本(ben)研究中(zhong)，模擬了(le)串列脈(mo)沖熔化極氣體保護焊(han)(han)過(guo)程的(de)三維(wei)模型，以研究振動(dong)和(he)表(biao)面(mian)張力(li)(li)活(huo)性(xing)元素(su)存在(zai)(zai)時的(de)傳熱和(he)材(cai)料流動(dong)。模擬結果與在(zai)(zai)不同(tong)條(tiao)件下（包括有和(he)沒(mei)有振動(dong)輔助焊(han)(han)接）獲得的(de)焊(han)(han)縫橫截面(mian)的(de)光學顯(xian)微圖(tu)像(xiang)一致。使用溫度等值(zhi)線圖(tu)上的(de)2D和(he)3D流線對物質流進行可(ke)視(shi)化。發現在(zai)(zai)脈(mo)沖焊(han)(han)接操作期間，熱量(liang)(liang)遵循非常(chang)穩定(ding)的(de)模式，盡管熔池后部區域中(zhong)的(de)流體流連(lian)續變化，這決定(ding)了(le)熔透的(de)最終幾何形(xing)狀(zhuang)。考慮(lv)表(biao)面(mian)張力(li)(li)活(huo)性(xing)元素(su)對Marangoni力(li)(li)的(de)影響(xiang)顯(xian)著改善了(le)模擬結果。一種(zhong)新(xin)方法解決了(le)工件和(he)填充材(cai)料中(zhong)硫含(han)量(liang)(liang)的(de)影響(xiang)。施加(jia)振動(dong)通過(guo)影響(xiang)自(zi)由表(biao)面(mian)行為降低熱量(liang)(liang)輸入，并在(zai)(zai)熔透形(xing)狀(zhuang)變化中(zhong)發揮重要(yao)作用。

引言

與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)(de)單焊(han)絲情(qing)況相比，雙頭(tou)氣體保護金(jin)(jin)屬(shu)極電弧(hu)焊(han)（GMAW）具(ju)有更(geng)高的(de)(de)生(sheng)產率和(he)(he)熔敷(fu)率，是重(zhong)工(gong)業(ye)和(he)(he)汽車工(gong)業(ye)中(zhong)應用的(de)(de)焊(han)接技術(shu)之一。采用脈沖電弧(hu)功(gong)能，除了特(te)殊的(de)(de)生(sheng)產功(gong)能外，還可以使用平滑和(he)(he)無飛濺的(de)(de)焊(han)接條件。盡管有這(zhe)些優點，但焊(han)縫金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)熔深形狀和(he)(he)熱影響區(qu)（HAZ）的(de)(de)顯微(wei)組織并不(bu)總是令人(ren)滿意的(de)(de)，例如，即使在中(zhong)等電流(liu)下也(ye)會出(chu)現指(zhi)形熔深，這(zhe)會影響焊(han)縫金(jin)(jin)屬(shu)的(de)(de)機械性能。人(ren)們(men)對不(bu)同電流(liu)波(bo)形控制的(de)(de)焊(han)縫特(te)性和(he)(he)振動輔助焊(han)接（VAW）進行了大量研究(jiu)。

在過去的(de)幾(ji)年里，人們從(cong)不(bu)同的(de)角(jiao)度(du)對GMAW熔池振蕩進行(xing)了(le)研究。實(shi)驗觀察支持的(de)分析模(mo)型導致(zhi)(zhi)了(le)基于(yu)振蕩的(de)控制(zhi)系統的(de)發展。另一方面(mian)，工件振動作為一種VAW控制(zhi)著焊接金屬和(he)HAZ的(de)微觀結(jie)構，如(ru)形態改變和(he)降(jiang)低(di)殘余應力，并導致(zhi)(zhi)

改善焊接區的(de)機(ji)械性能。意外發現(xian)，當將縱(zong)向正弦模式的(de)工件振動應用于單絲(si)脈(mo)沖GMAW時，指形熔合區轉變(bian)為鍋底形狀。對串聯焊絲(si)脈(mo)沖GMAW的(de)進一步研(yan)究揭示了(le)各種頻率的(de)影響和特定頻率（約250 Hz）的(de)存在，以產(chan)生(sheng)最佳(jia)的(de)鍋底形狀。

