本研究中，模擬了串列脈沖熔化極氣體保護(hù)焊過(guò)程的三維模型，以研究振動(dòng)和表面張力活性元素存在時(shí)的傳熱和材料流動(dòng)。模擬結(jié)果與在不同條件下（包括有和沒(méi)有振動(dòng)輔助焊接）獲得的焊縫橫截面的光學(xué)顯微圖像一致。使用溫度等值線圖上的2D和3D流線對(duì)物質(zhì)流進(jìn)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。考慮表面張力活性元素對(duì)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(dòng)通過(guò)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(hù)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(chē)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(wú)飛濺的焊接條件。盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，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(huì)出現(xiàn)指形熔深，這會(huì)影響焊縫金屬的機(jī)械性能。人們對(duì)不同電流波形控制的焊縫特性和振動(dòng)輔助焊接（VAW）進(jìn)行了大量研究。

在過(guò)去的幾年里，人們從不同的角度對(duì)GMAW熔池振蕩進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)觀察支持的分析模型導(dǎo)致了基于振蕩的控制系統(tǒng)的發(fā)展。另一方面，工件振動(dòng)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(dǎo)致

改善焊接區(qū)的機(jī)械性能。意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將縱向正弦模式的工件振動(dòng)應(yīng)用于單絲脈沖GMAW時(shí)，指形熔合區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)殄伒仔螤睢?duì)串聯(lián)焊絲脈沖GMAW的進(jìn)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(hù)焊（TP-GMAW）的復(fù)雜條件需要一種不同的方法來(lái)可視化熔池中的熱量和質(zhì)量傳遞。由于GMAW的復(fù)雜條件，很有可能使用數(shù)值模型來(lái)隔離和研究過(guò)程中每個(gè)參數(shù)的重要性。然而，根據(jù)類(lèi)似的論點(diǎn)，力之間的相互作用可能會(huì)簡(jiǎn)單地掩蓋模型中各種類(lèi)型的缺陷，并可能導(dǎo)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(xué)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(dòng)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(kāi)發(fā)了GMAW的三維模型。Cho等人通過(guò)輸入變量的精確定義擴(kuò)展了脈沖GMAW的VOF模型。胡等人在一項(xiàng)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(shí)期的大多數(shù)數(shù)值模擬都受到標(biāo)準(zhǔn)VOF算法精度的影響。更詳細(xì)地說(shuō)，縱向截面中自由表面的行為與高速攝像機(jī)拍攝的圖像仍然相差甚遠(yuǎn)，尤其是當(dāng)熔滴撞擊熔池表面時(shí)。由于在特殊條件下計(jì)算單元可能會(huì)溢出或過(guò)空，因此對(duì)VOF的初始算法進(jìn)行了不同類(lèi)型的改進(jìn)。在所有增強(qiáng)算法中，基于拉格朗日的VOF平流在跟蹤表面張力的復(fù)雜三維運(yùn)動(dòng)中的尖銳界面時(shí)表現(xiàn)出良好的準(zhǔn)確性。利用新算法的潛力，對(duì)熔焊進(jìn)行的分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常一致。然而，GMAW模型的改進(jìn)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(jī)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(zhǔn)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(guò)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(xué)算法相關(guān)的表面張力系數(shù)）如何極大地影響熔池的預(yù)測(cè)最終幾何形狀。此外，還討論了特定振動(dòng)條件對(duì)熔化極氣體保護(hù)焊熔深形狀的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了工件有振動(dòng)和無(wú)振動(dòng)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(dú)立模型，采用了單元尺寸為0.15 mm的精細(xì)立方體網(wǎng)格。首次成功地進(jìn)行了考慮工件振動(dòng)和TP-GMAW交互現(xiàn)象的三維模擬。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在IIT海得拉巴使用機(jī)器人TP-GMAW設(shè)施進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，其中兩個(gè)電極分別通過(guò)焊槍饋送并從兩個(gè)獨(dú)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(hù)氣體。機(jī)器人焊接設(shè)備由KUKA公司的KR30六軸機(jī)器人組成，該機(jī)器人與Fronius公司的兩個(gè)數(shù)字焊接電源相連。跟蹤電極和引導(dǎo)電極的電流設(shè)置為180 A.通過(guò)保持焊槍垂直于工件，在平面位置進(jìn)行長(zhǎng)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(xué)成分列于表1。使用容量為150±0 kgf的Sdyn電動(dòng)振動(dòng)機(jī)來(lái)產(chǎn)生振動(dòng)。

