本研究中，模擬了(le)(le)串列脈(mo)沖熔(rong)(rong)化極氣體保護焊(han)過(guo)程的(de)(de)(de)三維模型(xing)，以研究振(zhen)動和(he)表面張(zhang)力活性元素(su)存在時的(de)(de)(de)傳(chuan)熱和(he)材料流(liu)(liu)動。模擬結果與在不(bu)同條件下（包括有和(he)沒有振(zhen)動輔助焊(han)接）獲得的(de)(de)(de)焊(han)縫(feng)橫截面的(de)(de)(de)光學顯微圖像一(yi)致。使用溫度等值線圖上的(de)(de)(de)2D和(he)3D流(liu)(liu)線對物(wu)質流(liu)(liu)進行可視化。發現(xian)在脈(mo)沖焊(han)接操作(zuo)(zuo)期間，熱量遵循非常穩(wen)定的(de)(de)(de)模式，盡管熔(rong)(rong)池后部區域中的(de)(de)(de)流(liu)(liu)體流(liu)(liu)連續變化，這決定了(le)(le)熔(rong)(rong)透的(de)(de)(de)最終幾何形狀。考慮表面張(zhang)力活性元素(su)對Marangoni力的(de)(de)(de)影響顯著改善了(le)(le)模擬結果。一(yi)種新(xin)方(fang)法解(jie)決了(le)(le)工件和(he)填充材料中硫含量的(de)(de)(de)影響。施(shi)加振(zhen)動通(tong)過(guo)影響自由表面行為(wei)降低熱量輸入，并在熔(rong)(rong)透形狀變化中發揮重(zhong)要作(zuo)(zuo)用。

引言

與傳統的(de)(de)(de)(de)(de)(de)單(dan)焊(han)絲情況相比，雙頭氣(qi)體保護金屬(shu)極電(dian)弧(hu)(hu)焊(han)（GMAW）具有更高的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生產率和(he)熔敷率，是重(zhong)工業(ye)和(he)汽車工業(ye)中應用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)技術之一。采用脈沖電(dian)弧(hu)(hu)功能(neng)(neng)，除了特(te)殊的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生產功能(neng)(neng)外，還(huan)可以使(shi)用平(ping)滑(hua)和(he)無飛(fei)濺的(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)接(jie)(jie)條(tiao)件。盡管有這些優點，但焊(han)縫(feng)金屬(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熔深(shen)(shen)形狀和(he)熱影響區（HAZ）的(de)(de)(de)(de)(de)(de)顯微組織(zhi)并不(bu)總是令(ling)人(ren)滿意的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，例如，即使(shi)在中等(deng)電(dian)流下也(ye)會出現指形熔深(shen)(shen)，這會影響焊(han)縫(feng)金屬(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)機械性能(neng)(neng)。人(ren)們對不(bu)同電(dian)流波形控制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)焊(han)縫(feng)特(te)性和(he)振動輔助焊(han)接(jie)(jie)（VAW）進行了大量研究(jiu)。

在過去的(de)(de)幾(ji)年里，人們從不同的(de)(de)角度對GMAW熔(rong)池振(zhen)蕩進(jin)行了研究(jiu)。實(shi)驗(yan)觀察支持的(de)(de)分析模型導致(zhi)了基于(yu)振(zhen)蕩的(de)(de)控制(zhi)(zhi)系統的(de)(de)發展。另一方面，工件(jian)振(zhen)動作為一種(zhong)VAW控制(zhi)(zhi)著焊接金屬和HAZ的(de)(de)微(wei)觀結構，如形態改(gai)變和降低(di)殘余應力，并導致(zhi)

改善焊接(jie)區的(de)機械性(xing)能(neng)。意外(wai)發現，當將縱向正(zheng)弦模式的(de)工(gong)件(jian)振動應用(yong)于單絲(si)脈(mo)沖GMAW時，指形(xing)(xing)熔合區轉變為鍋(guo)(guo)底(di)形(xing)(xing)狀(zhuang)。對串聯焊絲(si)脈(mo)沖GMAW的(de)進(jin)一步研(yan)究揭(jie)示了各種頻(pin)率(lv)的(de)影(ying)響和特定頻(pin)率(lv)（約250 Hz）的(de)存在，以產生最佳的(de)鍋(guo)(guo)底(di)形(xing)(xing)狀(zhuang)。

