合作客戶/
拜耳公司 |
同濟大學 |
聯(lián)合大學 |
美國保潔 |
美國強生 |
瑞士羅氏 |
相關(guān)新聞Info
-
> 乳化降黏驅(qū)油劑在孔隙尺度的致效機理
> 連接基對3種表面活性劑GSS271、GSS371和GSS471動態(tài)表面性能的影響(上)
> 大慶原油表面張力測試和黏度測試實驗
> 油脂不飽和度對于蛋白質(zhì)界面特性與乳液穩(wěn)定性的影響
> 強紫外線輻射對減縮劑抑制水泥石干縮變形效果研究(三)
> 揭示界面張力在鈣鈦礦晶體生長過程中作用機理
> 山茶油改性方法、制備原理及在水劑型化妝品中的應(yīng)用(一)
> 新型聚芴材料螺芴氧雜蒽的X型多層LB膜制備方法
> 太陽電池污染效應(yīng)試驗,微量天平在其中起到什么作用
> 氟原子表面張力極低,可提高消泡劑的持續(xù)抑泡效果
推薦新聞Info
-
> 辛酸異戊酯替代白油制備壓裂液用增稠劑可行性研究
> 芬蘭Kibron表面張力儀精準測量不同微米尺度下異辛烷的表面張力
> 磁場強度和磁化時長對除草劑溶液表面張力、噴霧霧滴粒徑的影響(三)
> 磁場強度和磁化時長對除草劑溶液表面張力、噴霧霧滴粒徑的影響(二)
> 磁場強度和磁化時長對除草劑溶液表面張力、噴霧霧滴粒徑的影響(一)
> 表面張力的球泡運動的理論解研究
> 改性環(huán)氧樹脂乳液型碳纖維上漿劑制備、表面張力、黏度等性能測試(三)
> 改性環(huán)氧樹脂乳液型碳纖維上漿劑制備、表面張力、黏度等性能測試(二)
> 改性環(huán)氧樹脂乳液型碳纖維上漿劑制備、表面張力、黏度等性能測試(一)
> 超低界面張力復配表面活性劑用于渤海X油田水驅(qū)后的“挖潛提采”(三)
基于脈沖焊接研究表面張力活性元素對Marangoni力的影響
來源: 激光制造研究 瀏覽 505 次 發(fā)布時間:2024-04-15
本研究中,模擬了串列脈沖熔化極氣體保護焊過程的三維模型,以研究振動和表面張力活性元素存在時的傳熱和材料流動。模擬結(jié)果與在不同條件下(包括有和沒有振動輔助焊接)獲得的焊縫橫截面的光學顯微圖像一致。使用溫度等值線圖上的2D和3D流線對物質(zhì)流進行可視化。發(fā)現(xiàn)在脈沖焊接操作期間,熱量遵循非常穩(wěn)定的模式,盡管熔池后部區(qū)域中的流體流連續(xù)變化,這決定了熔透的最終幾何形狀??紤]表面張力活性元素對Marangoni力的影響顯著改善了模擬結(jié)果。一種新方法解決了工件和填充材料中硫含量的影響。施加振動通過影響自由表面行為降低熱量輸入,并在熔透形狀變化中發(fā)揮重要作用。
引言
與傳統(tǒng)的單焊絲情況相比,雙頭氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)具有更高的生產(chǎn)率和熔敷率,是重工業(yè)和汽車工業(yè)中應(yīng)用的焊接技術(shù)之一。采用脈沖電弧功能,除了特殊的生產(chǎn)功能外,還可以使用平滑和無飛濺的焊接條件。盡管有這些優(yōu)點,但焊縫金屬的熔深形狀和熱影響區(qū)(HAZ)的顯微組織并不總是令人滿意的,例如,即使在中等電流下也會出現(xiàn)指形熔深,這會影響焊縫金屬的機械性能。人們對不同電流波形控制的焊縫特性和振動輔助焊接(VAW)進行了大量研究。
在過去的幾年里,人們從不同的角度對GMAW熔池振蕩進行了研究。實驗觀察支持的分析模型導致了基于振蕩的控制系統(tǒng)的發(fā)展。另一方面,工件振動作為一種VAW控制著焊接金屬和HAZ的微觀結(jié)構(gòu),如形態(tài)改變和降低殘余應(yīng)力,并導致
