基于超声辅助的Q235镀锌钢板MIG焊电弧行为数值模拟.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:贾浩()男硕士生研究方向为超声 复合焊接数值模拟及图像采集 通信作者:马国红()男教授博士研究方向为智能机器人焊接:.贾浩洪蕾曹龙等.基于超声辅助的 镀锌钢板 焊电弧行为数值模拟.南昌大学学报(工科版)():.()():.基于超声辅助的 镀锌钢板 焊电弧行为数值模拟贾浩洪蕾曹龙付水淇马国红(.南昌大学先进制造学院江西 南昌.江西省轻质高强结构材料重点实验室江西 南昌)摘要:针对超声辅助熔化极惰性气体保护焊()电弧行为建立了二维瞬态数值模型利用流体力学与电磁学理论模拟了 种焊接工艺电弧等离子体的温度场、电流密度和电弧形貌等结果并与普通 焊电弧进行对比 结果表明:超声的添加使焊接电弧成形过程发生了明显变化 相同焊接参数下 焊电弧高温区面积增大温度峰值上升电弧区域内电流密度增大电弧更加密集能量更加集中同时电弧压力增大电弧中粒子电离度增加粒子能量增加提升了 焊接质量 模拟的电弧形貌与实验结果相吻合验证了模拟的准确性关键词:超声辅助 焊数值模拟电弧成形电流密度温度场中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):().:熔化极惰性气体保护焊()因为生产效率高、灵活性好等优点在工业生产中具有广泛应用但其存在方位局限性、稳定性差等缺点限制了它的使用和发展 为解决传统 焊的缺陷以满足更多的生产工艺需求有学者提出复合焊接的新型焊接方法 目前研究较多的有激光 复合焊接、()复合焊接、磁控 焊接等 超声波弧焊作为一种新兴的焊接工艺在提高焊接效率与质量方面效果显著因为超声波低成本与低能耗的特点使其得到了广泛的应用与研究 等进行了超声振动辅助等离子弧焊焊接过程的数值模拟与实验研究建立了 焊接过程的瞬态数值模型该模型考虑了电弧壁面热流密度和第 卷第 期 年 月 南昌大学学报(工科版)().电弧压力分布的动态变化 结果表明超声振动可提高熔池开孔性能 等建立了一个三维瞬态数值模型研究振动激光 混合搭接焊过程中的温度场和流场 结果表明熔滴冲击过程对焊缝形貌、温度场和流体流动形态有显著影响 等给出了描述非平衡热等离子体中复杂多物理场效应的控制方程和动力学推导 等研究了自由燃烧氩气电弧中协同作用对能量交换和粒子平衡过程的影响发现了与电子重粒子温度比空间分布不均匀有关的能量传递过程 等建立了窄间隙 焊非对称电弧的三维数学模型对厚板结构的窄间隙 焊接电弧特性进行了数值模拟 等总结了近 年超声振动在已有焊接方法中的应用与发展同时提出超声电流激发电弧这种新型引入超声的方法并描述了该方法在不同焊接工艺与焊接材料中所产生的影响 等建立了超声辅助弧焊装置的二维数值模型讨论了辐射体高度、中心孔半径、辐射体半径以及凹形辐射体表面曲率半径等因素的影响通过弧声结合实验验证了声结合力与辐射体几何参数之间的关系 等建立了一个三维多物理场耦合模型分析 混合焊接中的电弧行为发现当外加电磁场超过某临界值后电弧发生突变致使电弧行为不同于正常的自由电弧 等研究了保护气体对金属转移的影响发现在使用不同成分的保护气体时电弧行为与熔滴过渡存在差异 等建立了一个三维数值模型模拟了包括电弧、熔滴和熔池在内的整个焊接过程求解了等离子区速度、压力和温度随时间的变化本文主要探究在超声辅助 焊接中超声对普通 焊电弧行为的影响 通过建立焊接电弧的瞬态数值模型来模拟添加横向超声波后 焊接电弧的成形过程与行为变化 同时采集焊接试验过程中的电弧图像以验证模拟结果的准确性 数学模型.基本假设焊接电弧是复杂且瞬时变化的为节省计算时间和提高计算结果的精度需要对模拟过程作出如下几项假设:)计算过程中的焊接电弧被认为是层流状态且为不可压缩的牛顿流体采用非稳态计算)假设电弧是处于局部热力学平衡状态且为光学薄的)保护气体为理想气体各项物理参数均为温度相关函数)电弧的物理属性如电导率、热导率、密度等仅为与温度相关的函数根据本实验室所用的超声 自动焊接平台建立了相应的三维几何计算域和二维平面几何模型如图 和图 所示 其中焊丝直径.保护气体为 的纯氩气流量为 图 计算域示意图.