基于超声辅助的Ｑ２３５_镀锌钢板ＭＩＧ_焊熔滴过渡行为数值模拟

收稿日期:２０２２－０３－０４ꎮ
基金项目:国家自然科学基金项目(５１６６５０３７)ꎮ
作者简介:李华(１９９７ )ꎬ男ꎬ硕士生ꎬ研究方向为焊接模拟ꎮ
㊀∗通信作者:马国红(１９７５ )ꎬ男ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ研究方向为焊接技术ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｍｇｈ＠ｎｃｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ
李华ꎬ贾浩ꎬ马国红ꎬ等.基于超声辅助的Ｑ２３５镀锌钢板ＭＩＧ焊熔滴过渡行为数值模拟[Ｊ].南昌大学学报(工科版)ꎬ２０２３ꎬ４５(１):６５－７０.
ＬＩＨꎬＪＩＡＨꎬＭＡＧＨꎬｅｔａｌ.ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｒｏｐｌｅｔｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｉｎＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇｏｆＱ２３５ｇａｌｖａｎｉｚｅｄｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｂａｓｅｄｏｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｓｓｉｓｔａｎｃｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)ꎬ２０２３ꎬ４５(１):６５－７０.
基于超声辅助的Ｑ２３５镀锌钢板ＭＩＧ焊熔滴
过渡行为数值模拟
李华１ꎬ２ꎬ贾浩１ꎬ２ꎬ袁海涛１ꎬ２ꎬ马国红１ꎬ２∗
(１.南昌大学先进制造学院ꎬ江西南昌３３００３１ꎻ２.江西省轻质高强结构材料重点实验室ꎬ江西南昌３３００３１)㊀㊀摘要:基于流体力学软件ＦＬＵＥＮＴ的ＶＯＦ模型ꎬ建立超声辅助ＭＩＧ焊熔滴过渡数值模型ꎮ模拟了多组不同电流条件下ꎬ超声辅助ＭＩＧ焊接过程中熔滴过渡的过程ꎬ分析了超声振动对普通ＭＩＧ焊熔滴过渡频率的影响ꎮ结果表明ꎬ超声振动使得熔滴过渡频率增加ꎬ熔滴缩颈半径减小ꎬ促进了熔滴过渡ꎮ为了验证模拟结果的准确性ꎬ进行同等参数下的焊接实验ꎬ利用高速摄像机对熔滴过渡过程进行图像捕捉ꎮ实验结果表明与模拟结果相符ꎬ证明了文中熔滴过渡数学模型的准确性ꎮ
关键词:超声辅助ＭＩＧ焊ꎻ熔滴过渡ꎻ动网格
中图分类号:ＴＧ４０２㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００６－０４５６(２０２３)０１－００６５－０６
ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｒｏｐｌｅｔｔｒａｎｓｆｅｒｂｅｈａｖｉｏｒｉｎＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇｏｆ
Ｑ２３５ｇａｌｖａｎｉｚｅｄｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｂａｓｅｄｏｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｓｓｉｓｔａｎｃｅ
ＬＩＨｕａ１ꎬ２ꎬＪＩＡＨａｏ１ꎬ２ꎬＹＵＡＮＨａｉｔａｏ１ꎬ２ꎬＭＡＧｕｏｈｏｎｇ１ꎬ２∗
(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｃｈａｎｇ３３００３１ꎬＣｈｉｎａꎻ
２.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔａｎｄＨｉｇｈＳｔｒｅｎｇｔｈＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＭａｔｅｒｉａｌｓｏｆＪｉａｎｇｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅꎬＮａｎｃｈａｎｇ３３００３１ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＶＯＦｍｏｄｅｌｏｆｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｓｏｆｔｗａｒｅＦＬＵＥＮＴꎬａｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｄｒｏｐｌｅｔｔｒａｎｓｆｅｒ
ｉｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｓｓｉｓｔｅｄＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ.ＴｈｅｄｒｏｐｌｅｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｓｓｉｓｔｅｄＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄ.ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｎｄｒｏｐｌｅｔｔｒａｎｓｆｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｏｒｄｉｎａｒｙＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ.Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔｔｒａｎｓｆｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｒｅ￣
ｄｕｃｅｄｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔｎｅｃｋｉｎｇｒａｄｉｕｓꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｍｏｔｅｄｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔｔｒａｎｓｆｅｒ.Ｖｅｒｉｆｙｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓꎬｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｕｎｄｅｒｔｈｅｓａｍｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔꎬａｎｄｔｈｅｉｍａｇｅｏｆｄｒｏｐｌｅｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｃａｐｔｕｒｅｄｂｙｈｉｇｈ￣ｓｐｅｅｄｃａｍｅｒａ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｄｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔｔｒａｎｓｆｅｒｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ.ＫｅｙＷｏｒｄｓ:ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｓｓｉｓｔｅｄＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇꎻｄｒｏｐｌｅｔｔｒａｎｓｆｅｒꎻｄｙｎａｍｉｃｍｅｓｈ
㊀㊀超声波是一种机械式振动ꎬ也是一种能量载体ꎮ近些年在工业领域㊁医疗领域和生活场景中得到广泛的应用ꎮ在焊接领域中的应用也逐渐增多ꎬ如超声辅助电弧焊[１]㊁超声辅助激光焊[２]㊁超声辅助－
ＴＩＧ(ｔｕｎｇｓｔｅｎｉｎｅｒｔ￣ｇａｓｗｅｌｄｉｎｇ)复合焊接[３]等ꎮ超声辅助－ＭＩＧ(ｍｅｌｔｉｎｅｒｔ￣ｇａｓｗｅｌｄｉｎｇ)复合焊接是一种新型的焊接技术[４－５]ꎬ近些年成为焊接领域的研究热点ꎮ利用超声波的机械振动㊁能量㊁声空化㊁声
第４５卷第１期２０２３年３月
㊀㊀㊀㊀㊀㊀
南昌大学学报(工科版)
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ)
Ｖｏｌ.４５Ｎｏ.１Ｍａｒ.２０２３
㊀
流等非线性的效应ꎬ将超声波作用在电弧㊁熔池和熔
滴中ꎬ与普通的ＭＩＧ焊接过程进行机械耦合ꎮ最初
的超声辅助焊接是由Ｆａｎ等[６]研究报道的ꎬ他们发现ＧＭＡＷ(ｇａｓｍｅｌｔａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ)焊接在超声辅助下
电弧的弧形由钟形变为圆锥形状ꎬ电弧长度明显缩
短ꎬ熔滴过渡频率加快ꎮ同时Ｆａｎ等[７－９]在后续研究中还发现ꎬＧＭＡＷ焊接在施加超声辅助振动后ꎬ
金属工艺和传输频率远远高于常规的ＧＭＡＷ焊ꎬ这
表明超声波辅助气体有助于提高金属电弧焊的稳定
性ꎮ王泽荫等[１０]在辅助焊接技术中指出ꎬ将超声波引入熔池中ꎬ使熔池产生受迫振动ꎬ起到稳定电弧㊁
减少缺陷㊁改善接头质量的作用ꎮ在电弧焊中引入
超声波ꎬ能够压缩电弧ꎬ增加焊缝的熔深ꎻ利用超声
波的机械振动属性打断正在生长的等轴晶体ꎬ使焊
缝组织成分更加均匀ꎬ力学性能增强ꎻ超声波所产生
的声空化㊁热效应以及声流[１１]ꎬ可减少焊缝处的温度差异ꎬ从而减小相变残余应力引起的焊接变形ꎮ
在焊接过程中引入超声波ꎬ有以下３种引入方式:针
对焊丝和母材的超声焊接技术[１２]㊁针对电弧的超声焊接技术[１３]㊁针对熔融金属的超声焊接技术[１４]ꎮ本文所研究的是通过焊丝引入超声ꎬ研究超声波的横向振动对熔滴下落过程的物理行为分析ꎮ
近些年来ꎬ国内外许多学者对ＭＩＧ焊接中熔滴
过渡进行了深入研究ꎬ提出不一样的熔滴过渡的基
础数值理论ꎮ目前有关熔滴过渡模拟的理论主要有
静力学平衡理论㊁质量－弹簧理论㊁收缩不平衡理
论㊁能量最小理论和流体力学理论[１５－１７]ꎮ流体动力学理论ＶＯＦ(ＶｏｌｕｍｅｏｆＦｕｎｃｔｉｏｎ)ꎬ相比前４种理论ꎬ在焊接领域应用更为广泛ꎬ可以很好地在不同条件下模拟出不同参数熔滴过渡的情况ꎬ更好地反映焊接过程中的实际情况ꎮ
