超聲-MIG焊熔滴過渡的數(shù)值模擬

黃澤湃，李會軍，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焊(MIG)具有焊接生產(chǎn)率高、成本低、熔敷率高等優(yōu)點，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]，為了實現(xiàn)對熔滴過渡行為的控制，近年來有學(xué)者提出了利用超聲輻射力促進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，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焊熔滴過渡機制，利用FLUENT軟件模擬在超聲的作用下熔滴長大、變形和脫落的過程，并將其與相關(guān)試驗進行對比，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涉及多場耦合的復(fù)雜物理過程，為了便于描述此過程、簡化計算，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 熔滴過渡的簡化物理模型

1.2 控制方程

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量守恒方程：

(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為體積分數(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[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)生的磁場強度為：

(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)方法實現(xiàn)對金屬熔滴的液面流動進行追蹤[10-13]，VOF方法是通過引入流體體積函數(shù)F(i，j，t)來計算不同時間下各相所占的體積分數(shù)變化，其滿足如下方程：

(12)

式中：如果F=1時表示單元格中充滿液體；當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為保護氣體流速。為了模擬超聲振動的效果，將焊絲端部ab和兩側(cè)bc，ah設(shè)置為運動邊界，保護氣體入口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，通過向動量方程添加源項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)合動網(wǎng)格運動模擬超聲振動過程。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時超聲-MIG焊熔滴過渡的輪廓變化。初始時刻熔滴呈半圓形狀，在0～6.6 ms時，熔滴受到軸向電磁力、重力、等離子流力的促進作用和表面張力、超聲輻射力的阻礙作用，開始逐漸變形、慢慢被拉長。在6.6～10.9 ms時，超聲輻射力方向發(fā)生改變，表現(xiàn)為向下軸向力，促進熔滴過渡。在熔滴進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。隨著熔滴進一步長大，頸部截面積也在不斷收縮，當促進熔滴過渡的軸向合力大于表面張力時，熔滴就會從焊絲端部脫落實現(xiàn)滴狀過渡，即在t=10.76 ms時熔滴脫離,此時過渡熔滴直徑為1.78 mm。相對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)，所以此時聲輻射力相對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間。通過對比可知，超聲-MIG焊的過渡頻率相對更快，脫落尺寸相對更小。

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的影響，焊絲邊界發(fā)生周期性運動，導(dǎo)致內(nèi)部徑向受力呈不對稱分布，這種隨時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一步加快熔滴過渡。將MIG和超聲-MIG焊熔滴過渡周期與文獻[5]、[15]中的試驗值進行比較，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結(jié)果相比存在一定的誤差，這可能是因為模擬時所添加的電磁力與實際情況存在差異和未考慮熔滴滴落至熔池的時間所導(dǎo)致。

表3 模擬值與試驗值的對比情況

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焊的熔滴脫落時間。隨著焊接電流的逐漸增加，MIG與超聲-MIG焊熔滴脫落時間都呈遞減的趨勢，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較短且變化曲線較緩。對比結(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)生的變化就相對較小。圖6為相對應(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，當焊接電流增加到240 A時，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時超聲-MIG焊熔滴的脫落時間。對比二者曲線發(fā)現(xiàn)，當振幅為35 μm時的熔滴過渡周期整體上會比振幅為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幅度的增大進而會在一定程度上使熔滴脫落時間縮短，加快熔滴過渡頻率。但是從圖可知，當焊接電流為160 A時，振幅為35 μm的超聲-MIG焊比振幅為25 μm的熔滴脫落時間快約1.4 ms，而當焊接電流為240 A時，兩者相差為0.12 ms，這是因為在大電流下熔滴過渡受電磁力的主導(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，主要是因為振幅相差較小所以其整體變化并不會太明顯，以致于其熔滴脫落尺寸也不會隨之有太大的變化。

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)果與試驗對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焊熔滴脫落時間和尺寸變化不明顯。

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