基于Fluent的熱風(fēng)焊熱熔機(jī)構(gòu)中多出風(fēng)口風(fēng)速平衡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張明星， 張煒， 王曉東

（長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春130012）

關(guān)鍵字：熱風(fēng)焊接；熱熔機(jī)構(gòu)；Fluent分析；多出風(fēng)口；風(fēng)速平衡

0 引言

隨著新材料技術(shù)的迅速發(fā)展與推廣。塑料以其質(zhì)量輕、摩擦力小、耐腐蝕、易加工等特性得到廣泛應(yīng)用[1]。應(yīng)用中，不同塑料件之間需要可靠的連接、固定方式，熱風(fēng)鉚焊是常用的塑料焊接技術(shù)之一[2]，其原理是通過風(fēng)源產(chǎn)生的熱風(fēng)對熱塑性材料進(jìn)行熱傳導(dǎo)，使其內(nèi)部相互纏繞的大分子鏈?zhǔn)軣嶂螅捎诰哂凶銐虻哪芰亢涂臻g，在自身分子熱運(yùn)動的作用下，發(fā)生遷移和擴(kuò)散，并隨著溫度的降低和外在壓力的作用（特制金屬成型鉚頭）下再次發(fā)生纏繞、冷卻、結(jié)晶和定型[3]。應(yīng)用熱風(fēng)鉚焊技術(shù)進(jìn)行加工時(shí)[4]，焊件外形美觀，密封性好，充分利用各種材料的機(jī)械特性組合，極大地提高整體組件的性能，整體結(jié)構(gòu)耐沖擊，尤其適合于長期存在機(jī)械振動、環(huán)境溫度及濕度變化范圍大、自然環(huán)境極其惡劣的場合，從而日益受到人們的關(guān)注[5]。

在汽車安全氣囊標(biāo)牌的焊接過程中，焊接質(zhì)量與效率是熱風(fēng)鉚焊技術(shù)的重要性能指標(biāo)[6]，逐點(diǎn)焊接費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且無法保證多個(gè)焊點(diǎn)的一致性。本文針對汽車安全氣囊標(biāo)牌焊接時(shí)存在的多焊點(diǎn)并行焊接過程中各焊點(diǎn)熔融狀態(tài)不一致的問題，在深入研究熱風(fēng)焊機(jī)理的基礎(chǔ)上，對熱風(fēng)型腔及出風(fēng)口進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種多出風(fēng)口并行焊接的結(jié)構(gòu)，并利用Fluent軟件對多出風(fēng)口風(fēng)速平衡問題進(jìn)行分析[7]，并對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使多焊點(diǎn)并行焊接結(jié)構(gòu)的焊接效果更加穩(wěn)定。

1 熱熔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案

熱熔機(jī)構(gòu)是熱風(fēng)鉚焊設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，針對多焊點(diǎn)并行焊接時(shí)各焊點(diǎn)熔融狀態(tài)不一致的問題，對熱熔機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。整體結(jié)構(gòu)主要由熱風(fēng)焊槍、上型腔、熱電偶、下型腔、出風(fēng)管、緊固連接板和鎖緊環(huán)組成，如圖1所示。

圖1 熱熔機(jī)構(gòu)結(jié)鉤示意圖

熱熔機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)與原理：熱風(fēng)焊槍通過鎖緊環(huán)固定在熱熔機(jī)構(gòu)上，熱風(fēng)焊槍所產(chǎn)生的加熱氣體通過上型腔與下型腔導(dǎo)入到6個(gè)出風(fēng)管內(nèi)；熱空氣由出風(fēng)管導(dǎo)出，對不同焊點(diǎn)進(jìn)行加熱；利用熱電偶對型腔內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測，通過PLC控制熱風(fēng)焊槍的加熱溫度[8]。根據(jù)工藝要求，熱風(fēng)焊槍出口口徑為60 mm，型腔內(nèi)徑尺寸為66 mm；為了達(dá)到6個(gè)出風(fēng)口出風(fēng)量一致，對出風(fēng)管內(nèi)壁的橫截面積計(jì)算，其公式如下：

式中：M為質(zhì)量流量；ρ為介質(zhì)密度；Q為體積流量；V為平均流速；A為橫截面積。由公式可以看出，在初始條件相同的情況下，為保證各出風(fēng)口平均流速相同，各出風(fēng)口橫截面積應(yīng)保持一致。根據(jù)各焊點(diǎn)鉚柱尺寸及相對位置，確定出風(fēng)口管徑尺寸及分布位置，如圖2所示。

圖2 出風(fēng)口結(jié)構(gòu)圖

2 型腔及出風(fēng)口結(jié)構(gòu)的分析

2.1 型腔及出風(fēng)口流體模型的建立

根據(jù)熱熔機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，利用CATIA三維軟件構(gòu)造出圖3所示的型腔及出風(fēng)口流體模型。型腔長度為132 mm（型腔最大直徑的2倍），出風(fēng)管長度為50 mm。

