本研究中(zhong)，模擬了串列脈沖熔化(hua)極氣(qi)體保護焊過程的(de)(de)三維模型，以(yi)研究振動(dong)(dong)和(he)表(biao)(biao)面(mian)張(zhang)力(li)(li)活性元(yuan)(yuan)素存在(zai)時的(de)(de)傳熱和(he)材(cai)料流動(dong)(dong)。模擬結果與在(zai)不同條件(jian)下(xia)（包括有和(he)沒有振動(dong)(dong)輔助焊接）獲(huo)得(de)的(de)(de)焊縫橫截面(mian)的(de)(de)光學顯(xian)微圖(tu)像一致。使用溫度等值線(xian)圖(tu)上的(de)(de)2D和(he)3D流線(xian)對物(wu)質流進行可視化(hua)。發(fa)現在(zai)脈沖焊接操(cao)作期間，熱量(liang)遵循非常穩定的(de)(de)模式(shi)，盡管熔池后部區域中(zhong)的(de)(de)流體流連續變化(hua)，這決定了熔透的(de)(de)最終幾何形(xing)狀(zhuang)。考慮表(biao)(biao)面(mian)張(zhang)力(li)(li)活性元(yuan)(yuan)素對Marangoni力(li)(li)的(de)(de)影響顯(xian)著改(gai)善(shan)了模擬結果。一種(zhong)新方法解(jie)決了工件(jian)和(he)填充材(cai)料中(zhong)硫(liu)含量(liang)的(de)(de)影響。施加(jia)振動(dong)(dong)通過影響自由表(biao)(biao)面(mian)行為降低熱量(liang)輸入(ru)，并在(zai)熔透形(xing)狀(zhuang)變化(hua)中(zhong)發(fa)揮重要作用。

引言

與傳統的(de)(de)單焊(han)(han)(han)絲情況相比，雙頭氣體保護金屬極電(dian)弧(hu)焊(han)(han)(han)（GMAW）具(ju)有(you)更高的(de)(de)生產(chan)率和(he)熔(rong)敷(fu)率，是重工(gong)業和(he)汽(qi)車工(gong)業中應(ying)用(yong)的(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)技術之(zhi)一(yi)。采(cai)用(yong)脈(mo)沖電(dian)弧(hu)功能(neng)，除了特(te)殊的(de)(de)生產(chan)功能(neng)外，還可以使(shi)用(yong)平滑和(he)無飛濺(jian)的(de)(de)焊(han)(han)(han)接(jie)條(tiao)件。盡(jin)管有(you)這些(xie)優點，但焊(han)(han)(han)縫(feng)金屬的(de)(de)熔(rong)深形狀(zhuang)和(he)熱影響區（HAZ）的(de)(de)顯微組織并不(bu)總(zong)是令人滿意的(de)(de)，例如，即(ji)使(shi)在中等電(dian)流(liu)(liu)下也會出現指(zhi)形熔(rong)深，這會影響焊(han)(han)(han)縫(feng)金屬的(de)(de)機械性能(neng)。人們(men)對不(bu)同電(dian)流(liu)(liu)波形控制的(de)(de)焊(han)(han)(han)縫(feng)特(te)性和(he)振動輔助(zhu)焊(han)(han)(han)接(jie)（VAW）進行了大(da)量研究。

在過去的幾年里，人們從不同的角度對GMAW熔池(chi)振(zhen)蕩進行了(le)(le)研究。實驗(yan)觀察支(zhi)持的分(fen)析(xi)模型導致(zhi)了(le)(le)基于振(zhen)蕩的控(kong)制(zhi)(zhi)系統的發展。另一(yi)方(fang)面(mian)，工件振(zhen)動作為一(yi)種VAW控(kong)制(zhi)(zhi)著焊接金屬和HAZ的微觀結構，如(ru)形(xing)態改變和降低殘余(yu)應力，并導致(zhi)

