超声辅助焊接多振源耦合振动场COMSOL仿真模拟研究.pdf
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1、 试验研究 新技术新工艺 试验与研究4 7 超声辅助焊接多振源耦合振动场C O M S O L仿真模拟研究*崔爱永,魏华凯,刘浩东,孙伟奇,王振泽,樊伟杰(海军航空大学 青岛校区,山东 青岛 2 6 6 0 4 1)摘 要:为深入研究高频超声振动(h i g h-f r e q u e n c y u l t r a s o u n d v i b r a t i o n,H F UV)辅助随焊去应力影响机理,借助C OM S O L软件,开展了旁触式单振源模式下固体母材中振动场、超声加载位置等参数对振动分布影响规律及双振源耦合的仿真计算。结果表明:高频超声振动在固体母材中以横波、纵波共存的球
2、面、非对称兰姆波传播;超声振幅阀值与母材尺寸成正比;超声振幅与母材振动位移幅值成正比;超声加载位置对母材振动分布影响显著,振动位移幅值随加载位置距离的增大呈先上升后下降趋势;每一加载位置的左右2 0 mm范围内,振动位移幅值一般最大,高频超声作用最明显,是理想振源位置。双振源对称布置时,母材中振动位移曲线对称分布且良性耦合,但振动幅值基本不变。关键词:C OM S O L数值模拟;高频超声振动;多振源;振动场中图分类号:T G 1 4 6.2+3;T G 4 5 6.7 文献标志码:AR e s e a c h o n C O M S O L S i m u l a t i o n o f t
3、 h e C o u p l i n g V i b r a t i o n F i e l d o f M u l t i p l e S o u r c e s i n U l t r a s o n i c A s s i s t e d W e l d i n gC U I A i y o n g,WE I H u a k a i,L I U H a o d o n g,S UN W e i q i,WANG Z h e n z e,F AN W e i j i e(Q i n g d a o C a m p u s,N a v a l A e r o n a u t i c a l
4、U n i v e r s i t y,Q i n g d a o 2 6 6 0 4 1,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e i n f l u e n c e m e c h a n i s m o f h i g h-f r e q u e n c y u l t r a s o u n d v i b r a t i o n o f t h e a s s i s t e d o n-w e l d s t r e s s r e m o v a l,b y u s i n g
5、t h e C OM S O L s o f t w a r e,t h e i n f l u e n c e r u l e o f v i b r a t i o n d i s t r i b u t i o n a n d s i m u l a t i o n o f t h e d u a l v i b r a-t i o n c o u p l i n g w e r e f i n i s h e d w i t h t h e i m p a c t i o n o f v i b r a t i o n f i e l d,l o a d i n g p o s i t
6、 i o n a n d s o o n o f b a s e m a t e r i a l s u n d e r t h e m o d e l o f s i d e c o n t a c t a n d s i n g l e v i b r a t i o n s o u r c e.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e H F UV p r o p a g a t e d i n t h e b a s e m e t a l s a s s p h e r i c a l a n d a s y mm e t r i c
7、 l a m b w a v e s c o e x i s t i n g w i t h s h e a r w a v e s a n d l o n g i t u d i n a l w a v e s,a n d t h e u l t r a s o n i c a m p l i t u d e t h r e s h o l d w a s p r o p o r t i o n a l t o t h e s i z e o f t h e b a s e m a t e r i a l,t h e u l t r a s o n i c a m p l i t u d e
8、 w a s p r o p o r t i o n a l t o t h e v i b r a t i o n d i s p l a c e m e n t a m p l i-t u d e o f t h e b a s e m e t a l.T h e u l t r a s o n i c l o a d i n g p o s i t i o n h a d a s i g n i f i c a n t e f f e c t o n t h e v i b r a t i o n d i s t r i b u t i o n o f t h e b a s e m e