改善焊接區(qū)的機械性能。意外發(fā)現(xiàn),當將縱向正弦模式的工件振動應(yīng)用于單絲脈沖GMAW時,指形熔合區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)殄伒仔螤?。對串?lián)焊絲脈沖GMAW的進一步研究揭示了各種頻率的影響和特定頻率(約250 Hz)的存在,以產(chǎn)生最佳的鍋底形狀。
串聯(lián)脈沖氣體保護焊(TP-GMAW)的復雜條件需要一種不同的方法來可視化熔池中的熱量和質(zhì)量傳遞。由于GMAW的復雜條件,很有可能使用數(shù)值模型來隔離和研究過程中每個參數(shù)的重要性。然而,根據(jù)類似的論點,力之間的相互作用可能會簡單地掩蓋模型中各種類型的缺陷,并可能導致熔池中的偽平衡。因此,在分析數(shù)值結(jié)果之前,需要高度精確地確定各種輸入?yún)?shù),如熱分布、焊接效率、熔滴物理學和表面張力系數(shù)。
為了揭示融合區(qū)的內(nèi)部特征,研究人員使用有限差分法(FDM)和質(zhì)量、動量和能量守恒控制方程。此外,采用流體體積技術(shù)(VOF)跟蹤熔池的自由表面;首先由Hirt和Nichols基于供體-受體方法提出。楊使用技術(shù)開發(fā)了GMAW的三維模型。Cho等人通過輸入變量的精確定義擴展了脈沖GMAW的VOF模型。胡等人在一項綜合研究中模擬了GMAW中的波紋形成。在相同的熔池條件下,這一時期的大多數(shù)數(shù)值模擬都受到標準VOF算法精度的影響。更詳細地說,縱向截面中自由表面的行為與高速攝像機拍攝的圖像仍然相差甚遠,尤其是當熔滴撞擊熔池表面時。由于在特殊條件下計算單元可能會溢出或過空,因此對VOF的初始算法進行了不同類型的改進。在所有增強算法中,基于拉格朗日的VOF平流在跟蹤表面張力的復雜三維運動中的尖銳界面時表現(xiàn)出良好的準確性。利用新算法的潛力,對熔焊進行的分析與實驗結(jié)果非常一致。然而,GMAW模型的改進仍然需要應(yīng)用,例如混合焊接和特殊方法的檢查。
盡管有各種研究單絲GMAW的數(shù)值模型,但基于數(shù)值方案,串絲焊中深指狀熔合區(qū)的機理并未得到明確理解。基于VOF方法的新研究發(fā)現(xiàn),忽略眾所周知的現(xiàn)象(即表面張力系數(shù)梯度的變化)在不準確滲透中起著重要作用。盡管如此,在最新的文章中已經(jīng)考慮了金屬基添加劑制造過程中表面活性元素的影響。目前的研究證明了輸入變量(如與數(shù)學算法相關(guān)的表面張力系數(shù))如何極大地影響熔池的預測最終幾何形狀。此外,還討論了特定振動條件對熔化極氣體保護焊熔深形狀的影響。實驗結(jié)果支持了工件有振動和無振動情況下的數(shù)值模型。為了生成具有最高精度的表面張力效應(yīng)的網(wǎng)格獨立模型,采用了單元尺寸為0.15 mm的精細立方體網(wǎng)格。首次成功地進行了考慮工件振動和TP-GMAW交互現(xiàn)象的三維模擬。
實驗設(shè)置
在IIT海得拉巴使用機器人TP-GMAW設(shè)施進行焊接實驗,其中兩個電極分別通過焊槍饋送并從兩個獨立的電源接收電力。電源以反相方式同步,以防止后電弧和前電弧之間的相互作用。氬氣82%–二氧化碳18%用作保護氣體。機器人焊接設(shè)備由KUKA公司的KR30六軸機器人組成,該機器人與Fronius公司的兩個數(shù)字焊接電源相連。跟蹤電極和引導電極的電流設(shè)置為180 A.通過保持焊槍垂直于工件,在平面位置進行長度為200 mm的堆焊。本研究中使用的基材是由鐵素體-珠光體結(jié)構(gòu)組成的熱軋低碳鋼IS 2062-2011。絲狀電極是直徑為1.2毫米的ER 70-S。母材和焊絲的化學成分列于表1。使用容量為150±0 kgf的Sdyn電動振動機來產(chǎn)生振動。
