超聲輔助焊接多振源耦合振動場COMSOL仿真模擬研究*

崔愛永,魏華凱,劉浩東,孫偉奇,王振澤,樊偉杰

(海軍航空大學 青島校區,山東 青島 266041)

當前,學術界普遍認為[1-5],實施焊接時,加載基于力—聲聯合效應的高頻超聲振動可顯著細化晶粒,改善顯微硬度、疲勞等力學性能。徐健等[6-10]實驗驗證了超聲振動對鈦合金、鋁合金等材料焊后組織、性能的提升。吳士平等[11-17]還借助有限元、COMSOL軟件等數值模擬分析了超聲振動對激光微熔池應力場、潤濕行為等的影響規律。但目前這些研究主要以直接試驗驗證和工藝優化為主,對高頻超聲在固體母材中的傳播特征、振動場以及多振源重合區域耦合影響規律等研究較少,鮮有報道。為此,借助COMSOL分析軟件,開展全約束、旁觸式單振源模式下固體母材中振動場、超聲加載位置等參數對振動分布影響規律及雙振源耦合的仿真計算研究,以期為高頻超聲振動的工程化應用奠定理論基礎和數據支撐。

1 試驗材料與方法

試驗材料選用2 mm厚航空Ti6Al4V板材,成分見表1[18]。設備采用TJS-3000-V6.0型智能超聲發生系統,以同側旁觸方式導入全約束基材,超聲加載位置X=50～150 mm,振幅為4～16 μm。借助COMSOL軟件,建立某時刻激光焊接微熔池有限元模型(見圖1),熔池處于X=180 mm處,熔池寬4 mm,熔深1.8 mm。

表1 Ti6Al4V的化學成分(質量分數) (%)

a) 基材有限元模型

b) 激光微熔池模型

2 試驗結果與分析

2.1 固體母材中超聲振動傳播特征

加載位置為100 mm,輸入振幅為8 μm,母材表面振動位移隨時間變化規律如圖2所示。超聲振動以加載位置為中心向四周傳播,波陣面為圓弧形。根據式1和式2可知,橫波聲速為3 020 m/s,超聲波長為86.28 mm,遠大于超聲加載長度(振源長度,10 mm),故超聲振源可視為點振源,超聲在母材(各向同性彈性介質材料)傳播時波陣面為球面。

a)0.25 T

b)0.5 T

c)0.75 T

d)1 T

e)2 T

f)3 T

固體中橫波速度[19]:

(1)

波速、波長、頻率關系:

(2)

縱波波速:

(3)

式中,E是楊氏彈性模量,取1.10×1011Pa;ρ是密度,取4 500 kg/m3;σ是泊松比,取0.34;λ是波長,單位為m;c是波速,單位為m/s;是頻率,取35 kHz。

母材尺寸有限,振動波傳播到固體邊界會發生反射。當反射波與入射波相互疊加時,波形也會發生疊加變化,球面波形出現紊亂(見圖2f)。由于波的傳播具有獨立性原理,波的疊加不會影響波本身的頻率、波長、傳播方向,在縱向上未疊加區域振動波傳播依舊呈現球面波的波陣面形式。

母材截面振動位移隨時間變化規律如圖3所示。超聲振動波的傳播方向為沿X軸方向傳播,質點振動方向為上下振動,表現為垂直偏振橫波的特征。基于COMSOL軟件的后處理功能,在截面振動位移中添加等值線后處理(見圖4),發現在縱截面其等值線出現交替的疏密分布,說明母材中質點的間距產生了交替的疏密變化,符合縱波特征。板中同時存在振動方向與板面垂直的橫波和振動方向與板面平行的縱波,且母材中上下表面的質點位移大小和方向一致,這種特征為非對稱型蘭姆波的特征。

