超声辅助焊接多振源耦合振动场COMSOL仿真模拟研究.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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)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。超声振动波的传播方向为沿X轴方向传播,质点振动方向为上下振动,表现为垂直偏振横波的特征。基于C OM S O L软件的后处理功能,在截面振动位移中添加等值线后处理(见图4),发现在纵截面其等值线出现交替的疏密分布,说明母材中质点的间距产生了交替的疏密变化,符合纵波特征。板中同时存在振动方向与板面垂直的横波和振动方向与板面平行的纵波,且母材中上下表面的质点位移大小和方向一致,这种特征为非对称型兰姆波的特征。试验研究 新技术新工艺 试验与研究4 9 a)t=1 Tb)t=1.5 Tc)t=2 Td)t=2.5 T图3 不同时刻纵截面振动位移(加载中心所在纵截面Y=2 5 mm处)图4 母材纵截面振动位移等值线图由此可见,超声振动在固体母材中的传播波阵面为球面的非对称兰姆波,说明旁触式超声振动加载方式可对焊接熔池施加声波作用。2.2 固体母材中超声振动分布规律超声振动在母材中的传播影响因素主要有两类:一类是高频超声工参,如振幅、频率、加载位置、振源数等;另一类是母材本身,如材质、内部缺陷等。在母材X=1 8 0 mm处设置长1 0 mm、宽0.5 mm、深1 mm的裂纹,有、无裂纹缺陷的母材纵截面的振动位移云图和振动位移曲线分别如图5和图6所示。比较发现,裂纹的存在并不影响超声振动在母材中的分布规律以及整体幅值大小和位置,仅改变裂纹附近的部分振动幅值。a)纵截面振动位移云图b)纵截面振动位移曲线图5 无裂纹母材纵截面振动位移分布 新技术新工艺 2 0 2 3年 第1 0期 5 0 新技术新工艺 试验与研究a)纵截面振动位移云图b)纵截面振动位移曲线图6 有裂纹母材纵截面振动位移分布加载位置固定,图7所示为不同超声振幅下Y=2 5 mm纵截面处振动位移分布曲线。可见,加载振幅7 m时,振动分布不发生变化,超过7 m后,随着振幅的增大,振动分布逐渐发生改变,到达1 0 m时又趋于稳定。图8所示为0.2 51.2 5 T周期内不同振幅的振动分布情况,不难发现,81 0 m范围内的振动位移改变,是左侧反射波与入射波逐渐叠加的结果。但整体而言,随着超声振幅的增大,母材的振动位移幅值不断增大,二者成正比关系。同时表明,全约束条件与陈琪昊2 0自由端面母材超声振动振幅不改变振动分布的研究结论显著不同。图7 不同振幅下母材表面振动位移分布(加载位置X=1 0 mm)a)0.2 5 Tb)0.5 Tc)0.7 5 Td)1.2 5 T图8 不同振幅下母材不同时刻的振动分布边界条件不变,改变母材长度,振动分布如图9 试验研究 新技术新工艺 试验与研究5 1 所示。当长度为1 5 0 mm时,变化振幅范围为46 m;当长度为1 0 0 mm时,变化振幅范围为24 m。对比图7可知,全约束条件下,当超声振幅超过某临界阀值时,母材振动分布发生改变,且临界阀值与母材尺寸本身有关,呈正比关系。a)板长1 0 0 mmb)板长1 5 0 mm图9 不同板长下超声振幅对母材表面振幅分布的影响图1 0所示为纵截面不同超声加载位置下振动分布曲线图。可以看出,超声加载位置的改变对振动分布有较大影响,母材内驻波区域发生较大变化。当加载位置在5 0和7 0 mm处时,形成较纯粹的驻波场。振动位移幅值随着加载位置的增大呈先上升后下降趋势,但就单一位置而言,其左右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。a)X=3 0 mmb)X=5 0 mmc)X=7 0 mmd)X=9 0 mm图1 0 不同超声加载位置下母材表面振动位移分布由于振动在材料中衰减严重,有效作用范围受限,对于较大长度的焊接,需考虑布置多个振源点,相邻振源点之间的交叉区域则存在耦合影响。图1 1所示为双振源对称加载下母材的振动分布曲线图。可见,母材中的振动位移曲线对称分布,振源中点区域振动处于波腹段,虽然没有改变母材振动幅值,但呈现良性耦合态势。新技术新工艺 2 0 2 3年 第1 0期 5 2 新技术新工艺 试验与研究a)X1=3 0 mm,X2=1 7 0 mmb)X1=5 0 mm,X2=1 5 0 mmc)X1=7 0 mm,X2=1 3 0 mmd)X1=9 0 mm,X2=1 1 0 mm图1 1 双振源对称加载不同加载位置 母材表面振动位移分布3 结语通过上述研究可以得出如下结论。1)超声振动在室温下的固体母材中以横波、纵波共存的非对称兰姆波传播,波阵面为球面,经界面反射后在母材中形成稳定的驻波场分布。2)全约束条件下,超声振幅超过临界阀值时会改变母材中的振动分布。临界阀值与母材尺寸本身有关,呈正比关系。振动波在端面经反射后与入射波相叠加可在母材中形成较稳定的驻波场。且随着超声振幅的增大,母材的振动位移幅值不断增大,二者成正比关系。3)母材中裂纹等缺陷的存在并不影响超声振动分布规律及整体幅值大小和位置,仅改变裂纹附近部分振动幅值。4)超声加载位置对母材振动分布影响显著,振动位移幅值随着加载位置的增大呈先上升后下降趋势,但就单一位置而言,其左右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。