基于流体动力学理论ꎬ利用流体力学软件ＦＬＵ￣ＥＮＴ对超声辅助ＭＩＧ焊进行数值模拟计算ꎮ模拟熔滴过渡中流场及熔滴表面动态变化过程ꎬ分析添加超声波横向振动对ＭＩＧ焊接熔滴过渡的影响ꎬ最后通过实验进行验证ꎮ
１㊀数值建模
㊀㊀本文采用Ｑ２３５镀锌钢薄板进行超声辅助ＭＩＧ焊ꎬ由于焊接熔滴过渡需要考虑的物理量比较多ꎬ过程比较复杂ꎮ为了更好地模拟熔滴过渡的动态行为ꎬ简化数学模型ꎬ保证所建立的数学模型的可靠性和可行性ꎬ作出基本假设如下:
１)忽略热传导㊁相变和电弧对熔滴过渡的影响ꎬ其流动为层流ꎻ
２)Ｑ２３５镀锌钢液态金属流体为不可压缩的牛顿流体ꎻ
３)液态金属的物性参数是固定的ꎬ不随着温度的变化而变化ꎻ
４)熔滴过渡是一个二维问题且熔滴以焊丝的中心线呈对称分布ꎻ
５)保护气体氩气在焊接模拟过程中为理想气体ꎬ环境压力为标准大气压ꎻ
６)焊丝的熔化速度与焊丝的送丝速度是一样的ꎮ
基于上述假设ꎬ建立二维的超声辅助ＭＩＧ焊接的数学模型ꎮ根据特征计算区域的大小ꎬ等比例对实际尺寸进行适当的调整ꎬ建立的二维数值模型如图１所示ꎬ液态金属以送丝速度从熔化界面流出ꎬ其建模工艺参数如表１所示ꎮ为了计算模型的准确性ꎬ本文将模型中的网格大小设为０.１ｍｍꎮ
表１㊀数值建模工艺参数
Ｔａｂ.１㊀Ｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇ
焊丝直径
(ＣＤ)/ｍｍ焊丝干伸长度
(ＢＣ)/ｍｍ进气口到工件的
距离(ＡＨ)/ｍｍ
工件长度
(ＨＧ)/ｍｍ气体流量/
(Ｌ ｍｉｎ－１)１.２１７１０２０
A B
C D
E F
G
H
图１㊀数值模型示意图
Ｆｉｇ.１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ
２㊀控制方程
㊀㊀在数值模拟计算过程中ꎬ流体均满足质量守恒方程㊁动量守恒方程和能量守恒方程[１８]ꎬ其方程如下所示ꎮ
质量守恒方程:
∂ρ
∂ｔ＋Ñ (ρｖ)＝０(１)动量守恒方程:
∂ρｖ
∂ｔ＋Ñ (ρｖｖ)＝
－ÑＰ＋ρμÑ２ｖ＋ρｇ＋Ｆ(２)能量守恒定律:
６６ 南昌大学学报(工科版)２０２３年㊀
∂ρＴ
∂ｔ＋Ñ (ρｖｔ)＝Ñ
ｋ
ＣｐÑＴ
æ
è
ç
ö
ø
÷＋Ｓｒ(３)
式中:ρ为流体密度ꎻｖ为流体速度ꎻｔ为时间ꎻＰ为流场中的压力ꎻμ为流体黏度系数ꎻｇ为重力加速度ꎬ即
９.８１ｍ ｓ－２ꎻＦ为体积力ꎬ包含重力㊁表面张力㊁电磁力以及等离子流力ꎻＣｐ为质量定压热容ꎻＴ为温度ꎻｋ为流体传热系数ꎻＳｒ为体积力与表面力对微元体做功ꎮ
３㊀超声波的引入
㊀㊀添加超声波的目的是利用高频电压通过超声波换能器将高频信号转变为机械的高频振动ꎬ在焊枪的端部形成一个声压场ꎬ同时高频机械振动会传递到焊丝内部ꎬ引起焊丝端部的小幅度振动ꎮ超声波在焊丝内部会形成反弹ꎬ这一过程可以近似地把超声波振子(动边界)的位移看作正弦波方程ꎮ超声波频率为２０ｋＨｚꎬ根据超声波其他的设备参数ꎬ对焊丝边界运动进行设置[１９]ꎮ
动边界的位移方程为:
Ｓ＝ａｓｉｎ(２πｆｔ)(４)经多次高速摄像机拍摄试验可得:焊丝振幅ａ＝２０μｍꎻ焊丝的振动频率ｆʈ７７０Ｈｚꎻｔ为计算时间ꎮ对上述公式进行求导ꎬ可得其速度方程:
ｖ＝３.０８πˑｃｏｓ(１５４０πｔ)(５)施加超声波对焊丝会产生轻微的振动ꎬ利用动网格来模拟这种边界与网格不断变化位置和形状的情况ꎮ利用ＦＬＵＥＮＴ中ＤｙｎａｍｉｃＭｅｓｈ模块来设置动网格ꎮ在ＭｅｓｈＭｅｔｈｏｄｓ中选择Ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ㊁Ｒｅｍｅｓｈｉｎｇ２种网格运动方式ꎬ然后在Ｒｅｍｅｓｈｉｎｇ中选择ＵｓｅＤｅｆａｕｌｔｓ模式确保在计算过程中避免发生因负体积网格而发生计算不收敛的问题ꎮ
