循环时间；h为焊丝温度。
在上述动态组合热源模型中，电弧、熔池和热影响区三者是相互关联的。当焊接电流较大时，电弧和熔池之间会形成强烈的对流传热；在焊接过程中，焊丝温度也会随着焊接电流的增大而升高。当焊缝金属和热影响区之间的温度低于母材和焊缝金属之间的温度时，则
焊缝金属不能获得足够的热量。因此，焊接电流越大，电弧温度和焊丝/熔池接触区温度越高。
二、材料属性发电机空气冷却器
为了方便仿真计算，将6061-T6薄板的厚度取为0.6 mm。同时，将焊丝材料选定为6061-T6铝合金。为了提高计算效率，采用 APDL语言编程实现以下功能：通过编程计算获得网格划分所需的节点数，并通过网格划分功能将节点划分为独立的单元。为了减少网格数量，提高计算效率，采用直接求解方法来划分网格。
勾花网机对每个单元进行二进制代码编写，将单元转换成 xy坐标下的形式。
采用 ANSYS提供的材料特性，建立6061-T6铝合金薄板的双脉冲 MIG焊动态组合热源模型。将双脉冲 MIG焊焊接过程分为焊接起始阶段、焊接过程以及两道焊缝之间的过渡阶段。采用热源模型对双脉冲 MIG焊进行仿真模拟，可以获得焊接过程中温度场、应力场、元素浓度场的分布情况。
三、有限元模型建立
焊接热源采用电弧模拟，热源的热源函数为T6铝合金焊丝材料的热物性参数：导热系数为2.76×10-6/（W·m·K），密度为7900 kg/m3,比热容为2.17J/（kg·℃），弹性模量为9.4 GPa。热流密度的模拟采用 Mises等效模型，其热输入采用绝热过程计算，其中焊丝和母材的热物性参数分别与熔化温度、凝固温度以及线膨胀系数等相关。另外，通过在焊丝中引入焊接热输入可以获得焊接热源。本文采用 ANSYS软件中的 APDL语言进行编程计算，由于在 ANSYS中采用基于有限体积法的瞬态分析法，因此焊接热源和焊缝单元选择有限元方法（FEM）。在仿真过程中，将模型分为焊缝、热影响区、熔池区、电弧区域四个部分，将这四个部分的温度场作为一个整体进行求解。边界条件的施加采用间接耦合法，即在热源加载到焊接区域后进行自由面的移动和材料的热物性参数的加载。
四、仿真结果与讨论
在焊接过程中，焊丝和熔池的温度随时间变化呈现出周期性变化。其中，焊接电流对焊丝温度影响较小，而脉冲频率对熔池温度影响较大，在焊接过程中随着脉冲频率的增加，焊丝温度不断下降，而熔池温度则不断上升。随着脉冲频率的增加，各层金属的最高温度随之增加。
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随着焊接电流的增加，热影响区宽度逐渐增大。对于薄板焊接而言，随着焊接电流的增加，焊丝表面的最高温度随之升高，同时热影响区宽度也随之增大。由于双脉冲 MIG焊工艺要求脉冲频率在50 Hz以上，因此通过控制焊接电流来改变电弧在热影响区的停留时间可以有效改善双脉冲 MIG焊工艺参数对焊接质量的影响。
随着焊接电流的增加和脉冲频率的增加，焊接熔池最大温度随之升高。其中，焊丝和熔池之间存在对流换热作用，导致焊丝温度升高；在小电流双脉冲 MIG焊条件下由于电流较小且频率较高（50 Hz），焊丝温度上升较慢。因此通过调节焊接电流和脉冲频率可以控制熔池和焊丝之间的对流换热作用。
五、试验验证
为了验证动态组合热源模型的正确性，采用 SBS法进行了试验验证，以6061-T6薄板为试验材料，厚度为2 mm。试验焊接电流为240A，焊接时间为8s。采用 TIG焊焊丝进行双脉冲 MIG焊试验，焊接过程中采用两路送丝控制焊接熔池，每路送丝量为1 mm，焊缝成型良好。
当焊丝温度达到800℃时，开始出现熔化现象，而此时的焊缝金属温度只有约800℃，因此焊缝中金属并没有熔化。在后续的焊接过程中，随着焊丝温度的不断上升，焊缝逐渐向中间过渡。此时电弧和熔池的温度均有不同程度的上升，在焊接结束时，电弧温度已经达到1180℃。因此可以得出结论：动态组合热源模型的计算结果与试验结果吻合良好。
爬梯安全装置六、结论
建立了6061-T6铝合金薄板双脉冲 MIG焊动态组合热源模型，仿真分析了不同焊接电流和脉冲频率对焊接过程的影响，验证了动态组合热源模型的有效性。在不同焊接电流和脉冲频率下，动态组合热源模型能够准确预测焊丝、熔池和热影响区的温度分布。利用动态组合热源模型对6061-T6铝合金薄板进行焊接试验，结果与仿真结果吻合良好，表明动态组合热源模型能够用于指导双脉冲 MIG焊工艺参数的优化。
参考文献
[1]金礼. 铝合金双脉冲MIG焊热输入控制及焊缝组织性能研究[D]. 2019.
[2]徐育烺. 6061-T6铝合金激光焊接头组织性能及热力耦合研究[D]. 江苏科技大学, 2019.
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