串聯脈沖氣體保護(hu)焊(han)（TP-GMAW）的(de)(de)復雜(za)條件(jian)(jian)需要一種(zhong)不同的(de)(de)方法(fa)來可視化熔池(chi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)熱量和(he)(he)質量傳遞。由于GMAW的(de)(de)復雜(za)條件(jian)(jian)，很(hen)有可能使用(yong)數(shu)(shu)值模(mo)型來隔(ge)離和(he)(he)研究過程(cheng)中(zhong)(zhong)每個參(can)數(shu)(shu)的(de)(de)重要性。然而，根據(ju)類似的(de)(de)論點(dian)，力之間的(de)(de)相互作用(yong)可能會簡單(dan)地掩蓋模(mo)型中(zhong)(zhong)各(ge)種(zhong)類型的(de)(de)缺陷(xian)，并可能導致熔池(chi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)偽平衡。因此，在(zai)分析數(shu)(shu)值結果之前，需要高(gao)度(du)精確(que)地確(que)定(ding)各(ge)種(zhong)輸入參(can)數(shu)(shu)，如熱分布、焊(han)接效率、熔滴物理學(xue)和(he)(he)表面張力系(xi)數(shu)(shu)。

為了(le)揭示融合區的(de)(de)內部特(te)征，研究(jiu)(jiu)人員使用有限差(cha)分法(fa)（FDM）和質量(liang)、動量(liang)和能量(liang)守恒控(kong)制方程。此外，采用流體(ti)體(ti)積技(ji)術（VOF）跟(gen)蹤熔池的(de)(de)自由(you)表(biao)(biao)面(mian)；首先(xian)由(you)Hirt和Nichols基(ji)于供體(ti)-受體(ti)方法(fa)提出。楊使用技(ji)術開發了(le)GMAW的(de)(de)三維模(mo)(mo)型(xing)。Cho等(deng)人通過輸入變量(liang)的(de)(de)精(jing)確(que)定義(yi)擴展了(le)脈沖GMAW的(de)(de)VOF模(mo)(mo)型(xing)。胡等(deng)人在一(yi)(yi)項綜合研究(jiu)(jiu)中(zhong)(zhong)模(mo)(mo)擬了(le)GMAW中(zhong)(zhong)的(de)(de)波(bo)紋(wen)形(xing)成。在相(xiang)(xiang)同(tong)的(de)(de)熔池條(tiao)件(jian)下(xia)，這(zhe)一(yi)(yi)時(shi)期(qi)的(de)(de)大(da)多(duo)數(shu)數(shu)值模(mo)(mo)擬都(dou)受到標準(zhun)VOF算(suan)法(fa)精(jing)度(du)的(de)(de)影(ying)響。更詳細地(di)說，縱向截面(mian)中(zhong)(zhong)自由(you)表(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)行為與(yu)高(gao)速攝(she)(she)像機拍攝(she)(she)的(de)(de)圖像仍(reng)然相(xiang)(xiang)差(cha)甚(shen)遠，尤其是當(dang)熔滴撞擊(ji)熔池表(biao)(biao)面(mian)時(shi)。由(you)于在特(te)殊(shu)條(tiao)件(jian)下(xia)計(ji)算(suan)單元可(ke)能會溢出或過空，因此對(dui)VOF的(de)(de)初始算(suan)法(fa)進(jin)行了(le)不同(tong)類型(xing)的(de)(de)改進(jin)。在所有增強(qiang)算(suan)法(fa)中(zhong)(zhong)，基(ji)于拉格朗日的(de)(de)VOF平流在跟(gen)蹤表(biao)(biao)面(mian)張力的(de)(de)復雜三維運動中(zhong)(zhong)的(de)(de)尖銳界面(mian)時(shi)表(biao)(biao)現出良好的(de)(de)準(zhun)確(que)性。利用新算(suan)法(fa)的(de)(de)潛力，對(dui)熔焊進(jin)行的(de)(de)分析與(yu)實驗結果非常一(yi)(yi)致(zhi)。然而(er)，GMAW模(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)改進(jin)仍(reng)然需要應用，例如混合焊接和特(te)殊(shu)方法(fa)的(de)(de)檢查。