控制方程质量守恒方程:()()动量守恒方程:()()()能量守恒方程:()()()()电流连续性方程:()()欧姆定律:()安培定律:()式中:为氩气等离子体密度 为速度矢量 为时间为电导率 为压强为玻尔兹曼常数 为黏性应力张量 为电子电量 为重力加速度为辐射损失 为焓 为电势标量 为热导率为磁感应强度为质量定压热容 为磁矢量为电流密度矢量为真空磁导率第 期 贾浩等:基于超声辅助的 镀锌钢板 焊电弧行为数值模拟ABEFDCHGOXY氩气焊丝压力出口工件图 二维对称几何模型及边界条件.本文的超声添加方式为横向垂直焊枪添加超声致使焊丝产生的位移符合正弦运动动边界的位移方程为()()求导可得焊丝振动的速度方程:()()其中:焊丝振幅 焊丝振动频率 为计算时间考虑到超声波产生的声压场可在 的轴向和径向的动力学平衡方程中添加超声附加力:()()()()式中:()和()分别为轴向和径向产生的附加力为等离子体密度和 为轴向与径向的电流密度 为磁通量密度.边界条件在计算过程中采用的边界条件如表 所示 为焊丝边界/为压力出口边界/为保护气体入口边界 为工件表面边界 对于控制方程中的源项采用用户自定义方程 求解标量方程使用用户自定义标量方程 求解表 边界条件.参数/./()/()./基于上述数学模型和边界条件采用 软件求解 求解过程采用双精度计算选择更精确的 算法以提高瞬态计算的精确度 焊接电弧模拟分析 基于上述建立的数值模型进行了超声辅助 焊接与普通 焊接电弧成形的模拟重点研究在不同焊接条件下电弧的行为变化和 种焊接电弧模拟结果的对比分析.电弧温度场分析 电弧和普通 电弧的温度分布如图 所示 二者电弧都呈钟罩形分布这与相关研究所得结论相同 如图()当焊接电流为 时 焊比普通 焊的电弧高温区域面积增大焊丝下端峰值温度更高电弧区域等温线增加电弧产生的热量增加 在图()中可以看出当焊接电流增加到 时以上现象依然存在但是与 时相比 电弧高温区面积增大幅度减小超声作用效果减弱 焊的电弧在轴线位置上出现小幅度偏离这与超声的加入有关 同时对比 种焊接方式的电弧温度分布发现:电弧轴向温度场存在明显的伸展使得焊件表面温度更高 种焊接方式在不同焊接电流(、)条件下的电弧温度峰值对比如图 所示 相同电流条件下 的电弧温度峰值要高于 焊 随着电流的增大 相比于 电弧峰值温度的增幅在逐渐变小 由此可知随着焊接电流的增大超声对焊接电弧的影响在逐渐减弱超声的添加对电弧的温度场产生了轴向上的拉伸现象同时提高了焊接电弧的最高温度其作用效果在小电流时更为明显 产生上述现象的原因在于超声所带来的能量致使电弧中的各种粒子运动速率增加粒子之间的碰撞频率加快能量交换加速使得焊接电弧热量的产生和传导频率都得到了提升南昌大学学报(工科版)年T/K()时电弧温度分布()时电弧温度分布图 与 焊接电弧温度云图.U-MIGMIGU-MIGMIGU-MIGMIGU-MIGMIG1801401002202.502.001.501.000.500T/104K/图 与 电弧温度峰值对比图.电流密度的模拟分析及其影响 种焊接方式的焊丝端部电流密度分布如图 所示二者在不同焊接电流条件下的电流密度分布均类似于燕尾状向焊丝端汇聚焊丝端部电流密度最大 在 时 种焊接方式的焊丝端部电流密度均呈燕尾状端部的电流密度略微发散 在焊丝端部附近的左右两边形成了局部回流同时在电弧末端的左右两边也形成了局部回流 这种回流在 焊中更加明显这说明超声致使电弧电流密度局部增大 电弧在靠近焊丝端部的电流密度分布比 电弧更密集电流密度值更大这是因为超声波的加入存在一个正弦运动使靠近端部的电流密度曲线更加密集电流密度更大 在 时 种焊接方式的电流密度同样具有上述规律 对比图()和图()可发现:相同焊接方式下电流的增大同样可使电弧电流密度增大同时使电弧的局部回流增大 相同电流条件下超声的加入也可使电弧电流密度增大这与增大电流的作用相同J/(Am-2)()时电流密度()时电流密度图 电流密度模拟图.