超聲-MIG焊熔滴過渡的數(shù)值模擬

黃澤湃，李會(huì)軍，王瑞超，王皓

(五邑大學(xué)，廣東 江門 529020)

0 前言

熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)具有焊接生產(chǎn)率高、成本低、熔敷率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中[1]。在焊接過程中熔滴的尺寸大小、過渡頻率和脫落速度等是影響焊縫質(zhì)量和焊接穩(wěn)定性的重要因素[2]，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)熔滴過渡行為的控制，近年來(lái)有學(xué)者提出了利用超聲輻射力促進(jìn)熔滴過渡的熔化極復(fù)合焊接方法，即超聲-MIG焊。通過在MIG焊中添加超聲作用既能提高焊接效率、改善焊縫組織，又能壓縮電弧使飛濺減小[3-4]。范成磊等人[5]通過采用高速攝像的方法觀測(cè)并分析熔滴過渡過程，研究在不同焊接參數(shù)下超聲-MIG焊過渡區(qū)間的變化情況；謝偉峰等人[6]結(jié)合焊接電弧、熔滴過渡及焊縫成形三者之間的關(guān)系及各自特點(diǎn)，探討了在超聲-MIG焊接過程中超聲的作用規(guī)律。該文將通過數(shù)值模擬的方式研究超聲-MIG焊熔滴過渡機(jī)制，利用FLUENT軟件模擬在超聲的作用下熔滴長(zhǎng)大、變形和脫落的過程，并將其與相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分析在不同焊接電流和超聲振幅條件下熔滴過渡的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

超聲-MIG焊金屬熔滴從焊絲端部脫離轉(zhuǎn)移到熔池的過程中受到了重力、表面張力、電磁力、等離子流力和聲輻射力的綜合影響。其熔滴過渡過程是個(gè)涉及多場(chǎng)耦合的復(fù)雜物理過程，為了便于描述此過程、簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)[7]：①液態(tài)金屬熔滴為不可壓縮牛頓流體；②焊絲端部呈水平，熔滴初始狀態(tài)為半圓形；③熔滴過渡中的物理參數(shù)不隨溫度的變化而變化；④忽略超聲的空化作用。所建立的熔滴過渡簡(jiǎn)化模型如圖1所示，熔滴從焊絲端部ab流出，滴落至工件ef；氬氣從保護(hù)氣體入口cd, gh導(dǎo)入，流向壓力出口de, gf。圖中焊絲ab直徑為1.2 mm，保護(hù)氣體入口cd, gh寬度為3.4 mm，氣體壓力出口de, gf寬度為8 mm，網(wǎng)格尺寸為0.05 mm。

圖1 熔滴過渡的簡(jiǎn)化物理模型

1.2 控制方程

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

電流連續(xù)方程：

(3)

歐姆定律：

(4)

(5)

式中:CD為等離子流阻力系數(shù)；Ap為熔滴徑向截面積；ρf為等離子流密度；vf為等離子流的流速。

熔滴所受表面張力采用連續(xù)表面張力模型(Continuum surface force, CSF)表示，即：

(6)

式中:γij為表面張力系數(shù)；κi為自由表面曲率；αi為體積分?jǐn)?shù)。

根據(jù)洛倫茲力定律，熔滴所受電磁力：

(7)

熔滴電流密度分布采用文獻(xiàn)[8]中所提出的高斯分布，軸向和徑向電流密度為：

(8)

(9)

式中:Rw為焊絲半徑；z為離焊絲端部的距離；H為熔滴的長(zhǎng)度；k為電流集中系數(shù)；I為焊接電流；r為熔滴的橫截面半徑。

根據(jù)安培定律，電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

(10)

熔滴過渡中受到的聲輻射力：

(11)

式中：R0為熔滴半徑；ω為角頻率；ρ0為傳播介質(zhì)密度，取1.78 kg/m3；c為超聲的聲速，取319 m/s；p0為聲壓；k為波數(shù)；z為小球距反射面距離。

熔滴內(nèi)部受力分析如圖2所示，徑向受到電磁收縮力的作用，軸向受到促進(jìn)熔滴過渡的重力、等離子流力、軸向電磁力和阻礙熔滴過渡的表面張力及呈周期變化的聲輻射力。圖中將超聲作用近似看作平面駐波[9]，所以熔滴所受的聲輻射力會(huì)隨熔滴距離反射端的位置變化而變化。