盡管有各種研究(jiu)單(dan)絲GMAW的(de)(de)(de)數(shu)(shu)值(zhi)(zhi)模(mo)型(xing)，但基(ji)于數(shu)(shu)值(zhi)(zhi)方案，串絲焊中(zhong)深指狀(zhuang)熔合區(qu)的(de)(de)(de)機理并未(wei)得到明確理解。基(ji)于VOF方法的(de)(de)(de)新研究(jiu)發現(xian)，忽略眾(zhong)所周知的(de)(de)(de)現(xian)象(xiang)（即表面張(zhang)力系數(shu)(shu)梯度的(de)(de)(de)變化）在(zai)不(bu)準確滲透(tou)中(zhong)起著重要(yao)作用。盡管如此，在(zai)最(zui)新的(de)(de)(de)文章中(zhong)已經考慮(lv)了(le)(le)金屬基(ji)添加劑制造過程中(zhong)表面活(huo)性元(yuan)素的(de)(de)(de)影(ying)響。目前的(de)(de)(de)研究(jiu)證(zheng)明了(le)(le)輸入變量（如與數(shu)(shu)學算法相關的(de)(de)(de)表面張(zhang)力系數(shu)(shu)）如何極大(da)地影(ying)響熔池的(de)(de)(de)預測最(zui)終幾何形(xing)狀(zhuang)。此外，還討(tao)論(lun)了(le)(le)特(te)定振(zhen)動條件(jian)對熔化極氣體保護(hu)焊熔深形(xing)狀(zhuang)的(de)(de)(de)影(ying)響。實(shi)驗結(jie)果支持了(le)(le)工件(jian)有振(zhen)動和(he)(he)無(wu)振(zhen)動情況(kuang)下的(de)(de)(de)數(shu)(shu)值(zhi)(zhi)模(mo)型(xing)。為(wei)了(le)(le)生成(cheng)具有最(zui)高(gao)精度的(de)(de)(de)表面張(zhang)力效應的(de)(de)(de)網格獨立模(mo)型(xing)，采用了(le)(le)單(dan)元(yuan)尺寸為(wei)0.15 mm的(de)(de)(de)精細立方體網格。首次成(cheng)功地進行了(le)(le)考慮(lv)工件(jian)振(zhen)動和(he)(he)TP-GMAW交互(hu)現(xian)象(xiang)的(de)(de)(de)三維模(mo)擬(ni)。

實驗設置

在(zai)IIT海(hai)得拉巴使(shi)(shi)用(yong)(yong)機(ji)(ji)器人TP-GMAW設(she)施進行(xing)焊(han)接(jie)實驗，其中兩(liang)(liang)個電極(ji)(ji)分(fen)別(bie)通過焊(han)槍(qiang)饋(kui)送并從兩(liang)(liang)個獨立的(de)(de)電源(yuan)接(jie)收電力。電源(yuan)以(yi)反相(xiang)方式同步，以(yi)防止后(hou)電弧(hu)和(he)前電弧(hu)之間的(de)(de)相(xiang)互作用(yong)(yong)。氬氣(qi)82%–二氧化(hua)碳18%用(yong)(yong)作保(bao)護氣(qi)體(ti)(ti)。機(ji)(ji)器人焊(han)接(jie)設(she)備由KUKA公(gong)司的(de)(de)KR30六軸(zhou)機(ji)(ji)器人組(zu)成(cheng)，該機(ji)(ji)器人與Fronius公(gong)司的(de)(de)兩(liang)(liang)個數字(zi)焊(han)接(jie)電源(yuan)相(xiang)連。跟蹤電極(ji)(ji)和(he)引導電極(ji)(ji)的(de)(de)電流設(she)置為(wei)180 A.通過保(bao)持焊(han)槍(qiang)垂直(zhi)于工件，在(zai)平面位置進行(xing)長(chang)度為(wei)200 mm的(de)(de)堆焊(han)。本研究(jiu)中使(shi)(shi)用(yong)(yong)的(de)(de)基材(cai)是由鐵(tie)素體(ti)(ti)-珠光體(ti)(ti)結構組(zu)成(cheng)的(de)(de)熱(re)軋低碳鋼IS 2062-2011。絲(si)狀電極(ji)(ji)是直(zhi)徑(jing)為(wei)1.2毫(hao)米的(de)(de)ER 70-S。母(mu)材(cai)和(he)焊(han)絲(si)的(de)(de)化(hua)學成(cheng)分(fen)列于表1。使(shi)(shi)用(yong)(yong)容量為(wei)150±0 kgf的(de)(de)Sdyn電動振(zhen)動機(ji)(ji)來產生(sheng)振(zhen)動。

