超聲輔助焊接多振源耦合振動(dòng)場COMSOL仿真模擬研究*

崔愛永,魏華凱,劉浩東,孫偉奇,王振澤,樊偉杰

(海軍航空大學(xué) 青島校區(qū),山東 青島 266041)

當(dāng)前,學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為[1-5],實(shí)施焊接時(shí),加載基于力—聲聯(lián)合效應(yīng)的高頻超聲振動(dòng)可顯著細(xì)化晶粒,改善顯微硬度、疲勞等力學(xué)性能。徐健等[6-10]實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超聲振動(dòng)對(duì)鈦合金、鋁合金等材料焊后組織、性能的提升。吳士平等[11-17]還借助有限元、COMSOL軟件等數(shù)值模擬分析了超聲振動(dòng)對(duì)激光微熔池應(yīng)力場、潤濕行為等的影響規(guī)律。但目前這些研究主要以直接試驗(yàn)驗(yàn)證和工藝優(yōu)化為主,對(duì)高頻超聲在固體母材中的傳播特征、振動(dòng)場以及多振源重合區(qū)域耦合影響規(guī)律等研究較少,鮮有報(bào)道。為此,借助COMSOL分析軟件,開展全約束、旁觸式單振源模式下固體母材中振動(dòng)場、超聲加載位置等參數(shù)對(duì)振動(dòng)分布影響規(guī)律及雙振源耦合的仿真計(jì)算研究,以期為高頻超聲振動(dòng)的工程化應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料選用2 mm厚航空Ti6Al4V板材,成分見表1[18]。設(shè)備采用TJS-3000-V6.0型智能超聲發(fā)生系統(tǒng),以同側(cè)旁觸方式導(dǎo)入全約束基材,超聲加載位置X=50～150 mm,振幅為4～16 μm。借助COMSOL軟件,建立某時(shí)刻激光焊接微熔池有限元模型(見圖1),熔池處于X=180 mm處,熔池寬4 mm,熔深1.8 mm。

表1 Ti6Al4V的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

a) 基材有限元模型

b) 激光微熔池模型

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固體母材中超聲振動(dòng)傳播特征

加載位置為100 mm,輸入振幅為8 μm,母材表面振動(dòng)位移隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2所示。超聲振動(dòng)以加載位置為中心向四周傳播,波陣面為圓弧形。根據(jù)式1和式2可知,橫波聲速為3 020 m/s,超聲波長為86.28 mm,遠(yuǎn)大于超聲加載長度(振源長度,10 mm),故超聲振源可視為點(diǎn)振源,超聲在母材(各向同性彈性介質(zhì)材料)傳播時(shí)波陣面為球面。

a)0.25 T

b)0.5 T

c)0.75 T

d)1 T

e)2 T

f)3 T

固體中橫波速度[19]:

(1)

波速、波長、頻率關(guān)系:

(2)

縱波波速:

(3)

式中,E是楊氏彈性模量,取1.10×1011Pa;ρ是密度,取4 500 kg/m3;σ是泊松比,取0.34;λ是波長,單位為m;c是波速,單位為m/s;是頻率,取35 kHz。

母材尺寸有限,振動(dòng)波傳播到固體邊界會(huì)發(fā)生反射。當(dāng)反射波與入射波相互疊加時(shí),波形也會(huì)發(fā)生疊加變化,球面波形出現(xiàn)紊亂(見圖2f)。由于波的傳播具有獨(dú)立性原理,波的疊加不會(huì)影響波本身的頻率、波長、傳播方向,在縱向上未疊加區(qū)域振動(dòng)波傳播依舊呈現(xiàn)球面波的波陣面形式。

母材截面振動(dòng)位移隨時(shí)間變化規(guī)律如圖3所示。超聲振動(dòng)波的傳播方向?yàn)檠豖軸方向傳播,質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向?yàn)樯舷抡駝?dòng),表現(xiàn)為垂直偏振橫波的特征。基于COMSOL軟件的后處理功能,在截面振動(dòng)位移中添加等值線后處理(見圖4),發(fā)現(xiàn)在縱截面其等值線出現(xiàn)交替的疏密分布,說明母材中質(zhì)點(diǎn)的間距產(chǎn)生了交替的疏密變化,符合縱波特征。板中同時(shí)存在振動(dòng)方向與板面垂直的橫波和振動(dòng)方向與板面平行的縱波,且母材中上下表面的質(zhì)點(diǎn)位移大小和方向一致,這種特征為非對(duì)稱型蘭姆波的特征。

a) t=1 T

b) t=1.5 T

c) t=2 T

d) t=2.5 T

圖4 母材縱截面振動(dòng)位移等值線圖

由此可見,超聲振動(dòng)在固體母材中的傳播波陣面為球面的非對(duì)稱蘭姆波,說明旁觸式超聲振動(dòng)加載方式可對(duì)焊接熔池施加聲波作用。

2.2 固體母材中超聲振動(dòng)分布規(guī)律

超聲振動(dòng)在母材中的傳播影響因素主要有兩類:一類是高頻超聲工參,如振幅、頻率、加載位置、振源數(shù)等;另一類是母材本身,如材質(zhì)、內(nèi)部缺陷等。