改善(shan)焊接區的(de)機械(xie)性能(neng)。意外(wai)發現，當將縱向正弦模式的(de)工件(jian)振動應用于(yu)單絲脈沖(chong)GMAW時，指形熔合區轉(zhuan)變為鍋底(di)形狀(zhuang)。對(dui)串聯焊絲脈沖(chong)GMAW的(de)進(jin)一步研(yan)究揭示了各種(zhong)頻率的(de)影響(xiang)和特(te)定頻率（約250 Hz）的(de)存在，以產生最佳的(de)鍋底(di)形狀(zhuang)。

串聯脈沖氣(qi)體保護焊(han)(han)（TP-GMAW）的(de)復雜條(tiao)件需要一種(zhong)不同的(de)方法來(lai)可(ke)(ke)視化熔(rong)(rong)池中(zhong)的(de)熱量(liang)和(he)(he)質量(liang)傳遞。由于GMAW的(de)復雜條(tiao)件，很有可(ke)(ke)能(neng)使用數值(zhi)(zhi)模型(xing)(xing)來(lai)隔離和(he)(he)研究過程(cheng)中(zhong)每個(ge)參數的(de)重要性(xing)。然而，根據類(lei)似的(de)論(lun)點，力之間的(de)相互作用可(ke)(ke)能(neng)會簡單地掩蓋模型(xing)(xing)中(zhong)各(ge)種(zhong)類(lei)型(xing)(xing)的(de)缺陷，并(bing)可(ke)(ke)能(neng)導致(zhi)熔(rong)(rong)池中(zhong)的(de)偽平(ping)衡。因此，在分析數值(zhi)(zhi)結果之前(qian)，需要高度(du)精確(que)地確(que)定(ding)各(ge)種(zhong)輸入參數，如熱分布、焊(han)(han)接效(xiao)率、熔(rong)(rong)滴物理學和(he)(he)表(biao)面張力系(xi)數。

為了(le)揭示(shi)融合區的(de)(de)(de)內(nei)部特(te)征，研究(jiu)人(ren)員使(shi)用(yong)有(you)限差分法(fa)（FDM）和質量、動量和能量守(shou)恒控制方(fang)程。此(ci)外，采用(yong)流體體積技術(shu)（VOF）跟蹤(zong)熔(rong)(rong)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)自由表(biao)(biao)面(mian)(mian)；首先由Hirt和Nichols基于(yu)供(gong)體-受(shou)體方(fang)法(fa)提出(chu)。楊(yang)使(shi)用(yong)技術(shu)開發了(le)GMAW的(de)(de)(de)三維模(mo)型(xing)。Cho等(deng)人(ren)通過輸入(ru)變量的(de)(de)(de)精確定(ding)義擴展了(le)脈(mo)沖GMAW的(de)(de)(de)VOF模(mo)型(xing)。胡等(deng)人(ren)在(zai)(zai)一項綜合研究(jiu)中(zhong)模(mo)擬了(le)GMAW中(zhong)的(de)(de)(de)波紋形成。在(zai)(zai)相同的(de)(de)(de)熔(rong)(rong)池(chi)(chi)條件下(xia)，這一時期的(de)(de)(de)大多數數值模(mo)擬都受(shou)到標(biao)準VOF算法(fa)精度的(de)(de)(de)影響。更詳(xiang)細(xi)地說，縱向(xiang)截面(mian)(mian)中(zhong)自由表(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)行為與(yu)高速(su)攝像機拍攝的(de)(de)(de)圖像仍(reng)然(ran)(ran)相差甚遠，尤其是當熔(rong)(rong)滴撞擊熔(rong)(rong)池(chi)(chi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)時。由于(yu)在(zai)(zai)特(te)殊條件下(xia)計算單元可能會(hui)溢出(chu)或過空，因(yin)此(ci)對(dui)VOF的(de)(de)(de)初始(shi)算法(fa)進(jin)行了(le)不同類(lei)型(xing)的(de)(de)(de)改進(jin)。在(zai)(zai)所有(you)增強(qiang)算法(fa)中(zhong)，基于(yu)拉格朗(lang)日的(de)(de)(de)VOF平(ping)流在(zai)(zai)跟蹤(zong)表(biao)(biao)面(mian)(mian)張力的(de)(de)(de)復雜三維運動中(zhong)的(de)(de)(de)尖銳界面(mian)(mian)時表(biao)(biao)現出(chu)良好的(de)(de)(de)準確性。利用(yong)新算法(fa)的(de)(de)(de)潛力，對(dui)熔(rong)(rong)焊(han)進(jin)行的(de)(de)(de)分析與(yu)實驗結果非常(chang)一致。然(ran)(ran)而，GMAW模(mo)型(xing)的(de)(de)(de)改進(jin)仍(reng)然(ran)(ran)需(xu)要應用(yong)，例如混合焊(han)接和特(te)殊方(fang)法(fa)的(de)(de)(de)檢(jian)查(cha)。