連接到振動器頭的滑動臺在焊接方向上以250 Hz振動。四個楔形夾具均勻地用于緊緊地固定工件,以避免任何類型的變形接期間。連續(xù)正弦模式振動沿縱向施加于焊縫。焊接設(shè)備如圖1所示。火炬環(huán)境和振動條件的更多細節(jié)將在第3.3節(jié)中討論。在用7體積%HNO 3+93體積%甲醇拋光和蝕刻后,使用光學顯微鏡(OM)對焊接試樣進行橫截面宏觀檢查。表2列出了焊接參數(shù),包括脈沖和振動特性。圖2顯示了在5 kHz頻率下記錄的前后電極的電流-電壓波形。波形顯示了在整個焊接長度上觀察到的穩(wěn)定信號,除了焊接的開始和結(jié)束。
數(shù)學建模和公式
開發(fā)了一個三維笛卡爾模型來分析TP-GMAW工藝獲得的熔池中的輪廓和對流。在支持相變能力的計算域中考慮牛頓和不可壓縮流體的層流。熔池由電磁力、浮力和表面張力共同驅(qū)動。為了簡化數(shù)值模型,等離子體熱對液滴的影響通過液滴的初始溫度來考慮。根據(jù)這些假設(shè),總共四個控制方程(包括質(zhì)量連續(xù)性、動量連續(xù)性(納維爾-斯托克斯)、能量守恒和VOF)根據(jù)方程一起求解。分別為(1)至(4)。表3列出了一系列變量。為了分析熱傳遞和熔池輪廓,采用了FLOW-3D商業(yè)軟件,特別是因為該軟件通過拉格朗日VOF平流法跟蹤移動的自由表面具有很高的精度。
其中ms是外部質(zhì)量源的一項,Gb是由身體力產(chǎn)生的加速度。Vs是質(zhì)量源的速度矢量,kdv代表多孔介質(zhì)模型中的流量損失。關(guān)于非等溫相變,固相線和液相線溫度之間的焓考慮了熔化潛熱,如方程式(5)所示。
通過忽略隨相變發(fā)生的體積變化(約5%),多孔介質(zhì)阻力概念用于根據(jù)方程(6)模擬煳狀區(qū)的流動。
除了對流和輻射熱損失之外,工件表面還暴露于TP-GMAW熱源。對于具有拖尾和前導熱源的TP-GMAW工藝,表面熱通量的數(shù)學表達式如下所示:
考慮到GMAW工藝的效率,假設(shè)每個熱源的加熱速率等于電弧加熱速率和熔滴熱含量之和,如下所示:
其中UI為瞬時平均功率,η為焊接效率,ηd代表熔滴加熱速率與平均功率的比值。為了計算液滴傳遞給工件的理想熱能,在噴霧模式下,根據(jù)液滴生成頻率f d使用比熱容公式:
作為熱流建模的一個關(guān)鍵點,必須從總熱量中扣除由液滴傳遞的熱量部分。通過修改固定高斯關(guān)系,將自由表面上的熱通量建模為雙橢圓分布,其有效半徑位于x方向的前部(σqxf)、x方向的后部(σqxr)和y方向(σqy):
其中xc和yc是電弧中心的移動坐標,V w表示焊接速度。請注意,前電極和后電極遵循x方向前后的反向后綴。焊接過程中,熔池的上表面與電弧壓力和等離子體射流產(chǎn)生的應(yīng)力相互作用。電弧等離子體的電磁力產(chǎn)生的壓力梯度沿著自由表面的法線方向產(chǎn)生向下的電離氣體流。此外,等離子射流沖擊自由表面在熔池中產(chǎn)生向外的流動。存在表面張力時,使用牛頓粘度定律的壓力邊界條件表示如下:
其中,P弧和γ分別是法向自由表面的壓力、弧壓和表面張力。本研究中的電弧壓力假定為雙橢圓分布,其大小和有效半徑基于經(jīng)驗測量。
其中σaxf、σaxr和σay分別是前x方向、后x方向和y方向上電弧壓力的有效半徑。熔池自由表面上的等離子體射流剪切由一個解析解根據(jù)雷諾數(shù)、射流高度和噴嘴直徑進行定義。
弧長和填料直徑分別被認為是噴射高度(H)和噴嘴直徑(D),而符號r指的是距中心的徑向距離。根據(jù)伯努利方程,通過焊接熔池中心的最大電弧壓力計算射流速度和等離子體雷諾數(shù):