４㊀模拟结果分析
㊀㊀在ＦＬＵＥＮＴ软件中把建立的超声辅助ＭＩＧ焊的数学模型通过上述的条件设置之后ꎬ本文研究在焊丝振幅为３０μｍꎬ振动频率为７７０Ｈｚꎬ电压为２２Ｖꎬ氩气流量为２０Ｌ ｍｉｎ－１条件下ꎬ分别模拟焊接电流为８０㊁２６０㊁３８０Ａ常规ＭＩＧ焊与添加超声辅助ＭＩＧ焊熔滴过渡过程ꎮ
在电压Ｕ＝２２Ｖꎬ电流Ｉ＝８０Ａ条件下ꎬ如图２(ａ)㊁(ｂ)分别对应的是常规ＭＩＧ焊和超声辅助ＭＩＧ焊熔滴过渡过程ꎮ分别截取熔滴从开始的形成㊁逐渐长大㊁开始颈缩到最后脱落的典型图片进行后处理ꎮ在２４.００ｍｓ时ꎬ此时熔滴主要受到重力㊁表面张力和电磁力的影响ꎬ熔滴直径略大于焊丝直径ꎬ其形状呈近似椭球状ꎮ随后ꎬ随着焊丝材料的熔化ꎬ熔滴受重力作用其形貌会变大ꎬ电弧逐渐由覆盖焊丝端部变为覆盖熔滴大部ꎮ熔滴产生缩颈ꎬ缩颈以下的熔滴在逐渐变长ꎬ呈梨状形ꎮ熔滴继续向下长大ꎬ电弧根部的夹角变大ꎬ电磁力逐渐增大ꎬ其值由负值转为正值ꎬ即熔滴表面受的电磁力由阻碍熔滴过渡转变为促进熔滴过渡ꎮ当熔滴过渡到６６.３０ｍｓ时ꎬ为熔滴脱落的临界时刻ꎬ此时缩颈已经完成ꎬ在竖直方向上的轴向电磁力和重力促使熔滴加速下落ꎮ在接近母材时ꎬ形状呈椭圆形ꎮ常规ＭＩＧ焊接在电流为８０Ａ条件下ꎬ熔滴过渡周期约为６６.３０ｍｓꎬ熔滴直径为３.２ｍｍꎬ过渡频率为１５.０８Ｈｚ(每秒钟有约１５滴熔滴滴落)ꎮ图２(ｂ)在焊枪的端部添加一个横向超声振动ꎮ此时ꎬ熔滴过渡过程新增加了一个横向剪切力ꎬ在熔滴刚成型时ꎬ焊丝端部受横
0ms24.00ms66.30ms68.50ms
(ａ)常规ＭＩＧ焊
0ms22.00ms64.10ms66.70ms
(ｂ)超声辅助ＭＩＧ焊
图２㊀常规ＭＩＧ焊与超声辅助ＭＩＧ焊在电流Ｉ＝８０Ａ熔滴模拟情况
Ｆｉｇ.２㊀ＤｒｏｐｌｅｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇａｎｄＵ－ＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇａｔｃｕｒｒｅｎｔＩ＝８０Ａ ７６
第１期㊀㊀㊀㊀㊀李华等:基于超声辅助的Ｑ２３５镀锌钢板ＭＩＧ焊熔滴过渡行为数值模拟
向振动的影响ꎬ熔滴会产生左右来回周期性摆动运动ꎬ形成振荡ꎬ从而促使熔滴向下运动ꎮ在６４.１０ｍｓ时ꎬ可以看到熔滴在横向剪切力的作用下ꎬ熔滴轴向位置发生了偏移促使熔滴加速过渡到熔池中ꎮ在电流为８０Ａ条件下ꎬ超声辅助ＭＩＧ焊的过渡周期约为６４.１０ｍｓꎬ熔滴高度约为３ｍｍꎬ过渡频率为１５.６２Ｈｚ(每秒约有１６滴熔滴滴落)ꎮ对比常规ＭＩＧ焊ꎬ超声辅助ＭＩＧ焊ꎬ熔滴高度缩短了约６.７％ꎬ过渡频率增加了约６％ꎮ
在电压Ｕ＝２２Ｖꎬ电流Ｉ＝２６０Ａ条件下ꎬ图３(ａ)㊁(ｂ)分别对应的是常规ＭＩＧ焊和超声辅助ＭＩＧ焊熔滴过渡过程ꎮ
0ms7.52ms16.80ms17.30ms
(ａ)常规ＭＩＧ焊
0ms7.08ms14.60ms15.40ms
(ｂ)超声辅助ＭＩＧ焊
图３㊀常规ＭＩＧ焊与超声辅助ＭＩＧ焊在电流Ｉ＝２６０Ａ熔滴模拟情况
Ｆｉｇ.３㊀ＤｒｏｐｌｅｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇａｎｄＵ￣ＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇａｔｃｕｒｒｅｎｔＩ＝２６０Ａ