盡(jin)管有各種研(yan)究(jiu)單絲GMAW的(de)(de)數值(zhi)模(mo)(mo)型(xing)，但基于數值(zhi)方(fang)案，串絲焊(han)中(zhong)(zhong)深指狀(zhuang)熔合區的(de)(de)機理并未得到明確理解。基于VOF方(fang)法(fa)(fa)的(de)(de)新研(yan)究(jiu)發現，忽略(lve)眾所周知(zhi)的(de)(de)現象(xiang)（即表面(mian)(mian)張(zhang)力系數梯度(du)的(de)(de)變(bian)化(hua)）在不準確滲(shen)透中(zhong)(zhong)起著重(zhong)要作用。盡(jin)管如此(ci)，在最(zui)新的(de)(de)文章(zhang)中(zhong)(zhong)已經考(kao)慮了(le)金屬基添加劑制造過程中(zhong)(zhong)表面(mian)(mian)活性元素的(de)(de)影(ying)(ying)響。目前的(de)(de)研(yan)究(jiu)證(zheng)明了(le)輸(shu)入變(bian)量（如與數學算法(fa)(fa)相關的(de)(de)表面(mian)(mian)張(zhang)力系數）如何極大地影(ying)(ying)響熔池的(de)(de)預測最(zui)終幾何形狀(zhuang)。此(ci)外(wai)，還討論了(le)特(te)定振動(dong)(dong)條件對熔化(hua)極氣體保護焊(han)熔深形狀(zhuang)的(de)(de)影(ying)(ying)響。實驗結果支持了(le)工(gong)件有振動(dong)(dong)和無振動(dong)(dong)情況下(xia)的(de)(de)數值(zhi)模(mo)(mo)型(xing)。為了(le)生成具有最(zui)高精度(du)的(de)(de)表面(mian)(mian)張(zhang)力效(xiao)應的(de)(de)網(wang)格獨立模(mo)(mo)型(xing)，采(cai)用了(le)單元尺寸(cun)為0.15 mm的(de)(de)精細立方(fang)體網(wang)格。首次成功(gong)地進行了(le)考(kao)慮工(gong)件振動(dong)(dong)和TP-GMAW交互現象(xiang)的(de)(de)三維(wei)模(mo)(mo)擬(ni)。

實驗設置

在IIT海得拉巴使(shi)(shi)用(yong)(yong)機(ji)器(qi)(qi)人TP-GMAW設施進行焊(han)(han)接(jie)實(shi)驗，其(qi)中兩個電極分(fen)別通(tong)過焊(han)(han)槍饋送并從兩個獨立的電源(yuan)接(jie)收電力。電源(yuan)以反相方式同步，以防止后電弧和(he)(he)(he)前電弧之間(jian)的相互(hu)作用(yong)(yong)。氬氣(qi)82%–二氧(yang)化(hua)碳18%用(yong)(yong)作保護氣(qi)體。機(ji)器(qi)(qi)人焊(han)(han)接(jie)設備由KUKA公司的KR30六(liu)軸機(ji)器(qi)(qi)人組成(cheng)，該(gai)機(ji)器(qi)(qi)人與Fronius公司的兩個數(shu)字焊(han)(han)接(jie)電源(yuan)相連(lian)。跟蹤(zong)電極和(he)(he)(he)引導電極的電流設置為180 A.通(tong)過保持焊(han)(han)槍垂直(zhi)于工件，在平面位(wei)置進行長度為200 mm的堆(dui)焊(han)(han)。本研(yan)究中使(shi)(shi)用(yong)(yong)的基材是由鐵(tie)素(su)體-珠光體結構組成(cheng)的熱軋低碳鋼IS 2062-2011。絲狀電極是直(zhi)徑為1.2毫米(mi)的ER 70-S。母材和(he)(he)(he)焊(han)(han)絲的化(hua)學成(cheng)分(fen)列于表1。使(shi)(shi)用(yong)(yong)容量為150±0 kgf的Sdyn電動(dong)振動(dong)機(ji)來(lai)產生振動(dong)。