圖3 型腔及出風(fēng)口流體模型

圖4 網(wǎng)格劃分

進(jìn)風(fēng)口為熱風(fēng)型腔上端口；6個(gè)出風(fēng)管下端口為出風(fēng)口，分別命名為outlet1、outlet2、outlet3、outlet4、outlet5 outlet6（圖3所示出風(fēng)管從左向右依次命名），流場網(wǎng)格如圖4所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

將網(wǎng)格模型導(dǎo)入到分析軟件Fluent中，打開能量方程，選擇k-ε黏性模型，設(shè)置進(jìn)風(fēng)口速度v=1.77 m/s,，溫度T=573.15 K。對模型進(jìn)行流體動力學(xué)仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖5所示。

在各出風(fēng)口橫截面積相同的情況下，平均速度反映了單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過6個(gè)出風(fēng)口流體體積的比較關(guān)系。選擇6個(gè)出風(fēng)口（outlet1～outlet6）氣體的平均速度作為仿真分析的評價(jià)指標(biāo)，如表1所示。

由表1顯示，v1≈v2＞v3≈v4≈v5＞v6，其中v1～v6依次表示outlet1～outlet6的平均流速，可明顯看出左側(cè)2個(gè)出風(fēng)口的平均流速近似相等，中間3個(gè)出風(fēng)口的平均流速近似相等，左側(cè)2個(gè)出風(fēng)口的平均流速大于中間3個(gè)出風(fēng)口的平均流速，中間3個(gè)出風(fēng)口的平均流速大于右側(cè)出風(fēng)口的平均流速，6個(gè)出風(fēng)口平均流速的最大差值約為0.91 m/s。

圖5 流體模型速度云圖

表1 6個(gè)出風(fēng)口的流速表 m/s

在多焊點(diǎn)并行焊接過程中，各出風(fēng)口熱風(fēng)流速不同，造成各焊點(diǎn)熔融狀態(tài)不同，進(jìn)而影響各焊點(diǎn)并行焊接效果的一致性，導(dǎo)致焊接效果不理想，產(chǎn)生焊點(diǎn)不牢、受力不均等問題。

3 模型優(yōu)化

針對6個(gè)出風(fēng)口的平均流速存在一定差異的情況，對熱熔機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)作如下假設(shè)：當(dāng)熱風(fēng)型腔的半徑、型腔的長度、出風(fēng)管橫截面積為常量時(shí)，出風(fēng)管的出口平均流速將隨出風(fēng)管的長度變化而發(fā)生改變?，F(xiàn)針對不同出風(fēng)管長度下的有限元模型進(jìn)行仿真分析，給定出風(fēng)管長度分別為5、10、20、30、50、80、100、150 mm。通過相應(yīng)的流體分析，得到如表2所示的6個(gè)出風(fēng)口平均流速數(shù)值。

表2 不同出風(fēng)管長度對出風(fēng)口流速影響對比仿真數(shù)據(jù)表m/s

為定量評價(jià)各出風(fēng)口熱風(fēng)流速的差異程度，求取不同仿真模型中各出風(fēng)口平均風(fēng)速的方差，所得結(jié)果如表3所示，分析出風(fēng)管長度變化對各出風(fēng)口熱風(fēng)流速一致性的影響。

為方便對比分析，以出風(fēng)管長度為x軸，出風(fēng)口平均風(fēng)速方差值為y軸，做散點(diǎn)分布圖，并擬合曲線，如圖6所示。

根據(jù)擬合曲線，可得如下結(jié)果：當(dāng)出風(fēng)管長度小于20 mm時(shí)，各出風(fēng)口平均風(fēng)速變化較小；當(dāng)出風(fēng)管長度在20~80 mm范圍內(nèi)時(shí)，隨出風(fēng)管長度變長，各出風(fēng)口平均風(fēng)速波動顯著增大；當(dāng)出風(fēng)管長度在大于80 mm時(shí)，隨出風(fēng)管長度增長，各出風(fēng)口平均風(fēng)速波動變化趨緩。

表3 各仿真組數(shù)據(jù)方差及標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)表

圖6 出風(fēng)管長度與出口風(fēng)速方差擬合線圖

4 結(jié) 論

本文針對熱風(fēng)焊多焊點(diǎn)并行焊接應(yīng)用中多出風(fēng)口風(fēng)速平衡的問題進(jìn)行研究，通過建立CATIA三維模型，并應(yīng)用Fluent對各出風(fēng)口平均流速隨熱風(fēng)型腔出風(fēng)管長度不同而變化的情況進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明，當(dāng)出風(fēng)管長度發(fā)生變化時(shí)，各出風(fēng)口平均流速隨出風(fēng)管長度變長而逐漸增大。本研究結(jié)果為多焊點(diǎn)并行焊接結(jié)構(gòu)的研究提供了重要依據(jù)。