為了精確研究馬蘭戈尼剪切,根據(jù)溫度和表面活性元素對表面張力進行建模。Sahoo等人將偽二元Fe–S系統(tǒng)的表面張力關(guān)系近似為溫度和活性的函數(shù),如下所示:
請注意,硫的活性(a s)被認為等于含量的重量百分比,符號A對應(yīng)于純鐵的負表面張力梯度。由于填料組合物及其除氧劑中含有大量錳和硅,氧氣對表面張力梯度的影響在該模擬中被忽略。表面張力隨溫度的變化和誘導的剪切應(yīng)力在自由表面上平衡,遵循方程式。
表4顯示了在該模擬中應(yīng)用的IS2062鋼的熱物理性質(zhì)。在溫度相關(guān)條件下考慮了相變和合金元素對不同物理性質(zhì)的影響(圖5)。這些特性是從不同的數(shù)據(jù)庫中收集的,包括FLOW-3D的流體數(shù)據(jù)庫和其他關(guān)于低碳鋼的文獻。自由表面的表面張力被定義為假二元Fe–S系統(tǒng)中溫度和硫含量的函數(shù):
圖5 IS2062鋼隨溫度變化的物理性能
如圖6所示,表面張力梯度的符號在較高溫度下從負值變?yōu)檩^低溫度下的正值。硫含量可以根據(jù)兩種情況下獲得的約44%的稀釋度來近似計算。在本研究中,認為平均硫含量為0.028 wt%,分別對應(yīng)于基底金屬和填料含量0.018和0.035 wt%。圖6(b)說明了瞬態(tài)溫度和馬蘭戈尼流的重要性。
圖6表面張力(a)及其梯度(b)是溫度和硫重量%的函數(shù)。關(guān)于中間范圍(M)的轉(zhuǎn)變溫度,高溫和低溫分別用字母H和L標記
以1.2米/秒2的固定加速度向工件施加250赫茲的振動頻率。正弦振動的速度在X方向上從0.764 mm/s到0.764 mm/s連續(xù)變化。為了更精確地跟蹤流體,分離拉格朗日VOF方法與粘性應(yīng)力的顯式解算器一起使用。壓力-速度求解器采用廣義最小殘差法。設(shè)置為105s的最大時間步長受平流和表面張力收斂標準的限制。為了按照記錄的結(jié)果產(chǎn)生脈沖波形,使用如下三角關(guān)系:
其中,I 1、I 2和P d分別是背景電流、脈沖電流和總波形的脈沖占空比,模擬電流和電壓的相關(guān)波形如圖7所示。記錄的每個電極的平均功率為4957 J/s,與模擬的平均功率4740 J/s相比,證實了該模型在5%誤差內(nèi)的準確性。在整個模擬時間內(nèi),一旦脈沖在每個周期結(jié)束,液滴產(chǎn)生時間就與波形同步。
圖7焊接電流和電壓的周期性變化,用W/O振動的三角關(guān)系擬合
結(jié)論
在本研究中,首次成功模擬了TP-GMAW過程的新型三維數(shù)值模型,以研究存在表面張力活性元素和工件振動時的傳熱和材料流動。
通過不同焊接條件下獲得的光學顯微圖像研究了模擬結(jié)果的有效性。結(jié)果可總結(jié)如下:
(1)使用流線和溫度顏色圖跟蹤物質(zhì)流。引入了一組獨特的三維流線來模擬TP-GMAW工藝中復雜的材料流動。發(fā)現(xiàn)在脈沖焊接操作期間,熱流顯示出非常穩(wěn)定的模式,盡管熔池后部區(qū)域的流體流不斷變化。
(2)考慮表面張力活性元素對Marangoni力的影響導致更可靠的模擬結(jié)果。
填充材料中的硫含量通過降低Fe–C合金表面張力的負梯度來提高滲透深度。用一種新的方法討論了硫?qū)附舆^程中產(chǎn)生的正負表面張力梯度的影響。
(3)振動影響自由表面行為,導致通過協(xié)同焊接機的熱輸入發(fā)生變化,從而在熔透形狀變化中發(fā)揮重要作用。根據(jù)模擬結(jié)果,未檢測到因振動的物理移動而導致的內(nèi)部能量變化;然而,熔池動態(tài)平衡的變化直接影響內(nèi)部能量的分布。