連接(jie)到振(zhen)動(dong)(dong)器頭(tou)的滑動(dong)(dong)臺在(zai)(zai)焊(han)(han)接(jie)方向上(shang)以(yi)250 Hz振(zhen)動(dong)(dong)。四個(ge)楔形(xing)夾(jia)具(ju)均(jun)勻地用(yong)于緊(jin)緊(jin)地固定(ding)工件，以(yi)避(bi)免任何類(lei)型的變形(xing)接(jie)期間。連續正弦模(mo)式振(zhen)動(dong)(dong)沿縱向施加(jia)于焊(han)(han)縫。焊(han)(han)接(jie)設備如圖1所示(shi)。火炬環境和(he)振(zhen)動(dong)(dong)條件的更(geng)多細(xi)節將在(zai)(zai)第3.3節中(zhong)討論。在(zai)(zai)用(yong)7體積%HNO 3+93體積%甲(jia)醇拋光和(he)蝕刻后(hou)，使用(yong)光學(xue)顯(xian)微鏡（OM）對焊(han)(han)接(jie)試樣(yang)進行(xing)橫(heng)截面宏觀(guan)檢(jian)查。表2列出了焊(han)(han)接(jie)參數，包括脈沖和(he)振(zhen)動(dong)(dong)特性。圖2顯(xian)示(shi)了在(zai)(zai)5 kHz頻率下記(ji)錄的前后(hou)電(dian)(dian)極的電(dian)(dian)流-電(dian)(dian)壓波形(xing)。波形(xing)顯(xian)示(shi)了在(zai)(zai)整個(ge)焊(han)(han)接(jie)長度上(shang)觀(guan)察到的穩(wen)定(ding)信號，除(chu)了焊(han)(han)接(jie)的開始和(he)結束(shu)。

數學建模和公式

開發了一個(ge)三維(wei)笛卡爾(er)模型來(lai)分析TP-GMAW工藝獲(huo)得的(de)(de)(de)熔(rong)池(chi)中的(de)(de)(de)輪廓(kuo)(kuo)和對流(liu)。在支持相(xiang)變能力(li)的(de)(de)(de)計算域中考(kao)慮牛頓和不可壓縮流(liu)體(ti)的(de)(de)(de)層流(liu)。熔(rong)池(chi)由(you)電磁力(li)、浮力(li)和表(biao)面(mian)(mian)張力(li)共同驅(qu)動(dong)。為(wei)了簡(jian)化數(shu)值模型，等(deng)離(li)子體(ti)熱對液滴的(de)(de)(de)影響(xiang)通(tong)過液滴的(de)(de)(de)初始溫度來(lai)考(kao)慮。根(gen)據這(zhe)些假設，總(zong)共四(si)個(ge)控制方程（包(bao)括(kuo)質量連續性、動(dong)量連續性（納維(wei)爾(er)-斯(si)托克斯(si)）、能量守恒和VOF）根(gen)據方程一起求解。分別(bie)為(wei)（1）至（4）。表(biao)3列出了一系列變量。為(wei)了分析熱傳遞和熔(rong)池(chi)輪廓(kuo)(kuo)，采用了FLOW-3D商業軟(ruan)件(jian)，特(te)別(bie)是因為(wei)該軟(ruan)件(jian)通(tong)過拉(la)格朗日(ri)VOF平流(liu)法跟蹤移(yi)動(dong)的(de)(de)(de)自(zi)由(you)表(biao)面(mian)(mian)具有很高的(de)(de)(de)精度。