串聯脈沖氣體保護焊(han)（TP-GMAW）的復雜條(tiao)件需(xu)要一種不同(tong)的方法(fa)來可(ke)視化熔(rong)池中(zhong)(zhong)的熱量(liang)(liang)和(he)質量(liang)(liang)傳遞。由于GMAW的復雜條(tiao)件，很有可(ke)能(neng)使用(yong)數值模(mo)型來隔(ge)離和(he)研(yan)究(jiu)過程中(zhong)(zhong)每個參數的重要性。然而，根據類似的論點，力之(zhi)間的相互(hu)作(zuo)用(yong)可(ke)能(neng)會簡(jian)單(dan)地掩蓋模(mo)型中(zhong)(zhong)各種類型的缺陷，并可(ke)能(neng)導致熔(rong)池中(zhong)(zhong)的偽平衡。因(yin)此，在分析數值結果之(zhi)前，需(xu)要高(gao)度(du)精(jing)確(que)地確(que)定各種輸入參數，如熱分布、焊(han)接效率、熔(rong)滴(di)物(wu)理(li)學和(he)表面張(zhang)力系數。

為了揭示融合(he)區的(de)(de)(de)(de)(de)(de)內部特(te)征，研究人(ren)(ren)(ren)員使(shi)用(yong)有(you)限差分(fen)法(fa)(fa)(fa)（FDM）和(he)(he)質(zhi)量(liang)、動(dong)量(liang)和(he)(he)能量(liang)守恒控(kong)制方(fang)程。此外，采用(yong)流體(ti)(ti)體(ti)(ti)積技術(shu)（VOF）跟(gen)蹤熔(rong)(rong)(rong)池的(de)(de)(de)(de)(de)(de)自(zi)由(you)表面(mian)(mian)(mian)；首先由(you)Hirt和(he)(he)Nichols基于(yu)供體(ti)(ti)-受體(ti)(ti)方(fang)法(fa)(fa)(fa)提出。楊使(shi)用(yong)技術(shu)開發了GMAW的(de)(de)(de)(de)(de)(de)三(san)維(wei)模(mo)型。Cho等人(ren)(ren)(ren)通過輸入(ru)變量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)精確定(ding)義擴展了脈沖GMAW的(de)(de)(de)(de)(de)(de)VOF模(mo)型。胡等人(ren)(ren)(ren)在(zai)一項綜合(he)研究中模(mo)擬了GMAW中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)波紋形成(cheng)。在(zai)相同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)熔(rong)(rong)(rong)池條件下，這(zhe)一時期的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大多數數值模(mo)擬都受到標準VOF算法(fa)(fa)(fa)精度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響。更詳細(xi)地說，縱(zong)向截(jie)面(mian)(mian)(mian)中自(zi)由(you)表面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)行(xing)為與高(gao)速攝(she)像(xiang)機拍攝(she)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)圖像(xiang)仍(reng)(reng)然(ran)(ran)相差甚遠，尤其是(shi)當熔(rong)(rong)(rong)滴(di)撞擊熔(rong)(rong)(rong)池表面(mian)(mian)(mian)時。由(you)于(yu)在(zai)特(te)殊條件下計算單元可能會溢(yi)出或過空，因此對(dui)VOF的(de)(de)(de)(de)(de)(de)初始算法(fa)(fa)(fa)進(jin)(jin)行(xing)了不同類型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)進(jin)(jin)。在(zai)所有(you)增(zeng)強算法(fa)(fa)(fa)中，基于(yu)拉格朗日的(de)(de)(de)(de)(de)(de)VOF平流在(zai)跟(gen)蹤表面(mian)(mian)(mian)張力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)復雜三(san)維(wei)運(yun)動(dong)中的(de)(de)(de)(de)(de)(de)尖銳界面(mian)(mian)(mian)時表現出良好的(de)(de)(de)(de)(de)(de)準確性。利用(yong)新算法(fa)(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)潛力，對(dui)熔(rong)(rong)(rong)焊進(jin)(jin)行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析與實驗(yan)結(jie)果(guo)非常一致。然(ran)(ran)而(er)，GMAW模(mo)型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)進(jin)(jin)仍(reng)(reng)然(ran)(ran)需要應(ying)用(yong)，例如混合(he)焊接和(he)(he)特(te)殊方(fang)法(fa)(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)檢查。