連接到振動(dòng)器頭的滑動(dòng)臺(tái)在焊接方向上以250 Hz振動(dòng)。四個(gè)楔形夾具均勻地用于緊緊地固定工件，以避免任何類(lèi)型的變形接期間。連續(xù)正弦模式振動(dòng)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(dòng)條件的更多細(xì)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(xué)顯微鏡（OM）對(duì)焊接試樣進(jìn)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(dòng)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(gè)焊接長(zhǎng)度上觀察到的穩(wěn)定信號(hào)，除了焊接的開(kāi)始和結(jié)束。

數(shù)學(xué)建模和公式

開(kāi)發(fā)了一個(gè)三維笛卡爾模型來(lái)分析TP-GMAW工藝獲得的熔池中的輪廓和對(duì)流。在支持相變能力的計(jì)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(dòng)。為了簡(jiǎn)化數(shù)值模型，等離子體熱對(duì)液滴的影響通過(guò)液滴的初始溫度來(lái)考慮。根據(jù)這些假設(shè)，總共四個(gè)控制方程（包括質(zhì)量連續(xù)性、動(dòng)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?yàn)樵撥浖ㄟ^(guò)拉格朗日VOF平流法跟蹤移動(dòng)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(xiàng)，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(guò)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(dòng)。

除了對(duì)流和輻射熱損失之外，工件表面還暴露于TP-GMAW熱源。對(duì)于具有拖尾和前導(dǎo)熱源的TP-GMAW工藝，表面熱通量的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示:

考慮到GMAW工藝的效率，假設(shè)每個(gè)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(shí)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(jì)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(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，必須從總熱量中扣除由液滴傳遞的熱量部分。通過(guò)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(dòng)坐標(biāo)，V w表示焊接速度。請(qǐng)注意，前電極和后電極遵循x方向前后的反向后綴。焊接過(guò)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(dòng)。存在表面張力時(shí)，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(yàn)測(cè)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(gè)解析解根據(jù)雷諾數(shù)、射流高度和噴嘴直徑進(jìn)行定義。

弧長(zhǎng)和填料直徑分別被認(rèn)為是噴射高度（H）和噴嘴直徑（D），而符號(hào)r指的是距中心的徑向距離。根據(jù)伯努利方程，通過(guò)焊接熔池中心的最大電弧壓力計(jì)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(duì)表面張力進(jìn)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(qǐng)注意，硫的活性（a s）被認(rèn)為等于含量的重量百分比，符號(hào)A對(duì)應(yīng)于純鐵的負(fù)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(duì)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(dǎo)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(duì)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(kù)中收集的，包括FLOW-3D的流體數(shù)據(jù)庫(kù)和其他關(guān)于低碳鋼的文獻(xiàn)。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(hào)在較高溫度下從負(fù)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(lái)近似計(jì)算。在本研究中，認(rèn)為平均硫含量為0.028 wt%，分別對(duì)應(yīng)于基底金屬和填料含量0.018和0.035 wt%。圖6（b）說(shuō)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(biāo)記

以1.2米/秒2的固定加速度向工件施加250赫茲的振動(dòng)頻率。正弦振動(dòng)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(shí)間步長(zhǎng)受平流和表面張力收斂標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(shí)了該模型在5%誤差內(nèi)的準(zhǔn)確性。在整個(gè)模擬時(shí)間內(nèi)，一旦脈沖在每個(gè)周期結(jié)束，液滴產(chǎn)生時(shí)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(dòng)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(guò)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(dòng)時(shí)的傳熱和材料流動(dòng)。

通過(guò)不同焊接條件下獲得的光學(xué)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(dú)特的三維流線來(lái)模擬TP-GMAW工藝中復(fù)雜的材料流動(dòng)。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(duì)Marangoni力的影響導(dǎo)致更可靠的模擬結(jié)果。

填充材料中的硫含量通過(guò)降低Fe–C合金表面張力的負(fù)梯度來(lái)提高滲透深度。用一種新的方法討論了硫?qū)附舆^(guò)程中產(chǎn)生的正負(fù)表面張力梯度的影響。

（3）振動(dòng)影響自由表面行為，導(dǎo)致通過(guò)協(xié)同焊接機(jī)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(cè)到因振動(dòng)的物理移動(dòng)而導(dǎo)致的內(nèi)部能量變化；然而，熔池動(dòng)態(tài)平衡的變化直接影響內(nèi)部能量的分布。