双振源对称加载下母材中的振动位移曲线对称分布,振源中点区域振动处于波腹段,虽然没有改变母材振动幅值,但呈现良性耦合态势。参考文献1 陈根余,江东远,王彬,等.6 0 6 1铝合金超声波辅助激光焊接变形 控制 研究J.激 光技 术,2 0 2 1,4 5(5):5 4 1-5 4 7.2 王潭,张安峰,张文龙,等.超声振动辅助激光金属成形技术研究进展J.应用激光,2 0 1 5,3 5(6):7 3 3-7 3 6.3 顾勇,徐立,贾本红,等.超声技术的应用现状及其发展趋势分析J.产业与科技论坛,2 0 2 2,2 1(1 0):4 8-4 9.4 范成磊,陈琪昊,林三宝,等.超声在电弧焊接中的应用J.精密成形工程,2 0 1 8,1 0(1):5 7-6 6.5 王桂莲,赵文利,刘文瑞,等.单激励三维超声振动辅助加工装置的设计与分析J.工具技术,2 0 2 2,5 6(8):7 2-7 6.6 徐健,林栋,胡晓.超声振动激光焊对T C 2材料拉伸性能影响的对比试验研究J.焊接,2 0 1 5(3):4 0-4 2,7 1.7 耿纪龙,辛立军.超声辅助激光焊接A Z 3 1 B合金接头组织与性能研究J.辽宁工业大学学报(自然科 学 版),2 0 1 8,3 8(2):1 1 6-1 2 0.8 李忠,刘佳,白陈明,等.超声波对铝合金激光-电弧复合焊接影响的研究J.激光技术,2 0 1 9,4 3(3):3 0 1-3 0 6.9 刘涛,高嵩,肖光春,等.附加超声对6 0 6 1-T 6铝合金/Q 2 3 5钢搅拌摩擦焊搭接工艺优化J.焊接学报,2 0 2 2,4 3(5):6 9-7 5.1 0 H a g h a y e g h i R,E z z a t n e s h a n E,B a h a i H.G r a i n r e f i n e-试验研究 新技术新工艺 试验与研究5 3 m e n t o f AA 5 7 5 4 a l u m i n u m a l l o y b y u l t r a s o n i c c a v i t a t i o n:E x p e r i m e n t a l s t u d y a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o nJ.M e t a l s a n d M a t e r i a l s I n t e r n a t i o n a l,2 0 1 5,2 1(1):1 0 9-1 1 7.1 1 卢长亮,崔爱永,胡芳友.超声振动对激光重熔修复金属拉伸性能的影响J.应用激光,2 0 1 7,3 7(5):6 4 0-6 4 3.1 2 高铁军,刘小军,于鲲,等.超声振动对T C 1钛合金板材拉伸性能的影响J.稀有金属材料与工程,2 0 1 9,4 8(1):2 8 6-2 9 2.1 3 张颖,戚永爱,梁绘昕,等.超声冲击激光熔覆层的应力场数值模拟J.应用激光,2 0 1 5,3 5(3):2 8 8-2 9 4.1 4 J e o n g H,P a r k K,C h o J.N u m e r i c a l a n a l y s i s o f v a r i a-b l e p o l a r i t y a r c w e l d p o o lJ.J o u r n a l o f M e c h a n i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 1 6,3 0(9):4 3 0 7-4 3 1 3.1 5 姚喆赫,沈奇艳,葛宏江,等.超声对激光熔覆成形中熔池润湿行为的影响研究J.表面技术,2 0 2 2,5 1(1 0):2 0-2 9.1 6 吴士平,王汝佳,陈伟,等.振动过程的数值模拟在金属凝固中应用的研究进展J.金属学 报,2 0 1 8,5 4(2):2 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5%,超出限额指标数推荐的项目一律不予受理。优秀青年基金项目、创新研究群体项目申报不受推荐指标限制。二、项目申报受理(一)申报受理方式项目申报采取网上申报的方式进行,由项目申报人、项目申报单位和推荐(主管)单位登录系统进行申报和推荐(具体流程见附件1)。省科技事务中心负责统一受理项目。项目申报全面推行电子印章使用。申报前,申报单位、推荐(主管)单位须按规定办理电子印章。如未办理电子印章的,需在申报前完成办理;已办理电子印章的,直接按时间节点登录系统申报、推荐。(二)申报推荐时间自2 0 2 3年1 0月1 6日起,可登录系统进行网上填报。请各项目申报单位、推荐(主管)单位在截止时间前完成相关工作(设区市科技局应会同县市科技主管部门,合理区分审核推荐时间),逾期未提交的,系统将自动关闭,不予受理。1.项目申报人网上申报截止时间:2 0 2 3年1 0月3 1日1 7时。2.项目申报单位网上审核截止时间:2 0 2 3年1 1月1 0日1 7时。3.推荐单位(含县市科技主管部门)网上审核推荐截止时间:2 0 2 3年1 1月1 5日1 7时。推荐单位应在推荐截止后2天内报送推荐函(含项目征集、项目评审、项目公示、项目推荐等基本情况内容),项目推荐汇总表由系统导出后作为附件(下转第5 8页)