在母材X=180 mm處設(shè)置長10 mm、寬0.5 mm、深1 mm的裂紋,有、無裂紋缺陷的母材縱截面的振動(dòng)位移云圖和振動(dòng)位移曲線分別如圖5和圖6所示。比較發(fā)現(xiàn),裂紋的存在并不影響超聲振動(dòng)在母材中的分布規(guī)律以及整體幅值大小和位置,僅改變裂紋附近的部分振動(dòng)幅值。

a) 縱截面振動(dòng)位移云圖

b) 縱截面振動(dòng)位移曲線

a) 縱截面振動(dòng)位移云圖

b) 縱截面振動(dòng)位移曲線

加載位置固定,圖7所示為不同超聲振幅下Y=25 mm縱截面處振動(dòng)位移分布曲線?？梢?加載振幅≤7 μm時(shí),振動(dòng)分布不發(fā)生變化,超過7 μm后,隨著振幅的增大,振動(dòng)分布逐漸發(fā)生改變,到達(dá)10 μm時(shí)又趨于穩(wěn)定。圖8所示為0.25～1.25 T周期內(nèi)不同振幅的振動(dòng)分布情況,不難發(fā)現(xiàn),8～10 μm范圍內(nèi)的振動(dòng)位移改變,是左側(cè)反射波與入射波逐漸疊加的結(jié)果。但整體而言,隨著超聲振幅的增大,母材的振動(dòng)位移幅值不斷增大,二者成正比關(guān)系。同時(shí)表明,全約束條件與陳琪昊[20]自由端面母材超聲振動(dòng)振幅不改變振動(dòng)分布的研究結(jié)論顯著不同。

圖7 不同振幅下母材表面振動(dòng)位移分布

a) 0.25 T

b) 0.5 T

c) 0.75 T

d) 1.25 T

邊界條件不變,改變母材長度,振動(dòng)分布如圖9所示。當(dāng)長度為150 mm時(shí),變化振幅范圍為4～6 μm;當(dāng)長度為100 mm時(shí),變化振幅范圍為2～4 μm。對(duì)比圖7可知,全約束條件下,當(dāng)超聲振幅超過某臨界閥值時(shí),母材振動(dòng)分布發(fā)生改變,且臨界閥值與母材尺寸本身有關(guān),呈正比關(guān)系。

a) 板長100 mm

b) 板長150 mm

圖10所示為縱截面不同超聲加載位置下振動(dòng)分布曲線圖?？梢钥闯?超聲加載位置的改變對(duì)振動(dòng)分布有較大影響,母材內(nèi)駐波區(qū)域發(fā)生較大變化。當(dāng)加載位置在50和70 mm處時(shí),形成較純粹的駐波場。振動(dòng)位移幅值隨著加載位置的增大呈先上升后下降趨勢(shì),但就單一位置而言,其左右20 mm范圍內(nèi),振動(dòng)位移幅值一般最大,高頻超聲作用最明顯,是理想振源位置。

a) X=30 mm

b) X=50 mm

c) X=70 mm

d) X=90 mm

由于振動(dòng)在材料中衰減嚴(yán)重,有效作用范圍受限,對(duì)于較大長度的焊接,需考慮布置多個(gè)振源點(diǎn),相鄰振源點(diǎn)之間的交叉區(qū)域則存在耦合影響。圖11所示為雙振源對(duì)稱加載下母材的振動(dòng)分布曲線圖?？梢?母材中的振動(dòng)位移曲線對(duì)稱分布,振源中點(diǎn)區(qū)域振動(dòng)處于波腹段,雖然沒有改變母材振動(dòng)幅值,但呈現(xiàn)良性耦合態(tài)勢(shì)。

a) X1=30 mm,X2=170 mm

b) X1=50 mm,X2=150 mm

c) X1=70 mm,X2=130 mm

d) X1=90 mm,X2=110 mm

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)超聲振動(dòng)在室溫下的固體母材中以橫波、縱波共存的非對(duì)稱蘭姆波傳播,波陣面為球面,經(jīng)界面反射后在母材中形成穩(wěn)定的駐波場分布。

2)全約束條件下,超聲振幅超過臨界閥值時(shí)會(huì)改變母材中的振動(dòng)分布。臨界閥值與母材尺寸本身有關(guān),呈正比關(guān)系。振動(dòng)波在端面經(jīng)反射后與入射波相疊加可在母材中形成較穩(wěn)定的駐波場。且隨著超聲振幅的增大,母材的振動(dòng)位移幅值不斷增大,二者成正比關(guān)系。

3)母材中裂紋等缺陷的存在并不影響超聲振動(dòng)分布規(guī)律及整體幅值大小和位置,僅改變裂紋附近部分振動(dòng)幅值。

4)超聲加載位置對(duì)母材振動(dòng)分布影響顯著,振動(dòng)位移幅值隨著加載位置的增大呈先上升后下降趨勢(shì),但就單一位置而言,其左右20 mm范圍內(nèi),振動(dòng)位移幅值一般最大,高頻超聲作用最明顯,是理想振源位置。雙振源對(duì)稱加載下母材中的振動(dòng)位移曲線對(duì)稱分布,振源中點(diǎn)區(qū)域振動(dòng)處于波腹段,雖然沒有改變母材振動(dòng)幅值,但呈現(xiàn)良性耦合態(tài)勢(shì)。