其中ms是外部質量(liang)源(yuan)的一項，Gb是由身體力產生的加(jia)速度。Vs是質量(liang)源(yuan)的速度矢(shi)量(liang)，kdv代表多孔介質模型(xing)中的流量(liang)損(sun)失(shi)。關于(yu)非等溫相(xiang)變(bian)，固相(xiang)線(xian)和液相(xiang)線(xian)溫度之間的焓考慮了熔(rong)化潛熱，如(ru)方程(cheng)式(5)所示。

通過忽略隨相(xiang)變(bian)發生的(de)體積(ji)變(bian)化（約5%），多(duo)孔介質阻(zu)力概念用于根據方程（6）模擬煳狀區(qu)的(de)流動。

除了對流(liu)和輻(fu)射熱(re)(re)損(sun)失之(zhi)外，工件表(biao)(biao)面(mian)還(huan)暴露于(yu)TP-GMAW熱(re)(re)源(yuan)。對于(yu)具有拖尾和前導熱(re)(re)源(yuan)的TP-GMAW工藝，表(biao)(biao)面(mian)熱(re)(re)通量(liang)的數學表(biao)(biao)達式如(ru)下所示:

考慮(lv)到GMAW工藝的效率(lv)(lv)，假設每(mei)個熱源的加熱速率(lv)(lv)等于電弧加熱速率(lv)(lv)和熔滴熱含量之(zhi)和，如下所示:

其中UI為(wei)瞬(shun)時平均功(gong)率(lv)，η為(wei)焊接效率(lv)，ηd代(dai)表熔滴加熱速率(lv)與平均功(gong)率(lv)的比值。為(wei)了計算液滴傳遞(di)給(gei)工件的理(li)想熱能，在(zai)噴霧模式(shi)下，根(gen)據液滴生成頻率(lv)f d使用比熱容公式(shi):

作為(wei)熱流(liu)建(jian)模的(de)一個(ge)關鍵(jian)點，必(bi)須從總(zong)熱量中扣除由(you)液(ye)滴(di)傳遞的(de)熱量部分。通過修改固定(ding)高斯關系(xi)，將自(zi)由(you)表面上的(de)熱通量建(jian)模為(wei)雙橢圓分布(bu)，其有效(xiao)半徑位于x方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)的(de)前部（σqxf）、x方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)的(de)后部（σqxr）和y方(fang)(fang)向(xiang)(xiang)（σqy）：

其中(zhong)xc和(he)(he)yc是(shi)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)中(zhong)心(xin)的(de)移動(dong)坐標，V w表示焊接(jie)速度。請注意，前電(dian)(dian)(dian)極和(he)(he)后電(dian)(dian)(dian)極遵循x方向(xiang)前后的(de)反向(xiang)后綴。焊接(jie)過程(cheng)中(zhong)，熔池的(de)上表面與電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)壓力(li)和(he)(he)等(deng)離子(zi)(zi)體射流(liu)產(chan)(chan)(chan)生的(de)應力(li)相互作(zuo)用(yong)。電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)等(deng)離子(zi)(zi)體的(de)電(dian)(dian)(dian)磁(ci)力(li)產(chan)(chan)(chan)生的(de)壓力(li)梯(ti)度沿著自由表面的(de)法線方向(xiang)產(chan)(chan)(chan)生向(xiang)下(xia)的(de)電(dian)(dian)(dian)離氣(qi)體流(liu)。此(ci)外，等(deng)離子(zi)(zi)射流(liu)沖擊自由表面在熔池中(zhong)產(chan)(chan)(chan)生向(xiang)外的(de)流(liu)動(dong)。存在表面張(zhang)力(li)時，使用(yong)牛頓(dun)粘度定(ding)律(lv)的(de)壓力(li)邊界條(tiao)件(jian)表示如下(xia):

其中，P弧和γ分(fen)別是法向(xiang)自由表(biao)(biao)面(mian)的壓力、弧壓和表(biao)(biao)面(mian)張力。本(ben)研究中的電(dian)弧壓力假(jia)定為雙橢圓分(fen)布，其大小和有效半(ban)徑基于(yu)經驗測量。

