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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (11): 2224-2232    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.11.018
机械工程     
45钢/锡铅合金复合结构熔融沉积中熔滴过渡行为
徐思远(),杜军,赵光喜,魏正英*()
西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049
Droplet transfer behavior in fused-deposition of 45 steel/tin lead alloy bimetallic structures
Si-yuan XU(),Jun DU,Guang-xi ZHAO,Zheng-ying WEI*()
State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
 全文: PDF(2222 KB)   HTML
摘要：

面向45钢/锡铅合金复合结构熔融沉积过程中的锡铅合金熔滴与钨极惰性气体保护焊（TIG）焊接熔池的匹配性需求，基于有限差分方法，采用流体体积法（VOF）建立微喷熔滴形态演变过程数值计算模型，分别研究压电驱动式熔滴微喷过程中压电激振驱动参数和喷头内结构参数对于产生熔滴的尺寸及速度的作用和变化规律. 研究发现，当喷孔直径为0.5~0.6 mm，喷孔深度为5~6 mm，环隙为4~5 mm时，锡铅合金熔滴具有较高的球形度，熔滴可控性较好. 压电陶瓷激振频率和驱动行程对于锡铅合金熔滴尺寸影响不明显，熔滴速度随激振频率和驱动行程的增大而增大. 对比数值计算结果与实验结果，发现锡铅合金熔滴尺寸与熔滴速度最大误差均小于10%，表明利用数值计算模型对熔滴微喷过程进行分析较可信.
关键词： 压电驱动式;  微滴喷射;  有限差分;  数值仿真;  异种金属    
Abstract:

A numerical calculation model for the morphological evolution process of micro-droplet ejection was established by the method of volume of fluid (VOF), in order to meet the requirements of tungsten inert gas welding (TIG) welding pool and tin-lead alloy droplet matching in 45 steel/tin lead alloy bimetallic structures fused-deposition fabrication process. The effects and the change rules of driving parameters of piezoelectric vibration and internal structural parameters of nozzle on the size and velocity of the droplet were described in the process of piezoelectric driven droplet micro-ejection. Results showed that the droplets had a high sphericity and good controllability in the case of 0.5~0.6 mm nozzle diameter, 5~6 mm nozzle depth, and 4~5 mm annular gap. The influence of excitation frequency and driving amplitude on droplet size was not obvious, and the droplet velocity increased with the increase of excitation frequency and driving amplitude. Comparison between numerical and experimental results showed that the maximum error of droplet size and droplet velocity was less than 10%, indicating that the numerical model is reliable to analyze the droplet micro-ejection process.
Key words: piezoelectric driven    micro-droplet ejection    finite difference method    numerical simulation    dissimilar metal
收稿日期: 2019-11-26 出版日期: 2020-12-15
CLC:  TG 142  
基金资助: 江苏高校省级重点实验室开放研究资助项目（KJS1809）
通讯作者: 魏正英     E-mail: 594579561@qq.com;zywei@mail.xjtu.edu.cn
作者简介: 徐思远（1994—），男，硕士，从事3D打印研究. orcid.org/0000-0002-5984-6663. E-mail： 594579561@qq.com
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徐思远
杜军
赵光喜
魏正英

引用本文:

徐思远,杜军,赵光喜,魏正英. 45钢/锡铅合金复合结构熔融沉积中熔滴过渡行为[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(11): 2224-2232.

Si-yuan XU,Jun DU,Guang-xi ZHAO,Zheng-ying WEI. Droplet transfer behavior in fused-deposition of 45 steel/tin lead alloy bimetallic structures. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(11): 2224-2232.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.11.018    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I11/2224

几何参数 取值/mm
激振杆杆部直径 10
喷头内部直径 40
激振杆端部直径 34
激振杆端部厚度 5
喷头高度 20
表 1  数值模型几何参数
材料物性 取值
密度/（kg?m?3） 8850
黏度/（Pa·s） 1.3×10?3
表面张力/（N?m?1） 0.48
热导率/（W·m?1·K?1） 436
比热容/（J?kg?1·K?1） 175
液相温度/°C 228
表 2  Sn40Pb60材料物性参数及初始条件
图 1  异种金属复合结构成形系统示意图
图 2  熔滴微喷过程数值计算模型二维简图
图 3  梯形波下激振杆位移-时间图
图 4  压电驱动熔滴微喷模型及网格划分
f /Hz x /μm D /mm H /mm h /mm d /mm
10 40 0.3 2 1 1
50 50 0.4 3 2 2
100 60 0.5 4 3 3
150 70 0.6 5 4 4
200 80 0.7 6 5 5
表 3  单因素试验各参数取值
图 5  实验装置整体分布图及熔滴驱动部分原理图
图 6  熔滴产生过程各阶段压力场云图
图 7  熔滴产生过程各阶段速度场云图
图 8  熔滴飞行过程CCD捕捉
图 9  熔滴宏观形貌及SEM图
图 10  环隙为1 mm时的喷头内熔体速度云图
图 11  环隙为2 mm时的喷头内熔体压力云图
图 12  不同环隙下熔滴尺寸及熔滴速度
图 13  熔体沿环隙回流
图 14  不同喷孔直径下熔滴尺寸及熔滴速度
图 15  不同喷孔深度下熔滴尺寸及熔滴速度
图 16  激振杆底面距喷孔不同高度下熔滴尺寸及熔滴速度
图 17  不同激振频率及驱动行程下熔滴速度
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