連(lian)(lian)接(jie)(jie)到振(zhen)(zhen)動(dong)器頭的(de)滑動(dong)臺(tai)在(zai)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)方向(xiang)上(shang)以(yi)250 Hz振(zhen)(zhen)動(dong)。四個(ge)楔(xie)形(xing)夾具均勻地(di)用于緊(jin)(jin)緊(jin)(jin)地(di)固定(ding)工件，以(yi)避(bi)免任何類型的(de)變形(xing)接(jie)(jie)期間。連(lian)(lian)續正弦模式(shi)振(zhen)(zhen)動(dong)沿縱向(xiang)施加于焊(han)(han)(han)(han)縫。焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)設(she)備如(ru)圖1所示(shi)。火炬環境和(he)(he)振(zhen)(zhen)動(dong)條件的(de)更多細節將在(zai)第3.3節中(zhong)討論。在(zai)用7體積%HNO 3+93體積%甲醇拋光和(he)(he)蝕刻后(hou)，使用光學顯(xian)微鏡（OM）對焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)試樣進行橫(heng)截(jie)面宏觀檢(jian)查。表2列出了(le)(le)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)參(can)數(shu)，包括脈(mo)沖(chong)和(he)(he)振(zhen)(zhen)動(dong)特性(xing)。圖2顯(xian)示(shi)了(le)(le)在(zai)5 kHz頻率下(xia)記錄的(de)前(qian)后(hou)電極的(de)電流-電壓波形(xing)。波形(xing)顯(xian)示(shi)了(le)(le)在(zai)整個(ge)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)長度上(shang)觀察到的(de)穩(wen)定(ding)信號，除了(le)(le)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)(jie)的(de)開始和(he)(he)結束(shu)。

數(shu)學建模(mo)和公式

開發(fa)了(le)一個(ge)三維笛卡爾模型來分析TP-GMAW工藝獲(huo)得的(de)熔(rong)池中的(de)輪廓(kuo)和(he)對流(liu)(liu)。在支持(chi)相變能(neng)力(li)的(de)計算域中考慮(lv)牛頓和(he)不(bu)可壓(ya)縮流(liu)(liu)體(ti)的(de)層(ceng)流(liu)(liu)。熔(rong)池由電磁(ci)力(li)、浮力(li)和(he)表(biao)面張力(li)共同驅動。為(wei)了(le)簡化數值(zhi)模型，等離子體(ti)熱對液滴的(de)影響通(tong)過液滴的(de)初始溫度來考慮(lv)。根據這(zhe)些假設，總共四個(ge)控制方程（包括質量(liang)連續性、動量(liang)連續性（納維爾-斯托克斯）、能(neng)量(liang)守恒和(he)VOF）根據方程一起求解。分別為(wei)（1）至（4）。表(biao)3列出了(le)一系列變量(liang)。為(wei)了(le)分析熱傳遞和(he)熔(rong)池輪廓(kuo)，采用了(le)FLOW-3D商業軟(ruan)(ruan)件(jian)(jian)，特別是因為(wei)該軟(ruan)(ruan)件(jian)(jian)通(tong)過拉格朗日VOF平流(liu)(liu)法跟蹤移動的(de)自由表(biao)面具有(you)很高的(de)精度。