圖2 熔滴受力分析

熔滴過渡模擬采用VOF(Volume of fraction)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬熔滴的液面流動(dòng)進(jìn)行追蹤[10-13]，VOF方法是通過引入流體體積函數(shù)F(i，j，t)來(lái)計(jì)算不同時(shí)間下各相所占的體積分?jǐn)?shù)變化，其滿足如下方程：

(12)

式中：如果F=1時(shí)表示單元格中充滿液體；當(dāng)0

1.3邊界條件

表1為超聲-MIG熔滴過渡數(shù)值模擬所需設(shè)置的邊界條件，其中vf為送絲速度，vg為保護(hù)氣體流速。為了模擬超聲振動(dòng)的效果，將焊絲端部ab和兩側(cè)bc，ah設(shè)置為運(yùn)動(dòng)邊界，保護(hù)氣體入口cd，gh設(shè)置為變形邊界。

表1 邊界條件

2 模擬結(jié)果與討論

利用FLUENT軟件模擬同軸式超聲-MIG焊熔滴過渡過程，通過向動(dòng)量方程添加源項(xiàng)的方式使金屬熔滴受到電磁力、等離子流力、聲輻射力的作用，并結(jié)合動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)模擬超聲振動(dòng)過程。焊絲采用直徑為1.2 mm的5356鋁合金焊絲，其物理性能參數(shù)見表2。超聲參數(shù)挑選最佳的聲場(chǎng)參數(shù)[14]，端面振幅為35 μm，超聲頻率為20 kHz。

表2 5356鋁合金的物理性能參數(shù)

2.1 焊接電流的影響

圖3a為送絲速度為8 m/min、焊接電流為160 A時(shí)超聲-MIG焊熔滴過渡的輪廓變化。初始時(shí)刻熔滴呈半圓形狀，在0～6.6 ms時(shí)，熔滴受到軸向電磁力、重力、等離子流力的促進(jìn)作用和表面張力、超聲輻射力的阻礙作用，開始逐漸變形、慢慢被拉長(zhǎng)。在6.6～10.9 ms時(shí)，超聲輻射力方向發(fā)生改變，表現(xiàn)為向下軸向力，促進(jìn)熔滴過渡。在熔滴進(jìn)一步被拉伸過程中頸部受徑向電磁力的影響開始收縮，快速形成水滴狀。隨著熔滴進(jìn)一步長(zhǎng)大，頸部截面積也在不斷收縮，當(dāng)促進(jìn)熔滴過渡的軸向合力大于表面張力時(shí)，熔滴就會(huì)從焊絲端部脫落實(shí)現(xiàn)滴狀過渡，即在t=10.76 ms時(shí)熔滴脫離,此時(shí)過渡熔滴直徑為1.78 mm。相對(duì)于同一條件下的常規(guī)MIG焊熔滴過渡過程，如圖3b所示，在6.6 ms前超聲-MIG焊與MIG焊熔滴輪廓變化區(qū)別較小，這是由于聲輻射力的阻礙作用隨熔滴高度變化呈現(xiàn)逐漸減小的狀態(tài)，所以此時(shí)聲輻射力相對(duì)于其他軸向力影響作用較小，而在6.6 ms后超聲-MIG焊熔滴所受聲輻射力轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)作用力且逐漸增大，加快了熔滴形成縮頸的過程，從而縮短了熔滴脫落時(shí)間。通過對(duì)比可知，超聲-MIG焊的過渡頻率相對(duì)更快，脫落尺寸相對(duì)更小。

圖3 熔滴過渡輪廓變化

圖4為超聲-MIG焊和MIG焊熔滴內(nèi)部壓力的分布情況，由圖可知，熔滴由于受徑向電磁力的作用，縮頸處壓力值為負(fù)值，表現(xiàn)為向內(nèi)收縮力，軸向受等離子流力、表面張力、軸向電磁力和聲輻射力的綜合作用，熔滴端部壓力為正值，表現(xiàn)為向下軸向力。超聲-MIG熔滴在脫落過程中由于受到超聲振動(dòng)的影響，焊絲邊界發(fā)生周期性運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)部徑向受力呈不對(duì)稱分布，這種隨時(shí)間搖擺變化的徑向受力使熔滴更容易脫落，軸向在超聲輻射力的增添下也進(jìn)一步加快熔滴過渡。將MIG和超聲-MIG焊熔滴過渡周期與文獻(xiàn)[5]、[15]中的試驗(yàn)值進(jìn)行比較，見表3，結(jié)果表明二者大致吻合，但是在較大電流條件下其過渡周期與試驗(yàn)結(jié)果相比存在一定的誤差，這可能是因?yàn)槟M時(shí)所添加的電磁力與實(shí)際情況存在差異和未考慮熔滴滴落至熔池的時(shí)間所導(dǎo)致。

