3數值計算方法驗證

根據式(6)與式(7)可以看出，這類(lèi)由表面張力驅動(dòng)的流動(dòng)與邊界處接觸角緊密相關(guān)。為保證接觸角施加方法的正確性，對表面張力驅動(dòng)下的平行平板流動(dòng)進(jìn)行了計算，并將結果與前人的數值模擬結果進(jìn)行了對比。驗證模型為15mm×8mm×0.4mm的平行平板，所采用材料為硅油，具體物性參數如表1所示。首先將平板前端部分區域內充滿(mǎn)硅油，以此為初始場(chǎng)進(jìn)行計算[圖4(a)]。圖4(b)為計算一段時(shí)間后得到的流動(dòng)前沿，最終得到的前沿最大高度隨時(shí)間變化如圖5所示，計算結果與前人數值模擬結果及Washburn解析模型吻合良好，證明了基于VOF模型的數值方法計算硅油填充平板過(guò)程的準確性。

為保證本文方法的準確性，首先對網(wǎng)格無(wú)關(guān)性進(jìn)行驗證。由疏至密設計了3套網(wǎng)格(網(wǎng)格A、B、C)，對同一工況進(jìn)行了計算，并對比了t=2s時(shí)釬料相填充焊縫的體積分數，網(wǎng)格參數及無(wú)關(guān)性驗證結果如表2所示。同一時(shí)刻下，網(wǎng)格A和B計算得到的焊縫內釬料相體積占比的相對誤差分別為-3.94%和-2.50%，均在5%的誤差內，在保證計算準確性的前提下，為節省計算時(shí)間，選用網(wǎng)格B進(jìn)行數值計算。

4計算結果與分析

整個(gè)計算過(guò)程內的兩相體積分布如圖6所示。根據圖6可以看出焊縫內不同時(shí)刻下的釬料運動(dòng)狀態(tài)。固態(tài)釬料溫度緩慢上升，當底部釬料達到熔點(diǎn)后開(kāi)始融化，出現自由液面。釬料在表面張力和重力的作用下流入焊縫，整齊向下方流動(dòng)，鋪展過(guò)程較為緩慢。t=1.0s時(shí)，液態(tài)釬料開(kāi)始沿著(zhù)焊縫通道向兩側運動(dòng)，由于計算模型的限制，部分氣體未及時(shí)排出，在壁面上黏附形成許多虛假小氣泡。t=2.0s時(shí)，由于毛細力的作用，壁面附近的釬料運動(dòng)快于中心位置，由此形成了“凹”形的流動(dòng)前沿。當t=3.2s時(shí)，焊縫被釬料完全填充，流場(chǎng)達到穩定狀態(tài)，但焊縫上方表面的兩個(gè)角點(diǎn)直接暴露在空氣中，故該位置處的釬料填充效果略差。

液態(tài)釬料沿著(zhù)焊縫下表面的填充距離如圖7所示。前1s內，釬料未潤濕焊縫下表面，曲線(xiàn)上表示為釬料豎直向下運動(dòng)的距離，此時(shí)鋪展速度較為緩慢。當釬料直接接觸焊縫下表面時(shí)，驅動(dòng)力增強，加速了釬料的鋪展。焊接過(guò)程中可能會(huì )出現微小氣泡從而影響焊接強度，故統計了焊縫內不同時(shí)刻下釬料體積占總體積的比值(圖8)。在t=1s之前，前沿流動(dòng)速度較小，但由于填充截面面積較大，總體鋪展速度仍處于較高的水平。當釬料開(kāi)始向兩側流動(dòng)，鋪展速度略微下降。最終得到的釬料填充體積占比達到98.5%，表明焊縫填充效果良好。

為充分評估釬料填充焊縫的流動(dòng)，給出了不同時(shí)刻下x=0mm截面處的釬料體積分布(圖9)，截面兩側釬料融化過(guò)程基本呈對稱(chēng)分布。涂覆釬料從底部開(kāi)始融化，并不斷填充焊縫，兩側慢慢形成了“凹”形液面。隨著(zhù)保溫過(guò)程進(jìn)行，釬料均融化為液態(tài)，液態(tài)釬料在表面張力的作用下收縮為半球形狀。

釬料不斷融化，當附著(zhù)力大于自身內聚力時(shí)，壁面被潤濕，并在焊縫內鋪展。圖10為釬料的總體分布，由于釬料的熱量來(lái)自母材表面，所以固態(tài)釬料自下而上融化;但在涂覆位置的邊緣，釬料融化略快于其他位置，如圖9所示，底部釬料向內凹陷。隨著(zhù)液態(tài)釬料體積不斷增大，部分釬料在母材表面鋪展，并向兩側流動(dòng)，逐漸堆積成長(cháng)，形成尺寸較大的“焊瘤”。圖10(b)中t=3.2s時(shí)的釬料總體分布看出，母材的斜面底部同樣堆積著(zhù)部分釬料，形成長(cháng)條形“焊瘤”，容易引起應力集中。

圖11給出了不同時(shí)刻下的流場(chǎng)溫度分布。不同時(shí)刻下的釬料頂端的溫度場(chǎng)幾乎沒(méi)有變化，這是因為外部計算區域內充滿(mǎn)空氣，釬料與空氣之間的熱效率遠低于釬料和母材之間，故空氣對釬料的溫度控制影響是微乎其微的。釬料底部溫度隨著(zhù)母材升溫迅速上升，由于相變潛熱的存在，使得上方釬料溫度分布始終保持在熔點(diǎn)以下(1470.0K)。

釬焊過(guò)程中，難以直接觀(guān)察到真空爐內釬料融化-填充過(guò)程，工人通常根據經(jīng)驗來(lái)把握釬焊的整個(gè)過(guò)程。在實(shí)際工藝中，為了準確把控釬料流動(dòng)過(guò)程，提高接頭成型質(zhì)量，根據釬焊時(shí)間(t)和溫度(T)擬合出關(guān)于焊縫內釬料體積比的經(jīng)驗公式為

式(8)中：V^{prime}為焊縫內釬料體積占比;A、B均為常數，且A=0.1785，B=276.8391。

根據經(jīng)驗公式繪制的焊縫內釬料體積比曲線(xiàn)如圖12所示。經(jīng)驗函數的釬料體積比隨時(shí)間、溫度的變化和數值模擬結果比較吻合，但在t=1~s內的預測結果略差。

5結論

基于VOF流體體積多相流方法，建立了高溫合金釬焊真空爐中鎳基釬料融化-潤濕填充焊縫的流動(dòng)模型，研究了液態(tài)釬料在表面張力與重力的驅動(dòng)下，在焊縫中進(jìn)行潤濕、鋪展的行為。得到結論如下。

(1)還原了真空爐內固態(tài)釬料融化為液態(tài)釬料，并在毛細作用下填充焊縫的過(guò)程。釬焊填充效果良好，焊縫內均勻充滿(mǎn)釬料。驗證了釬焊工藝的釬料布置、焊縫間距設置和溫度控制的合理性。

(2)由于所設置涂覆釬料體積過(guò)大，通過(guò)釬料相的分布，觀(guān)察到了釬料流失和“焊瘤”等釬焊不足的現象。

(3)給出了關(guān)于時(shí)間(t)和溫度(T)的釬料填充焊縫體積比的經(jīng)驗公式，為實(shí)際釬焊過(guò)程中把控焊縫填充過(guò)程提供參考。