9、 t a l,a n d t h e a m p l i t u d e o f t h e v i b r a t i o n d i s p l a c e m e n t w a s i n v e r s e l y p r o p o r t i o n a l t o t h e l o a d i n g p o s i t i o n.W i t h i n t h e r a n g e o f a b o u t 2 0 mm o f e a c h l o a d i n g p o s i t i o n,t h e a m p l i t u d e o f v i
10、b r a t i o n d i s p l a c e m e n t w a s g e n e r a l l y t h e l a r g e s t.T h e e f f e c t o f h i g h-f r e-q u e n c y u l t r a s o n i c w a s t h e m o s t o b v i o u s,w h i c h w a s t h e i d e a l v i b r a t i o n s o u r c e p o s i t i o n.W h e n t h e t w o v i b r a t i o n
11、s o u r c e s w e r e a r r a n g e d s y mm e t r i c a l l y,t h e v i b r a t i o n d i s p l a c e m e n t c u r v e i n t h e b a s e m e t a l w a s s y mm e t r i c a l l y d i s t r i b u t e d a n d b e n i g n c o u-p l e d,b u t t h e v i b r a t i o n a m p l i t u d e w a s b a s i c a
12、l l y u n c h a n g e d.K e y w o r d s:C OM S O L n u m e r i c a l s i m u l a t i o n,h i g h-f r e q u e n c y u l t r a s o u n d v i b r a t i o n(H F UV),m u l t i p l e v i b r a t i o n s o u r c e s,v i b r a t i o n f i e l d 当前,学术界普遍认为1-5,实施焊接时,加载基于力声联合效应的高频超声振动可显著细化晶粒,改善显微硬度、疲劳等力学性能。徐健等
13、6-1 0实验验证了超声振动对钛合金、铝合金等材料焊后组织、性 能 的 提 升。吴 士 平 等1 1-1 7还 借 助 有 限 元、C OM S O L软件等数值模拟分析了超声振动对激光微熔池应力场、润湿行为等的影响规律。但目前这些研究主要以直接试验验证和工艺优化为主,对高频超声在固体母材中的传播特征、振动场以及多振源重合区域耦合影响规律等研究较少,鲜有报道。为此,借助C OM S O L分析软件,开展全约束、旁触式单振源模式下固体母材中振动场、超声加载位置等参数对振动分布影响规律及双振源耦合的仿真计算研究,以期为高频超声振动的工程化应用奠定理论基础和数据支撑。1 试验材料与方法试验材料选用2
14、 mm厚航空T i 6 A l 4 V板材,成分见表11 8。设备采用T J S-3 0 0 0-V 6.0型智能超声发生系统,以同侧旁触方式导入全约束基材,超声加载位置X=5 01 5 0 mm,振幅为41 6 m。借助C OM S O L软件,建立某时刻激光焊接微熔池有限元模型(见图1),熔池处于X=1 8 0 mm处,熔池宽4 mm,熔深1.8 mm。表1 T i 6 A l 4 V的化学成分(质量分数)(%)A lVF eOHT i6.1 54.1 30.0 80.0 0 90.0 0 28 9.6 2 9 新技术新工艺 2 0 2 3年 第1 0期 4 8 新技术新工艺 试验与研究a
15、)基材有限元模型b)激光微熔池模型图1 有限元几何模型2 试验结果与分析2.1 固体母材中超声振动传播特征加载位置为1 0 0 mm,输入振幅为8 m,母材表面振动位移随时间变化规律如图2所示。超声振动以加载位置为中心向四周传播,波阵面为圆弧形。根据式1和式2可知,横波声速为3 0 2 0 m/s,超声波长为8 6.2 8 mm,远大于超声加载长度(振源长度,1 0 mm),故超声振源可视为点振源,超声在母材(各向同性弹性介质材料)传播时波阵面为球面。a)0.2 5 T b)0.5 T c)0.7 5 T d)1 T e)2 T f)3 T图2 不同时刻母材表面振动总位移(单位为m)固体中横波
16、速度1 9:cs=E121+(1)波速、波长、频率关系:=cf(2)纵波波速:cL=E1-1+1-2 (3)式中,E是杨氏弹性模量,取1.1 01 01 1 P a;是密度,取4 5 0 0 k g/m3;是泊松比,取0.3 4;是波长,单位为m;c是波速,单位为m/s;是频率,取3 5 k H z。母材尺寸有限,振动波传播到固体边界会发生反射。当反射波与入射波相互叠加时,波形也会发生叠加变化,球面波形出现紊乱(见图2 f)。由于波的传播具有独立性原理,波的叠加不会影响波本身的频率、波长、传播方向,在纵向上未叠加区域振动波传播依旧呈现球面波的波阵面形式。母材截面振动位移随时间变化规律如图3所示
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