盡管有各種研(yan)究單絲(si)GMAW的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數值模型，但基(ji)于數值方案，串絲(si)焊中(zhong)深(shen)指(zhi)狀(zhuang)熔(rong)合區的(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)理(li)(li)并未得到明(ming)確(que)理(li)(li)解。基(ji)于VOF方法(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)新(xin)研(yan)究發現，忽略眾所周知的(de)(de)(de)(de)(de)(de)現象(xiang)(xiang)（即表(biao)面張(zhang)(zhang)力(li)系數梯度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)）在(zai)不(bu)準確(que)滲透中(zhong)起(qi)著重要(yao)作用。盡管如(ru)(ru)此，在(zai)最新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)文(wen)章中(zhong)已經考(kao)慮(lv)了金(jin)屬基(ji)添加劑制造過程中(zhong)表(biao)面活(huo)性元素的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響。目前(qian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究證(zheng)明(ming)了輸入變(bian)量（如(ru)(ru)與數學算法(fa)相關的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面張(zhang)(zhang)力(li)系數）如(ru)(ru)何極大(da)地(di)影(ying)(ying)響熔(rong)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)預測最終幾何形狀(zhuang)。此外，還討論了特定振動(dong)條(tiao)件(jian)對(dui)熔(rong)化(hua)極氣(qi)體保(bao)護焊熔(rong)深(shen)形狀(zhuang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響。實驗結(jie)果(guo)支持了工件(jian)有振動(dong)和(he)無振動(dong)情況下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數值模型。為了生成(cheng)具(ju)有最高精(jing)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)表(biao)面張(zhang)(zhang)力(li)效(xiao)應的(de)(de)(de)(de)(de)(de)網格獨立(li)模型，采用了單元尺寸為0.15 mm的(de)(de)(de)(de)(de)(de)精(jing)細立(li)方體網格。首(shou)次成(cheng)功地(di)進行了考(kao)慮(lv)工件(jian)振動(dong)和(he)TP-GMAW交互現象(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)三維模擬。

實驗設置

在IIT海得拉巴使用機(ji)器(qi)人(ren)(ren)TP-GMAW設(she)施進行焊(han)(han)(han)(han)接(jie)實驗，其中(zhong)兩(liang)(liang)個(ge)電(dian)極分(fen)別通過焊(han)(han)(han)(han)槍(qiang)饋送并從兩(liang)(liang)個(ge)獨立的(de)(de)電(dian)源接(jie)收電(dian)力。電(dian)源以反相(xiang)方式同步，以防止后電(dian)弧和(he)前(qian)電(dian)弧之間的(de)(de)相(xiang)互作(zuo)(zuo)用。氬氣82%–二(er)氧化碳18%用作(zuo)(zuo)保護氣體(ti)。機(ji)器(qi)人(ren)(ren)焊(han)(han)(han)(han)接(jie)設(she)備由(you)KUKA公司的(de)(de)KR30六軸機(ji)器(qi)人(ren)(ren)組(zu)成(cheng)，該(gai)機(ji)器(qi)人(ren)(ren)與Fronius公司的(de)(de)兩(liang)(liang)個(ge)數字焊(han)(han)(han)(han)接(jie)電(dian)源相(xiang)連。跟蹤(zong)電(dian)極和(he)引導電(dian)極的(de)(de)電(dian)流(liu)設(she)置為(wei)180 A.通過保持焊(han)(han)(han)(han)槍(qiang)垂直于工件，在平面位(wei)置進行長度為(wei)200 mm的(de)(de)堆焊(han)(han)(han)(han)。本研究(jiu)中(zhong)使用的(de)(de)基材是(shi)由(you)鐵素體(ti)-珠光體(ti)結(jie)構組(zu)成(cheng)的(de)(de)熱軋低碳鋼IS 2062-2011。絲(si)狀電(dian)極是(shi)直徑為(wei)1.2毫米的(de)(de)ER 70-S。母材和(he)焊(han)(han)(han)(han)絲(si)的(de)(de)化學成(cheng)分(fen)列于表(biao)1。使用容量為(wei)150±0 kgf的(de)(de)Sdyn電(dian)動(dong)振動(dong)機(ji)來產生振動(dong)。