其中σaxf、σaxr和σay分別是前x方向(xiang)、后(hou)x方向(xiang)和y方向(xiang)上電弧(hu)壓力(li)的(de)有效半徑(jing)。熔池自由表面上的(de)等(deng)離子體射流剪切(qie)由一個解析解根(gen)據雷諾數、射流高度和噴嘴直徑(jing)進行定義。

弧長和(he)填料直徑(jing)(jing)分別被認為(wei)是(shi)噴射(she)高度（H）和(he)噴嘴(zui)直徑(jing)(jing)（D），而符號(hao)r指的(de)是(shi)距(ju)中心(xin)的(de)徑(jing)(jing)向距(ju)離。根據伯努利方程，通過(guo)焊(han)接熔池中心(xin)的(de)最大電弧壓(ya)力(li)計算射(she)流速度和(he)等(deng)離子體雷諾數:

為了精確研(yan)究馬蘭戈尼剪切，根(gen)據溫度(du)和(he)表面活性(xing)元素對(dui)表面張力(li)進行建模(mo)。Sahoo等人將(jiang)偽(wei)二元Fe–S系統的表面張力(li)關系近似(si)為溫度(du)和(he)活性(xing)的函(han)數(shu)，如下(xia)所(suo)示:

請注意，硫的(de)(de)(de)(de)活性（a s）被認為等于含(han)量的(de)(de)(de)(de)重(zhong)量百分比，符(fu)號A對應于純鐵的(de)(de)(de)(de)負表(biao)面張力(li)梯度(du)。由(you)于填料組合物(wu)及其除氧劑中(zhong)含(han)有大量錳和硅，氧氣對表(biao)面張力(li)梯度(du)的(de)(de)(de)(de)影響在該(gai)模擬中(zhong)被忽略。表(biao)面張力(li)隨溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)(de)變化和誘(you)導(dao)的(de)(de)(de)(de)剪切應力(li)在自由(you)表(biao)面上平(ping)衡，遵(zun)循方程式(shi)。

表4顯示(shi)了在(zai)該模擬中(zhong)應用(yong)的(de)IS2062鋼(gang)的(de)熱物理性(xing)質。在(zai)溫度(du)相關條件下考慮了相變(bian)和合金元素對不同(tong)物理性(xing)質的(de)影響（圖(tu)5）。這(zhe)些特性(xing)是從不同(tong)的(de)數(shu)據庫中(zhong)收集(ji)的(de)，包括FLOW-3D的(de)流體(ti)數(shu)據庫和其他關于低碳鋼(gang)的(de)文獻。自由表面的(de)表面張(zhang)力被定(ding)義為假二元Fe–S系(xi)統中(zhong)溫度(du)和硫含(han)量的(de)函(han)數(shu):

圖5 IS2062鋼隨(sui)溫度變化(hua)的物理性能

如圖6所示，表面張力梯度的(de)(de)符號在(zai)較高溫度下(xia)(xia)從負值(zhi)變(bian)為(wei)(wei)較低溫度下(xia)(xia)的(de)(de)正值(zhi)。硫含(han)(han)量可以根據兩種(zhong)情(qing)況下(xia)(xia)獲得的(de)(de)約44%的(de)(de)稀(xi)釋度來近似(si)計算。在(zai)本研究中，認(ren)為(wei)(wei)平均硫含(han)(han)量為(wei)(wei)0.028 wt%，分(fen)別對應于(yu)基底金屬和(he)填料含(han)(han)量0.018和(he)0.035 wt%。圖6（b）說(shuo)明了瞬(shun)態溫度和(he)馬蘭戈尼流(liu)的(de)(de)重要性。

圖6表面(mian)張力（a）及(ji)其梯度(du)（b）是溫度(du)和(he)(he)硫重量%的函數。關于中間范圍(wei)（M）的轉變溫度(du)，高溫和(he)(he)低(di)溫分別用字(zi)母(mu)H和(he)(he)L標記(ji)