㊀㊀可以观察到ꎬ熔滴直径略小于焊丝直径ꎬ其形状与水滴相似ꎮ常规ＭＩＧ焊的过渡周期为１６.８０ｍｓꎬ过渡频率为５９.５２Ｈｚ(每秒钟约有６１滴熔滴滴落)ꎮ与图２所示电流为８０Ａ时的熔滴过渡情况相比ꎬ电流为２６０Ａ时熔滴过渡类型由滴状过渡转变为喷射过渡ꎬ此时熔滴形成缩颈的时间(１６.８０ｍｓ)比电流为８０Ａ时熔滴缩颈时间(６６.３０ｍｓ)缩短约７４.６０％ꎬ熔滴高度也由Ｉ＝８０Ａ时的３.２ｍｍ缩短为２.４ｍｍꎮ超声辅助ＭＩＧ焊如图３(ｂ)所示ꎬ过渡周期为１４.６０ｍｓꎬ过渡频率为６８.４９Ｈｚ(每秒钟约有６９滴熔滴滴落)ꎮ相对于常规ＭＩＧ焊ꎬ超声辅助ＭＩＧ焊熔滴受横向剪切力作用使得熔滴弧根角增大速度变快ꎬ熔滴高度相对变小ꎬ且过渡频率增加约１３.１％ꎮ在电压Ｕ＝２２Ｖꎬ电流Ｉ＝３８０Ａ条件下ꎬ图４
(ａ)㊁(ｂ)分别对应的是常规ＭＩＧ焊和超声辅助ＭＩＧ焊熔滴过渡过程ꎮ图４(ａ)为常规ＭＩＧ焊ꎬ熔滴过渡周期为８.６７ｍｓꎬ过渡频率约为１１６Ｈｚ(每秒钟大约有１１６滴熔滴滴落)ꎬ相对于电流为２６０Ａ条件下ꎬ熔滴过渡周期缩短了４８.４％ꎮ图４(ｂ)为超声辅助ＭＩＧ焊在电流Ｉ＝３８０Ａ条件下熔滴过渡过程ꎮ
0ms 3.03ms8.67ms10.10ms
(ａ)常规ＭＩＧ焊
0ms 2.28ms 4.98ms 5.94ms
(ｂ)超声辅助ＭＩＧ焊
图４㊀常规ＭＩＧ焊与超声辅助ＭＩＧ焊在电流Ｉ＝３８０Ａ熔滴模拟情况
Ｆｉｇ.４㊀ＤｒｏｐｌｅｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇａｎｄＵ￣ＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇａｔｃｕｒｒｅｎｔＩ＝３８０Ａ
８６ 南昌大学学报(工科版)２０２３年㊀
在２.２８ｍｓ
时ꎬ此时熔滴还处在生长阶段ꎬ受到超声横向剪切力的作用ꎬ熔滴偏离焊丝的轴向位置ꎬ来回进行大幅度摆动ꎬ在４.９８ｍｓ时ꎬ熔滴脱落以极快的速度过渡到熔池中ꎮ超声辅助ＭＩＧ焊在电流为３８０Ａ条件下ꎬ过渡周期为４.９８ｍｓꎬ过渡频率为２００.８Ｈｚ(每秒钟约有２０１滴熔滴滴落)ꎮ相比常规ＭＩＧ焊ꎬ超声辅助ＭＩＧ焊高度缩短了ꎬ溶滴过渡周期缩
短了４２.６％ꎮ
５㊀实验验证
５.１㊀焊接实验平台
如图５所示ꎬ焊接试验系统装置由焊枪㊁工件㊁超声波换能器和滑轨组成ꎮ焊接试验平台搭建在特制的铁板上面ꎬ超声波换能器与变幅杆垂直安装在焊丝端部ꎬ焊枪通过伸缩杆固定在焊接工件正上方ꎬ焊接母材使用夹具固定在移动平台上ꎬ通过滑轨上的步进电机匀速带动丝杠滑台上的母材进行焊接ꎬ把高速摄像机㊁滤光片㊁焊丝端部和原点激光器的中心点固定在同一直线上ꎮ调试好对焦镜头ꎬ当搭配的软件操作界面上出现了清晰的画面时ꎬ可以进行相关焊接操作ꎮ
５.２㊀实验结果与分析
如图６所示ꎬ利用高速摄像实验平台拍摄了电流为１２５Ａ情况下的图像ꎮ从图６(ａ)中可知常规ＭＩＧ焊接熔滴的过渡周期大约为３６.５０ｍｓꎬ图６(ｂ)为加载超声波辅助ＭＩＧ焊熔滴过渡图像ꎬ其过渡周期约为３２.４０ｍｓꎬ相对常规ＭＩＧ焊熔滴过渡周期缩短３.９０ｍｓꎬ缩短了约１１％的时间ꎮ实验验证了施加超声横向振动有利于加快ＭＩＧ焊熔滴过渡的频率ꎮ并且在图(ｂ)中观察到熔滴受超声横向剪切力的作用ꎬ熔滴轴向形态边长ꎬ与模拟结果一致ꎮ从而验证了本文中建立的数值模型的准确性
ꎮ