連接(jie)到(dao)振動(dong)器頭(tou)的(de)(de)滑動(dong)臺在焊(han)接(jie)方向上(shang)以250 Hz振動(dong)。四個楔形(xing)(xing)夾具(ju)均勻地(di)用(yong)于(yu)緊緊地(di)固定(ding)工件(jian)，以避免任何類型(xing)的(de)(de)變形(xing)(xing)接(jie)期間。連續正弦模式振動(dong)沿(yan)縱向施加于(yu)焊(han)縫。焊(han)接(jie)設(she)備如(ru)圖1所示(shi)(shi)。火(huo)炬環境(jing)和振動(dong)條件(jian)的(de)(de)更多(duo)細節將在第3.3節中討論。在用(yong)7體(ti)積%HNO 3+93體(ti)積%甲醇拋光和蝕刻后，使(shi)用(yong)光學顯(xian)微鏡（OM）對(dui)焊(han)接(jie)試樣進行橫截面宏觀檢查(cha)。表(biao)2列出(chu)了(le)焊(han)接(jie)參(can)數，包(bao)括(kuo)脈沖和振動(dong)特性(xing)。圖2顯(xian)示(shi)(shi)了(le)在5 kHz頻率(lv)下記錄的(de)(de)前(qian)后電(dian)極(ji)的(de)(de)電(dian)流(liu)-電(dian)壓波形(xing)(xing)。波形(xing)(xing)顯(xian)示(shi)(shi)了(le)在整個焊(han)接(jie)長度上(shang)觀察到(dao)的(de)(de)穩(wen)定(ding)信號，除了(le)焊(han)接(jie)的(de)(de)開始和結束。

數學(xue)建模和公式(shi)

開發了(le)一(yi)(yi)個三維笛卡(ka)爾(er)模型來分(fen)析TP-GMAW工(gong)藝(yi)獲得(de)的熔(rong)池中(zhong)的輪(lun)廓和(he)(he)(he)對流(liu)。在(zai)支持(chi)相變能(neng)力(li)的計算域中(zhong)考(kao)慮(lv)(lv)牛頓和(he)(he)(he)不可(ke)壓縮(suo)流(liu)體的層流(liu)。熔(rong)池由(you)電磁力(li)、浮力(li)和(he)(he)(he)表面張(zhang)力(li)共同(tong)驅動。為了(le)簡化(hua)數值模型，等(deng)離子體熱對液滴(di)的影響通過液滴(di)的初始溫度來考(kao)慮(lv)(lv)。根據(ju)這些(xie)假(jia)設(she)，總共四個控制方程(cheng)（包(bao)括質量連續(xu)性、動量連續(xu)性（納維爾(er)-斯托克斯）、能(neng)量守恒(heng)和(he)(he)(he)VOF）根據(ju)方程(cheng)一(yi)(yi)起求解(jie)。分(fen)別為（1）至（4）。表3列出了(le)一(yi)(yi)系(xi)列變量。為了(le)分(fen)析熱傳遞和(he)(he)(he)熔(rong)池輪(lun)廓，采用了(le)FLOW-3D商業軟件，特(te)別是(shi)因為該軟件通過拉格朗(lang)日VOF平流(liu)法(fa)跟蹤移動的自(zi)由(you)表面具有(you)很(hen)高的精度。