表3 模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比情況

圖4 壓力分布云圖

圖5為送絲速度為8 m/min而不同焊接電流條件下的MIG焊和超聲-MIG焊的熔滴脫落時(shí)間。隨著焊接電流的逐漸增加，MIG與超聲-MIG焊熔滴脫落時(shí)間都呈遞減的趨勢(shì)，MIG焊熔滴過渡周期隨焊接電流變化的程度比較明顯，熔滴過渡類型由大滴過渡向射滴過渡轉(zhuǎn)變；而超聲-MIG焊熔滴過渡周期相對(duì)較短且變化曲線較緩。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在較小的電流條件下，MIG與超聲-MIG焊的脫落時(shí)間相差較大，而隨著焊接電流的增加，這種差距逐漸減小。這是由于在小電流的作用下熔滴內(nèi)部電磁力較小，主要受重力和表面張力的影響，而在添加超聲作用后熔滴受聲輻射力和超聲振動(dòng)的影響，所以產(chǎn)生的變化較為明顯；隨著焊接電流的增加熔滴所受的電磁力也隨之增加，在較大的電流下促進(jìn)熔滴脫落的電磁力起決定性作用，所以受超聲影響產(chǎn)生的變化就相對(duì)較小。圖6為相對(duì)應(yīng)的MIG和超聲-MIG過渡熔滴的等效直徑，在小電流的條件下MIG焊熔滴的脫落尺寸較大，而超聲-MIG焊熔滴在超聲作用下過渡尺寸明顯變小，當(dāng)焊接電流增加到240 A時(shí)，MIG與超聲-MIG熔滴過渡尺寸大小相近。

圖5 不同焊接電流下MIG與超聲-MIG的熔滴脫落時(shí)間

圖6 不同焊接電流下MIG與超聲-MIG熔滴等效直徑

2.2 超聲振幅的影響

超聲振幅是影響超聲振動(dòng)的重要參數(shù)，也是決定聲輻射力大小的關(guān)鍵因素。圖7為超聲振幅為25 μm和35 μm時(shí)超聲-MIG焊熔滴的脫落時(shí)間。對(duì)比二者曲線發(fā)現(xiàn)，當(dāng)振幅為35 μm時(shí)的熔滴過渡周期整體上會(huì)比振幅為25 μm的短，這也就表明了由于超聲振幅的增加導(dǎo)致超聲輻射力的增大和焊絲振動(dòng)幅度的增大進(jìn)而會(huì)在一定程度上使熔滴脫落時(shí)間縮短，加快熔滴過渡頻率。但是從圖可知，當(dāng)焊接電流為160 A時(shí)，振幅為35 μm的超聲-MIG焊比振幅為25 μm的熔滴脫落時(shí)間快約1.4 ms，而當(dāng)焊接電流為240 A時(shí)，兩者相差為0.12 ms，這是因?yàn)樵诖箅娏飨氯鄣芜^渡受電磁力的主導(dǎo)作用，所以隨著電流的增加超聲輻射力的影響作用逐漸減小，而兩者相差幅度不大，主要是因?yàn)檎穹嗖钶^小所以其整體變化并不會(huì)太明顯，以致于其熔滴脫落尺寸也不會(huì)隨之有太大的變化。

圖7 不同超聲振幅下超聲-MIG熔滴的脫落時(shí)間

3 結(jié)論

(1)建立了超聲-MIG焊熔滴過渡的數(shù)學(xué)模型，通過動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和添加超聲輻射力的方式模擬金屬熔滴所受的超聲作用，模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比表明兩者吻合良好，證明了所建立模型的可行性。

(2)超聲-MIG焊與常規(guī)MIG焊相比，在小電流條件下其熔滴脫落尺寸相對(duì)更小且過渡頻率更快，隨著焊接電流的增加，熔滴受超聲的影響作用逐漸減小，在大電流的條件下超聲-MIG焊熔滴脫落時(shí)間和尺寸變化不明顯。

(3)超聲-MIG焊熔滴脫落時(shí)間受超聲振幅的影響，超聲振幅的增大會(huì)在一定程度上使熔滴過渡周期縮短。