其中(zhong)ms是(shi)外部質(zhi)(zhi)量(liang)源的(de)一項，Gb是(shi)由身體力產生(sheng)的(de)加速度(du)。Vs是(shi)質(zhi)(zhi)量(liang)源的(de)速度(du)矢量(liang)，kdv代表多孔介質(zhi)(zhi)模(mo)型中(zhong)的(de)流量(liang)損(sun)失。關于非(fei)等溫(wen)相變，固相線和液相線溫(wen)度(du)之間的(de)焓考(kao)慮了熔化潛熱，如方程式(5)所示。

通過忽略隨相(xiang)變發生(sheng)的(de)體積變化(hua)（約5%），多(duo)孔介質阻力概念用于根據方程(cheng)（6）模擬煳狀區的(de)流動。

除了對流(liu)和(he)輻(fu)射熱損失(shi)之外，工件表面還暴露于TP-GMAW熱源。對于具有拖尾和(he)前導熱源的TP-GMAW工藝，表面熱通量(liang)的數學表達式如下所示:

考慮到(dao)GMAW工藝的效率(lv)(lv)，假設(she)每(mei)個熱源的加熱速率(lv)(lv)等于電弧加熱速率(lv)(lv)和熔滴熱含量之和，如(ru)下所示:

其中(zhong)UI為(wei)瞬時平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)，η為(wei)焊接效率(lv)，ηd代(dai)表(biao)熔(rong)滴加熱速(su)率(lv)與平(ping)均(jun)功(gong)率(lv)的(de)比值。為(wei)了計(ji)算液滴傳(chuan)遞給工件的(de)理想熱能，在噴霧模式下，根據液滴生成頻率(lv)f d使用比熱容(rong)公式:

作為(wei)(wei)熱(re)流建模的一個關(guan)(guan)鍵點，必須從總熱(re)量(liang)(liang)(liang)中扣(kou)除由液(ye)滴(di)傳遞的熱(re)量(liang)(liang)(liang)部分。通(tong)過修改固定高斯關(guan)(guan)系，將自由表面上的熱(re)通(tong)量(liang)(liang)(liang)建模為(wei)(wei)雙(shuang)橢圓分布(bu)，其有(you)效半徑(jing)位于x方向的前部（σqxf）、x方向的后部（σqxr）和(he)y方向（σqy）：

其中(zhong)xc和yc是電(dian)(dian)(dian)弧(hu)中(zhong)心的移動(dong)(dong)坐標，V w表示(shi)焊接速度(du)。請注意，前(qian)電(dian)(dian)(dian)極和后(hou)電(dian)(dian)(dian)極遵循x方向(xiang)(xiang)(xiang)前(qian)后(hou)的反向(xiang)(xiang)(xiang)后(hou)綴。焊接過(guo)程中(zhong)，熔池的上表面與電(dian)(dian)(dian)弧(hu)壓(ya)(ya)力和等離子體(ti)射流(liu)產生(sheng)的應力相互作用。電(dian)(dian)(dian)弧(hu)等離子體(ti)的電(dian)(dian)(dian)磁(ci)力產生(sheng)的壓(ya)(ya)力梯度(du)沿著自由表面的法線方向(xiang)(xiang)(xiang)產生(sheng)向(xiang)(xiang)(xiang)下的電(dian)(dian)(dian)離氣(qi)體(ti)流(liu)。此外(wai)，等離子射流(liu)沖擊(ji)自由表面在(zai)熔池中(zhong)產生(sheng)向(xiang)(xiang)(xiang)外(wai)的流(liu)動(dong)(dong)。存在(zai)表面張力時(shi)，使用牛頓粘度(du)定律(lv)的壓(ya)(ya)力邊(bian)界條件表示(shi)如下:

其中，P弧(hu)和(he)(he)γ分(fen)別是法向自由(you)表面(mian)的壓力(li)、弧(hu)壓和(he)(he)表面(mian)張力(li)。本研究中的電弧(hu)壓力(li)假(jia)定為(wei)雙橢圓分(fen)布，其大小(xiao)和(he)(he)有效半徑基于經驗(yan)測量(liang)。

其中(zhong)σaxf、σaxr和σay分(fen)別(bie)是前(qian)x方(fang)向、后x方(fang)向和y方(fang)向上電(dian)弧壓力的有效(xiao)半(ban)徑。熔池(chi)自(zi)由(you)表面(mian)上的等離子體(ti)射流(liu)剪切由(you)一個解析(xi)解根據雷諾數、射流(liu)高度和噴嘴直徑進行定義。

弧(hu)長和填(tian)料直徑分別被(bei)認為是噴射高度（H）和噴嘴直徑（D），而符號r指(zhi)的是距中心的徑向距離。根據伯努利方程(cheng)，通(tong)過(guo)焊接熔池(chi)中心的最大電弧(hu)壓力計(ji)算射流速度和等離子(zi)體雷諾數:

為(wei)了精確研究馬(ma)蘭戈尼剪切，根據溫(wen)度和(he)表(biao)面活(huo)性(xing)元素對表(biao)面張力進(jin)行建模。Sahoo等人將(jiang)偽(wei)二元Fe–S系統的表(biao)面張力關(guan)系近(jin)似為(wei)溫(wen)度和(he)活(huo)性(xing)的函(han)數(shu)，如下所示:

請注(zhu)意，硫的(de)(de)活性(xing)（a s）被認為等于(yu)含(han)量(liang)的(de)(de)重量(liang)百分比，符號A對應于(yu)純鐵的(de)(de)負(fu)表(biao)面張(zhang)力梯度。由于(yu)填料組(zu)合物及其(qi)除氧劑中含(han)有大量(liang)錳和硅，氧氣對表(biao)面張(zhang)力梯度的(de)(de)影響在(zai)該模(mo)擬中被忽略。表(biao)面張(zhang)力隨溫度的(de)(de)變化和誘(you)導(dao)的(de)(de)剪切應力在(zai)自(zi)由表(biao)面上平(ping)衡(heng)，遵循方程式。

表4顯示(shi)了(le)在(zai)該(gai)模擬中(zhong)應用(yong)的(de)(de)IS2062鋼(gang)的(de)(de)熱物(wu)理性質。在(zai)溫度(du)相關條(tiao)件(jian)下考慮了(le)相變和合金元(yuan)素對不(bu)同物(wu)理性質的(de)(de)影響（圖5）。這些特性是從不(bu)同的(de)(de)數據庫中(zhong)收集的(de)(de)，包括FLOW-3D的(de)(de)流體數據庫和其他(ta)關于低碳(tan)鋼(gang)的(de)(de)文獻(xian)。自由表面(mian)的(de)(de)表面(mian)張力被定義為(wei)假(jia)二元(yuan)Fe–S系統中(zhong)溫度(du)和硫(liu)含量的(de)(de)函數:

圖(tu)5 IS2062鋼隨溫度(du)變化的物理(li)性能

如圖6所示，表面(mian)張力梯度(du)的符號在(zai)較(jiao)(jiao)高溫(wen)(wen)度(du)下從負值(zhi)變為較(jiao)(jiao)低溫(wen)(wen)度(du)下的正(zheng)值(zhi)。硫含量可以根據兩種情況下獲得(de)的約44%的稀釋(shi)度(du)來近似計算。在(zai)本研(yan)究中，認為平均硫含量為0.028 wt%，分(fen)別對應(ying)于基底金(jin)屬和(he)填料含量0.018和(he)0.035 wt%。圖6（b）說明了瞬態溫(wen)(wen)度(du)和(he)馬蘭戈尼流的重(zhong)要性。