其中ms是外部(bu)質(zhi)量源的一項，Gb是由(you)身體力產生的加(jia)速(su)度(du)。Vs是質(zhi)量源的速(su)度(du)矢量，kdv代表多孔介質(zhi)模型中的流量損失。關(guan)于非等溫(wen)相變(bian)，固相線和液相線溫(wen)度(du)之(zhi)間的焓(han)考慮(lv)了熔化潛熱，如方程式(5)所示。

通過忽(hu)略隨相(xiang)變(bian)發生的體積變(bian)化（約5%），多(duo)孔(kong)介質阻力概念用于根據方(fang)程(cheng)（6）模(mo)擬煳狀區的流動。

除了對流和輻射(she)熱(re)損失之外，工件表(biao)(biao)面(mian)還(huan)暴露于(yu)TP-GMAW熱(re)源。對于(yu)具(ju)有拖尾和前導(dao)熱(re)源的TP-GMAW工藝，表(biao)(biao)面(mian)熱(re)通(tong)量的數學表(biao)(biao)達式如(ru)下所示:

考慮到GMAW工藝的(de)(de)效率，假設每個熱源的(de)(de)加(jia)熱速(su)(su)率等于電弧(hu)加(jia)熱速(su)(su)率和(he)熔滴熱含(han)量之和(he)，如下(xia)所示:

其中UI為瞬時平(ping)均(jun)功(gong)率，η為焊接效率，ηd代表熔滴(di)加熱(re)速率與(yu)平(ping)均(jun)功(gong)率的(de)比(bi)值。為了計算液(ye)滴(di)傳遞給工件的(de)理想(xiang)熱(re)能，在噴霧模(mo)式(shi)下，根據液(ye)滴(di)生成頻(pin)率f d使用比(bi)熱(re)容公式(shi):

作(zuo)為熱(re)流建模的一個(ge)關鍵(jian)點，必(bi)須從總熱(re)量中扣(kou)除由液滴傳遞的熱(re)量部分。通過(guo)修改固定高(gao)斯關系，將自由表面上(shang)的熱(re)通量建模為雙橢圓分布，其有效半徑位于(yu)x方向的前部（σqxf）、x方向的后部（σqxr）和y方向（σqy）：

其(qi)中xc和yc是電弧中心(xin)的(de)(de)移(yi)動(dong)坐標(biao)，V w表(biao)示焊(han)接(jie)速(su)度(du)(du)(du)。請注意，前(qian)電極(ji)和后電極(ji)遵循x方向(xiang)(xiang)前(qian)后的(de)(de)反向(xiang)(xiang)后綴。焊(han)接(jie)過程中，熔(rong)池的(de)(de)上(shang)表(biao)面(mian)與電弧壓(ya)(ya)力和等離(li)子(zi)體(ti)射流(liu)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)應力相互作用。電弧等離(li)子(zi)體(ti)的(de)(de)電磁力產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)壓(ya)(ya)力梯度(du)(du)(du)沿著(zhu)自由(you)表(biao)面(mian)的(de)(de)法(fa)線方向(xiang)(xiang)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)向(xiang)(xiang)下(xia)的(de)(de)電離(li)氣體(ti)流(liu)。此外，等離(li)子(zi)射流(liu)沖擊自由(you)表(biao)面(mian)在(zai)熔(rong)池中產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)向(xiang)(xiang)外的(de)(de)流(liu)動(dong)。存在(zai)表(biao)面(mian)張力時(shi)，使用牛頓(dun)粘度(du)(du)(du)定律的(de)(de)壓(ya)(ya)力邊界(jie)條件表(biao)示如下(xia):

其(qi)中，P弧和(he)γ分(fen)別是法(fa)向自由表面的壓(ya)力(li)、弧壓(ya)和(he)表面張力(li)。本研(yan)究中的電弧壓(ya)力(li)假定為雙橢圓分(fen)布，其(qi)大小和(he)有效(xiao)半徑基于經(jing)驗測量。

其中σaxf、σaxr和(he)σay分別是前x方(fang)向(xiang)、后x方(fang)向(xiang)和(he)y方(fang)向(xiang)上電弧壓力的有效半徑(jing)。熔(rong)池自由(you)表面(mian)上的等離子體射流剪(jian)切(qie)由(you)一個解析解根據雷(lei)諾數、射流高度(du)和(he)噴嘴直徑(jing)進行定(ding)義。