更进一步不同电流(、)条件下 种焊接方式电流密度分布的模拟结果如图 所示 种焊接方法中电弧电流密度分布曲线均为关于轴线对称的高斯分布 相同电流条件下 的电弧电流密度峰值更大且电流越大电流密度峰值越高 但在电弧边缘处 焊电弧的电流密度更大随着电流的增加这种现象会更加明显 在向轴线靠近的过程中 电弧的电流密度增加幅度在逐渐增大 这说明超声在轴线附近对电流密度的提升效果最为显著而在电弧边缘处有较小的抑制作用 在轴线附近的相同径向宽度内添加超声后的电流密度均略微高于普通 焊电弧热量与电流密度是正比关系电流密度的大小直接影响到热通量的大小因此热通量的分布与第 期 贾浩等:基于超声辅助的 镀锌钢板 焊电弧行为数值模拟420-2-4-662.902.802.702.602.502.402.302.202.102.001.90J/(105Am-2)MIGU-MIG/()时电流密度曲线420-2-4-666.205.705.204.704.203.703.202.702.201.701.20J/(105Am-2)MIGU-MIG/()时电流密度曲线420-2-4-669.008.007.006.005.004.003.002.001.00J/(105Am-2)MIGU-MIG/()时电流密度曲线420-2-4-6617.515.513.511.59.57.55.53.51.5J/(105Am-2)MIGU-MIG/()时电流密度曲线图 工件表面电流密度分布.电流密度分布趋势大致相同这与前文关于电弧温度场的分析结论相同 同时不同电流条件下 种焊接方式的电流密度增量也不同 由工件表面的电流密度分布可知随着电流的增大超声振动的影响程度在逐渐降低综上所述 焊电弧的中心电流密度更大电弧等离子体的能量更大 超声使得电弧内部等离子体流动更加剧烈热通量更大 这就使得焊接温度更高更集中具有更高的热输入有助于高质量焊缝的形成同时提高焊接效率 实验验证 为验证本研究中焊接电弧数学模型的可靠性和模拟结果的准确性搭建了超声辅助 焊接实验平台 实验所用工件为 镀锌钢板主要成分如表 所示 为提高研究的准确性分别进行了不同电流条件(、)下 和 的焊接试验表 镀锌钢板主要化学成分.单位:()()()()().由高速摄像机拍摄的焊接动态图片如图 所示 在电流为 时 焊具有较大熔滴颈缩现象不明显焊中熔滴半径减小存在一个图 种焊接方式下的焊接动态图.南昌大学学报(工科版)年明显的颈缩现象熔滴被轴向拉长 比较两者形成稳定电弧且在熔滴过渡时间段内的焊接电弧形貌发现 的电弧轴向上伸长 超声波中的能量一部分转化为电弧热量来源提高了电弧温度焊丝金属熔化速度加快熔滴半径减小另一部分能量转化为机械波给焊丝一个横向外力颈缩半径减小过渡时间缩短 同时超声波所形成的声压场对电弧有一定压缩作用使得在相同条件下 焊的电弧被“拉长”以上结论均与模拟所得结论相同通过对比 等采用光谱法测定的电流为 时焊接自由电弧的温度分布来判断模拟结果的准确性模拟结果与文献的测定结果的对比如图 所示模拟结果与实验测定结果吻合良好T/K11 000 K12 000 K13 000 K14 000 K15 000 K17 000 K19 000 K21 000 K23 000 K图 电弧温度场试验结果与模拟结果对比.将高速摄像机采集的电弧形貌图片利用基于 的图像处理技术进行电弧图像处理以获得更清晰直观的电弧形貌 图像处理方法的流程如图 所示图像处理效果如图 所示 最后将图像处理后的电弧形貌与模拟的电弧形貌轮廓进行比较图像对比结果如图 对比发现两者形貌吻合良好轮廓基本一致高斯滤波处理图像二值化处理形态学处理轮廓边缘提取图 图像处理算法流程图.综上所述以上 种方法均可证明本研究所建立的数学模型具有很好的准确性同时验证了模拟结果的可靠性MIGU-MIG图 实验结果图像处理效果图.()电弧对比图()电弧对比图图 实验图与模拟结果图对比.结论 )超声波的添加使得在相同电流条件下 焊比普通 焊的温度峰值有明显增加使电弧的温度场产生了轴向的拉伸和径向的压缩同时提高了电弧中各粒子的运动速率加速了能量交换过程第 期 贾浩等:基于超声辅助的 镀锌钢板 焊电弧行为数值模拟)焊比普通 焊在靠近焊丝端部的电流密度分布更密集温度更高更集中而在工件表面随着电流的增加超声对电弧电流密度的影响在逐渐降低 电流密度分布模拟结果显示超声添加后粒子的电离度增加电弧能量增加)利用前人研究成果与本研究的模拟结果对比验证了本次数值模拟结果的准确性 另外通过对比模拟结果图和图像处理后的实验采集电弧形貌图进一步验证了数学模型的可靠性)该电弧模型可靠性高、适用范围广为 焊接电弧机理研究提供了有效的技术支持 同时该图像处理方法可以为焊接过程图像特征采集的研究提供部分参考参考文献:.:.李晓延武传松李午申.中国焊接制造领域学科发展研究.机械工程学报():./.:.()().:.():.:.:.:.:.().:.:.:.():.():.:.:.:.:.(/):.():.:.():.南昌大学学报(工科版)年