圖6表面張(zhang)力（a）及其梯度(du)（b）是溫度(du)和硫重量%的函數。關于(yu)中間范圍（M）的轉變溫度(du)，高溫和低溫分別用字母H和L標記(ji)

以1.2米/秒2的固定加速度(du)(du)向(xiang)工件施(shi)加250赫茲的振動(dong)頻率。正弦振動(dong)的速度(du)(du)在(zai)X方向(xiang)上(shang)從0.764 mm/s到0.764 mm/s連(lian)續變(bian)化(hua)。為(wei)了(le)更精(jing)確地跟蹤流體，分離拉格朗(lang)日VOF方法(fa)(fa)與粘性應力的顯式解算器(qi)一起使用。壓力-速度(du)(du)求解器(qi)采(cai)用廣義最小殘差法(fa)(fa)。設置為(wei)105s的最大時(shi)間步(bu)長受(shou)平(ping)流和(he)表面(mian)張(zhang)力收斂標準(zhun)的限制(zhi)。為(wei)了(le)按照記(ji)錄的結果產生(sheng)脈沖(chong)波形，使用如(ru)下三角(jiao)關系:

其中，I 1、I 2和P d分別是背景電(dian)流、脈沖(chong)電(dian)流和總波(bo)(bo)形(xing)的脈沖(chong)占空比(bi)，模擬電(dian)流和電(dian)壓的相關波(bo)(bo)形(xing)如圖7所示。記錄(lu)的每個電(dian)極的平均功率(lv)為4957 J/s，與模擬的平均功率(lv)4740 J/s相比(bi)，證實了該模型在5%誤(wu)差(cha)內(nei)的準確性。在整個模擬時間內(nei)，一(yi)旦脈沖(chong)在每個周期結束，液滴產生時間就(jiu)與波(bo)(bo)形(xing)同步(bu)。

圖7焊(han)接電流和電壓(ya)的周期性變化，用(yong)W/O振動(dong)的三角關系(xi)擬合

結論

在(zai)本研(yan)究中，首(shou)次成功模(mo)(mo)擬了TP-GMAW過(guo)程的新型三維數值模(mo)(mo)型，以研(yan)究存(cun)在(zai)表面張力活性元素(su)和工件振動(dong)(dong)時的傳熱和材料流動(dong)(dong)。

通過不同焊接(jie)條件下獲得(de)的光學顯微圖像研究了模擬結果的有(you)效性。結果可總結如下:

（1）使用流(liu)線(xian)和溫度(du)顏色圖(tu)跟(gen)蹤物質流(liu)。引入了一組獨特的(de)三維流(liu)線(xian)來模(mo)擬(ni)TP-GMAW工(gong)藝(yi)中復雜(za)的(de)材料流(liu)動。發現在脈(mo)沖(chong)焊接操作期(qi)間，熱流(liu)顯示出非常穩定(ding)的(de)模(mo)式，盡管熔池后部區域(yu)的(de)流(liu)體流(liu)不(bu)斷變化(hua)。

（2）考慮表面張力(li)(li)活性元素對Marangoni力(li)(li)的影(ying)響導致更(geng)可靠(kao)的模擬結果。

填(tian)充材料中的(de)硫含量通過降低Fe–C合(he)金表(biao)(biao)面張力的(de)負梯度來提高滲透深度。用一種新(xin)的(de)方法(fa)討論(lun)了硫對焊(han)接過程中產生的(de)正負表(biao)(biao)面張力梯度的(de)影響。

（3）振動影響自由表面行為(wei)，導致通過協(xie)同焊(han)接(jie)機的(de)(de)熱(re)輸入發(fa)生變(bian)化，從而(er)在熔(rong)透形狀變(bian)化中發(fa)揮重要作用。根據模擬結果，未檢測到(dao)因振動的(de)(de)物理移動而(er)導致的(de)(de)內(nei)部能(neng)量變(bian)化；然(ran)而(er)，熔(rong)池動態(tai)平(ping)衡的(de)(de)變(bian)化直接(jie)影響內(nei)部能(neng)量的(de)(de)分布。