弧(hu)長和(he)填料直(zhi)徑分別被認為是噴射(she)高(gao)度（H）和(he)噴嘴直(zhi)徑（D），而符號r指的(de)(de)是距(ju)中心的(de)(de)徑向距(ju)離(li)。根據伯(bo)努利方程，通過(guo)焊接熔池中心的(de)(de)最大電(dian)弧(hu)壓(ya)力計算射(she)流速度和(he)等(deng)離(li)子體雷諾數:

為了精確(que)研究馬蘭戈(ge)尼剪(jian)切，根據溫度和(he)表面(mian)活(huo)性(xing)元(yuan)素對表面(mian)張(zhang)力(li)進行建模。Sahoo等人將偽二元(yuan)Fe–S系統(tong)的(de)表面(mian)張(zhang)力(li)關系近似為溫度和(he)活(huo)性(xing)的(de)函數，如下所示:

請(qing)注意，硫(liu)的(de)活(huo)性（a s）被認為(wei)等(deng)于含量(liang)的(de)重量(liang)百分比，符號A對應于純鐵(tie)的(de)負表(biao)面張(zhang)力(li)(li)梯(ti)度(du)。由(you)(you)于填料組(zu)合(he)物及其除氧劑中(zhong)含有大量(liang)錳和硅，氧氣對表(biao)面張(zhang)力(li)(li)梯(ti)度(du)的(de)影(ying)響在該模擬(ni)中(zhong)被忽略。表(biao)面張(zhang)力(li)(li)隨(sui)溫度(du)的(de)變化(hua)和誘導的(de)剪切應力(li)(li)在自(zi)由(you)(you)表(biao)面上平衡，遵循方程式。

表4顯示(shi)了(le)在該模擬中(zhong)應用的(de)(de)IS2062鋼(gang)的(de)(de)熱物(wu)(wu)理(li)性質。在溫度相關條件下考慮了(le)相變(bian)和(he)合金元素對不(bu)同物(wu)(wu)理(li)性質的(de)(de)影響（圖5）。這些特(te)性是從(cong)不(bu)同的(de)(de)數據(ju)庫中(zhong)收(shou)集的(de)(de)，包括FLOW-3D的(de)(de)流體數據(ju)庫和(he)其他關于(yu)低(di)碳(tan)鋼(gang)的(de)(de)文獻。自由(you)表面的(de)(de)表面張力(li)被定(ding)義為假(jia)二元Fe–S系統(tong)中(zhong)溫度和(he)硫含量的(de)(de)函數:

圖5 IS2062鋼隨溫度變化的物理性(xing)能

如圖6所(suo)示(shi)，表(biao)面張力(li)梯度(du)的(de)符號在(zai)較高溫度(du)下從負(fu)值(zhi)變為(wei)較低溫度(du)下的(de)正(zheng)值(zhi)。硫含量(liang)可(ke)以(yi)根據(ju)兩種情況下獲得(de)的(de)約44%的(de)稀釋(shi)度(du)來近似計算(suan)。在(zai)本研究(jiu)中(zhong)，認為(wei)平均(jun)硫含量(liang)為(wei)0.028 wt%，分別(bie)對(dui)應于基底(di)金屬和(he)填料含量(liang)0.018和(he)0.035 wt%。圖6（b）說(shuo)明了瞬態(tai)溫度(du)和(he)馬蘭戈尼流的(de)重要性(xing)。

圖(tu)6表面(mian)張(zhang)力（a）及其(qi)梯度（b）是溫度和(he)(he)硫重量(liang)%的函數。關于中間(jian)范圍（M）的轉變(bian)溫度，高溫和(he)(he)低溫分別(bie)用字母H和(he)(he)L標記