图５㊀焊接实验平台示意图Ｆｉｇ.５㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｗｅｌｄｉｎｇ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
ｐｌａｔｆｏｒｍ
(ａ)常规ＭＩＧ焊
(ｂ)超声辅助ＭＩＧ焊
图６㊀常规ＭＩＧ焊与超声辅助ＭＩＧ焊在电流Ｉ＝１２５Ａ熔滴过渡实验情况Ｆｉｇ.６㊀ＤｒｏｐｌｅｔｔｒａｎｓｆｅｒｔｅｓｔｏｆＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇａｎｄＵ￣ＭＩＧｗｅｌｄｉｎｇａｔｃｕｒｒｅｎｔＩ＝１２５Ａ
９６ 第１期㊀㊀㊀㊀㊀李华等:基于超声辅助的Ｑ２３５镀锌钢板ＭＩＧ焊熔滴过渡行为数值模拟
６　结论
㊀㊀本文基于ＦＬＵＥＮＴ软件建立了超声辅助ＭＩＧ焊熔滴过渡的数值模型ꎬ并且分别模拟焊接电流为８０㊁２６０㊁３８０Ａ常规ＭＩＧ焊与添加超声辅助ＭＩＧ焊熔滴过渡过程ꎮ研究发现ꎬ超声振动会使熔滴产生左右来回周期性摆动运动ꎬ形成振荡ꎬ从而促进熔滴过渡ꎮ为了验证模拟结果的准确性ꎬ进行相关实验ꎮ实验结果显示与模拟结果基本一致ꎬ证明了本文所建立的数值模型的准确性ꎮ
参考文献:
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[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌｓａｎｄＭａｎｕｆａｃ￣
ｔｕｒｅꎬ２０２０ꎬ１５６:１０３５９４.
[６]ＦＡＮＹＹꎬＦＡＮＣＬꎬＹＡＮＧＣｌꎬｅｔａｌ.ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｓｓｉｓｔｅｄＧＭＡＷｍｅｔｈ￣
ｏｄ[Ｊ].ＣｈｉｎａＷｅｌｄｉｎｇꎬ２０１０ꎬ１９(４):１－５. [７]ＦＡＮＹＹꎬＦＡＮＣＬꎬＹＡＮＧＣＬꎬｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔｉｎｇｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｄｅｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｓｓｉｓｔｅｄＧＭＡＷ
ｍｅｔｈｏｄ[Ｊ].ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＷｅｌｄｉｎｇａｎｄＪｏｉｎ￣
ｉｎｇꎬ２０１２ꎬ１７(３):１８６－１９１.
[８]ＦＡＮＣＬꎬＸＩＥＷＦꎬＹＡＮＧＣＬꎬｅｔａｌ.Ｐｒｏｃｅｓｓｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ￣ｗａｖｅ￣ａｓｓｉｓｔｅｄｇａｓｍｅｔａｌａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ[Ｊ].Ｍｅｔａｌｌ
ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡꎬ２０１７ꎬ４８
(１０):４６１５－４６２１.
[９]ＸＩＥＷＦꎬＦＡＮＣＬꎬＹＡＮＧＣＬꎬｅｔａｌ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓ￣
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０７ 南昌大学学报(工科版)２０２３年㊀。