a) t=1 T

b) t=1.5 T

c) t=2 T

d) t=2.5 T

圖4 母材縱截面振動位移等值線圖

由此可見,超聲振動在固體母材中的傳播波陣面為球面的非對稱蘭姆波,說明旁觸式超聲振動加載方式可對焊接熔池施加聲波作用。

2.2 固體母材中超聲振動分布規律

超聲振動在母材中的傳播影響因素主要有兩類:一類是高頻超聲工參,如振幅、頻率、加載位置、振源數等;另一類是母材本身,如材質、內部缺陷等。

在母材X=180 mm處設置長10 mm、寬0.5 mm、深1 mm的裂紋,有、無裂紋缺陷的母材縱截面的振動位移云圖和振動位移曲線分別如圖5和圖6所示。比較發現,裂紋的存在并不影響超聲振動在母材中的分布規律以及整體幅值大小和位置,僅改變裂紋附近的部分振動幅值。

a) 縱截面振動位移云圖

b) 縱截面振動位移曲線

a) 縱截面振動位移云圖

b) 縱截面振動位移曲線

加載位置固定,圖7所示為不同超聲振幅下Y=25 mm縱截面處振動位移分布曲線。可見,加載振幅≤7 μm時,振動分布不發生變化,超過7 μm后,隨著振幅的增大,振動分布逐漸發生改變,到達10 μm時又趨于穩定。圖8所示為0.25～1.25 T周期內不同振幅的振動分布情況,不難發現,8～10 μm范圍內的振動位移改變,是左側反射波與入射波逐漸疊加的結果。但整體而言,隨著超聲振幅的增大,母材的振動位移幅值不斷增大,二者成正比關系。同時表明,全約束條件與陳琪昊[20]自由端面母材超聲振動振幅不改變振動分布的研究結論顯著不同。

圖7 不同振幅下母材表面振動位移分布

a) 0.25 T

b) 0.5 T

c) 0.75 T

d) 1.25 T

邊界條件不變,改變母材長度,振動分布如圖9所示。當長度為150 mm時,變化振幅范圍為4～6 μm;當長度為100 mm時,變化振幅范圍為2～4 μm。對比圖7可知,全約束條件下,當超聲振幅超過某臨界閥值時,母材振動分布發生改變,且臨界閥值與母材尺寸本身有關,呈正比關系。

a) 板長100 mm

b) 板長150 mm

圖10所示為縱截面不同超聲加載位置下振動分布曲線圖。可以看出,超聲加載位置的改變對振動分布有較大影響,母材內駐波區域發生較大變化。當加載位置在50和70 mm處時,形成較純粹的駐波場。振動位移幅值隨著加載位置的增大呈先上升后下降趨勢,但就單一位置而言,其左右20 mm范圍內,振動位移幅值一般最大,高頻超聲作用最明顯,是理想振源位置。

a) X=30 mm

b) X=50 mm

c) X=70 mm

d) X=90 mm

由于振動在材料中衰減嚴重,有效作用范圍受限,對于較大長度的焊接,需考慮布置多個振源點,相鄰振源點之間的交叉區域則存在耦合影響。圖11所示為雙振源對稱加載下母材的振動分布曲線圖。可見,母材中的振動位移曲線對稱分布,振源中點區域振動處于波腹段,雖然沒有改變母材振動幅值,但呈現良性耦合態勢。

a) X1=30 mm,X2=170 mm

b) X1=50 mm,X2=150 mm

c) X1=70 mm,X2=130 mm

d) X1=90 mm,X2=110 mm

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)超聲振動在室溫下的固體母材中以橫波、縱波共存的非對稱蘭姆波傳播,波陣面為球面,經界面反射后在母材中形成穩定的駐波場分布。

2)全約束條件下,超聲振幅超過臨界閥值時會改變母材中的振動分布。臨界閥值與母材尺寸本身有關,呈正比關系。振動波在端面經反射后與入射波相疊加可在母材中形成較穩定的駐波場。且隨著超聲振幅的增大,母材的振動位移幅值不斷增大,二者成正比關系。

3)母材中裂紋等缺陷的存在并不影響超聲振動分布規律及整體幅值大小和位置,僅改變裂紋附近部分振動幅值。

4)超聲加載位置對母材振動分布影響顯著,振動位移幅值隨著加載位置的增大呈先上升后下降趨勢,但就單一位置而言,其左右20 mm范圍內,振動位移幅值一般最大,高頻超聲作用最明顯,是理想振源位置。雙振源對稱加載下母材中的振動位移曲線對稱分布,振源中點區域振動處于波腹段,雖然沒有改變母材振動幅值,但呈現良性耦合態勢。