以1.2米/秒2的(de)固定加(jia)速度(du)向(xiang)工(gong)件施加(jia)250赫茲的(de)振動(dong)頻率(lv)。正弦(xian)振動(dong)的(de)速度(du)在X方向(xiang)上從0.764 mm/s到0.764 mm/s連續(xu)變化。為(wei)(wei)了更精確地(di)跟(gen)蹤(zong)流體，分離(li)拉格(ge)朗日VOF方法與粘性應力的(de)顯(xian)式解算器一(yi)起使(shi)用。壓(ya)力-速度(du)求(qiu)解器采用廣義最小(xiao)殘差法。設置為(wei)(wei)105s的(de)最大時間步(bu)長受(shou)平流和表面張力收斂標準的(de)限制。為(wei)(wei)了按照記錄的(de)結果產(chan)生(sheng)脈沖波形，使(shi)用如下三角關系:

其中(zhong)，I 1、I 2和P d分別是背景(jing)電(dian)(dian)(dian)流、脈(mo)沖電(dian)(dian)(dian)流和總波形的(de)脈(mo)沖占空比，模擬(ni)電(dian)(dian)(dian)流和電(dian)(dian)(dian)壓的(de)相關波形如圖7所(suo)示。記(ji)錄的(de)每個電(dian)(dian)(dian)極的(de)平均(jun)功率為(wei)4957 J/s，與模擬(ni)的(de)平均(jun)功率4740 J/s相比，證(zheng)實(shi)了該模型在(zai)(zai)(zai)5%誤(wu)差內的(de)準確性。在(zai)(zai)(zai)整個模擬(ni)時間(jian)內，一(yi)旦脈(mo)沖在(zai)(zai)(zai)每個周期結束，液滴產生時間(jian)就與波形同步(bu)。

圖7焊接電(dian)流和電(dian)壓的周期性變(bian)化，用W/O振動的三角(jiao)關系擬(ni)合

結論

在本(ben)研究中，首次(ci)成功(gong)模擬(ni)了TP-GMAW過程的新型(xing)三維數(shu)值模型(xing)，以研究存在表面張力活性(xing)元素和(he)(he)工件振動時的傳熱(re)和(he)(he)材料流(liu)動。

通過(guo)不同焊(han)接條件下獲得的(de)光學顯(xian)微圖(tu)像研究(jiu)了模擬結(jie)果的(de)有效性。結(jie)果可總結(jie)如(ru)下:

（1）使用流(liu)(liu)線和溫(wen)度(du)顏色(se)圖跟(gen)蹤物質流(liu)(liu)。引入了(le)一組(zu)獨(du)特(te)的三維流(liu)(liu)線來(lai)模(mo)擬TP-GMAW工藝(yi)中復雜(za)的材料流(liu)(liu)動。發現在脈沖焊(han)接操作期(qi)間，熱(re)流(liu)(liu)顯示(shi)出非(fei)常(chang)穩定的模(mo)式，盡管熔(rong)池后部區域的流(liu)(liu)體流(liu)(liu)不斷變化。

（2）考慮表(biao)面張力活性(xing)元素對Marangoni力的(de)影響導致更可(ke)靠的(de)模擬結果(guo)。

填充材料中的(de)硫(liu)含量(liang)通過(guo)降低Fe–C合(he)金表(biao)(biao)面張(zhang)力的(de)負梯(ti)度(du)來(lai)提高(gao)滲透深度(du)。用(yong)一種(zhong)新的(de)方法討論(lun)了(le)硫(liu)對焊(han)接過(guo)程中產生的(de)正(zheng)負表(biao)(biao)面張(zhang)力梯(ti)度(du)的(de)影響。

（3）振動影(ying)響自(zi)由表面行為，導致通過(guo)協(xie)同焊接(jie)機(ji)的(de)熱輸入發(fa)生變(bian)化(hua)，從而(er)在熔透(tou)形狀變(bian)化(hua)中(zhong)發(fa)揮重要作用。根據模(mo)擬結果(guo)，未檢測到(dao)因振動的(de)物理移動而(er)導致的(de)內(nei)部能量(liang)變(bian)化(hua)；然而(er)，熔池動態(tai)平衡的(de)變(bian)化(hua)直接(jie)影(ying)響內(nei)部能量(liang)的(de)分(fen)布(bu)。