以1.2米/秒2的固定(ding)加速度向工(gong)件(jian)施加250赫茲的振(zhen)動頻率。正弦振(zhen)動的速度在(zai)X方(fang)向上從0.764 mm/s到0.764 mm/s連(lian)續變化。為(wei)了更(geng)精確(que)地跟蹤流體，分離拉格(ge)朗日VOF方(fang)法與粘性應力的顯式(shi)解算器一起(qi)使(shi)用。壓力-速度求解器采用廣義最(zui)小殘差法。設置(zhi)為(wei)105s的最(zui)大時間步(bu)長受平流和表面張力收斂標(biao)準的限制(zhi)。為(wei)了按照記錄(lu)的結果產生脈沖(chong)波形(xing)，使(shi)用如下三(san)角關系:

其中，I 1、I 2和P d分(fen)別是背景(jing)電(dian)流(liu)(liu)、脈沖電(dian)流(liu)(liu)和總波形(xing)的(de)脈沖占空比(bi)，模(mo)擬(ni)電(dian)流(liu)(liu)和電(dian)壓的(de)相(xiang)關波形(xing)如(ru)圖7所示。記錄的(de)每個(ge)電(dian)極的(de)平均功率為4957 J/s，與(yu)(yu)模(mo)擬(ni)的(de)平均功率4740 J/s相(xiang)比(bi)，證實了該(gai)模(mo)型在(zai)5%誤差內的(de)準確性。在(zai)整(zheng)個(ge)模(mo)擬(ni)時間內，一旦脈沖在(zai)每個(ge)周(zhou)期結(jie)束，液(ye)滴(di)產(chan)生時間就與(yu)(yu)波形(xing)同步(bu)。

圖7焊接電流和電壓的周期(qi)性(xing)變化(hua)，用(yong)W/O振動(dong)的三角關系(xi)擬合

結論

在本(ben)研(yan)究中(zhong)，首(shou)次(ci)成功(gong)模擬(ni)了TP-GMAW過(guo)程的(de)新型(xing)三維數(shu)值模型(xing)，以研(yan)究存(cun)在表面張力(li)活性元素和工件振動時(shi)的(de)傳(chuan)熱和材料流(liu)動。

通過不(bu)同(tong)焊接條件下(xia)獲得的光學(xue)顯微圖像(xiang)研究了(le)模擬結(jie)果的有(you)效(xiao)性。結(jie)果可總(zong)結(jie)如(ru)下(xia):

（1）使用流(liu)(liu)線和溫度顏色圖(tu)跟(gen)蹤物質流(liu)(liu)。引(yin)入了(le)一(yi)組獨特的三維(wei)流(liu)(liu)線來模擬(ni)TP-GMAW工藝中(zhong)復雜的材料(liao)流(liu)(liu)動。發(fa)現在(zai)脈沖焊(han)接(jie)操作期間，熱(re)流(liu)(liu)顯示(shi)出非常穩(wen)定的模式，盡管熔(rong)池后(hou)部區(qu)域的流(liu)(liu)體流(liu)(liu)不斷變化。

（2）考慮表面張力(li)活性(xing)元素對Marangoni力(li)的影響(xiang)導致更(geng)可靠的模擬(ni)結果。

填充材料中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)硫含(han)量(liang)通過(guo)降低(di)Fe–C合金(jin)表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)的(de)(de)(de)負(fu)梯度來提高滲(shen)透(tou)深(shen)度。用一(yi)種新的(de)(de)(de)方(fang)法討論了硫對(dui)焊接過(guo)程中(zhong)(zhong)產生(sheng)的(de)(de)(de)正負(fu)表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)梯度的(de)(de)(de)影響。

（3）振動(dong)(dong)影(ying)響自由表(biao)面(mian)行為，導致通過協同焊接機的熱輸(shu)入發生變(bian)化(hua)，從而在(zai)熔透形狀變(bian)化(hua)中發揮重要作用(yong)。根(gen)據模擬(ni)結果，未檢(jian)測到因振動(dong)(dong)的物(wu)理(li)移動(dong)(dong)而導致的內部能量變(bian)化(hua)；然而，熔池動(dong)(dong)態平衡的變(bian)化(hua)直(zhi)接影(ying)響內部能量的分(fen)布。