搭接接頭直線(xiàn)往返擺動(dòng)焊溫度及應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬

肖翰林，姬書(shū)得，方喜風(fēng)，王 新，高雙勝 ，王玉曉

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136；2.南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司 技術(shù)工程部，山東 青島 266111)

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航空宇航工程

搭接接頭直線(xiàn)往返擺動(dòng)焊溫度及應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬

肖翰林1，姬書(shū)得1，方喜風(fēng)2，王 新2，高雙勝1，王玉曉1

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136；2.南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司 技術(shù)工程部，山東 青島 266111)

在焊接工程中采用直線(xiàn)往返擺動(dòng)焊接，利用有限元軟件SYSWELD進(jìn)行了MIG焊接搭接接頭的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬。結(jié)果表明，溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律都與直線(xiàn)往返擺動(dòng)的運(yùn)絲方式有關(guān)，在擺動(dòng)焊接過(guò)程中，焊縫的部分區(qū)域被周期性的二次加熱，一次加熱區(qū)的溫度峰值(875 ℃)要低于二次加熱區(qū)域的溫度峰值(967 ℃)，縱向殘余應(yīng)力在焊縫和熱影響區(qū)主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力?？v向殘余拉應(yīng)力在焊縫區(qū)域呈周期性的波動(dòng)，且后焊區(qū)域的值高于先焊區(qū)域。

直線(xiàn)往返擺動(dòng)焊；搭接接頭；溫度場(chǎng)；殘余應(yīng)力場(chǎng)

為了使一次焊接獲得較寬的焊縫，減少焊道次數(shù)，在實(shí)際焊接中常常使用擺動(dòng)焊接，這種焊接工藝可以大幅縮短焊接時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，因此，此工藝在實(shí)際焊接中應(yīng)用廣泛，并且逐漸趨于成熟。對(duì)于熔化焊接過(guò)程的數(shù)值模擬，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究的工藝有兩種：非擺動(dòng)(直線(xiàn)運(yùn)絲)[1]和“Z”字型擺動(dòng)[2-8]。姬書(shū)得等人[2]利用串狀熱源模型對(duì)手工擺動(dòng)焊接過(guò)程的溫度及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了模擬。蹤雪梅等人[4]根據(jù)電弧擺動(dòng)的方向和速度特點(diǎn)，建立了階梯模型，并用它模擬擺動(dòng)焊過(guò)程的溫度場(chǎng)。李晉梅等人[5]利用有限元軟件ANSYS，基于帶狀熱源模擬了“Z”字型擺動(dòng)焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)。但目前未見(jiàn)到關(guān)于模擬直線(xiàn)往返擺動(dòng)工藝的相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

本文利用焊接專(zhuān)業(yè)有限元軟件SYSWELD，以實(shí)際焊接中使用的直線(xiàn)往返擺動(dòng)焊接方式為例，對(duì)MIG焊接搭接接頭過(guò)程的溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為實(shí)際焊接過(guò)程中運(yùn)絲方式的選擇提供了理論依據(jù)。

1 MIG焊的有限元模型

1.1 模型材料及網(wǎng)格劃分

焊絲采用SAF-ER5356，板件材料為A7N01-T4鋁合金，接頭形式為搭接接頭，上下兩板尺寸相同，均為500mm×150mm×12mm，上板開(kāi)有55°的坡口。同時(shí)，模擬用的兩種材料在不同溫度下的熱物理性能參數(shù)(如密度、熱導(dǎo)率和比熱容)和力學(xué)性能參數(shù)(如屈服強(qiáng)度、泊松比、彈性模量和線(xiàn)膨脹系數(shù))見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。根據(jù)SYSWELD材料庫(kù)的結(jié)構(gòu)形式，把相應(yīng)的材料參數(shù)輸入到材料庫(kù)文件中，建立了焊絲SAF-ER5356和A7N01-T4鋁合金的材料庫(kù)文件，用SYSWELD軟件讀取此文件便可進(jìn)行計(jì)算。

搭接接頭的三維實(shí)體模型使用CATIA建立，再用Hypermesh對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成SYSWELD可識(shí)別的網(wǎng)格文件.ASC。在劃分網(wǎng)格過(guò)程中，網(wǎng)格劃分得越細(xì)，計(jì)算的精度越高，同時(shí)消耗的計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)。如果網(wǎng)格劃分得過(guò)于粗大，雖然可以縮短計(jì)算時(shí)間，但是會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果的精度。由于焊縫及其附近區(qū)域的溫度梯度較大，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的溫度梯度較小，為了平衡計(jì)算效率和計(jì)算精度之間的矛盾，在焊縫及其附近區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格細(xì)分，而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域網(wǎng)格劃分得比較粗大。劃分的網(wǎng)格如圖1所示。

1.2 熱源模型及焊接工藝參數(shù)

SYSWELD中提供了多種熱源模型，其中雙橢球熱源模型的熱流密度分布可以反映出沿深度方向焊接束流對(duì)焊接溫度的影響，因此本文采用雙橢球熱源模型來(lái)描述MIG焊接過(guò)程的熱輸入[10-15]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示。

前半部分橢球內(nèi)的熱源分布為：

圖1 模擬用三維網(wǎng)格劃分

x≥0

x<0

ff與fr為前后部分的能量分配參數(shù)，其值分別為1.6和0.4。af,ar,b與c為高斯參數(shù)，af是前半部橢球的長(zhǎng)度，ar是后半部橢球的長(zhǎng)度，b為熔寬的1/2，c為熔深。基于試驗(yàn)結(jié)果，熱源模型中的熔寬、熔深與熱效率分別是10 mm、4 mm與0.7。如圖1(b)所示的焊縫是由兩層兩道組成的；第一層為非擺動(dòng)(直線(xiàn)運(yùn)絲)焊接；第二層為直線(xiàn)往返擺動(dòng)焊接，其焊接過(guò)程中各層的電流與電壓見(jiàn)表1。本文主要分析第二道的擺動(dòng)焊接，擺動(dòng)方式如圖2。

表1 搭接接頭MIG焊的焊接工藝參數(shù)

1.3 其它條件

在模擬過(guò)程中，板件散熱的邊界條件主要考慮其自由表面與空氣的對(duì)流散熱和輻射散熱，設(shè)置暴露在空氣中的總散熱系數(shù)為25 W/m2℃。

圖2 直線(xiàn)往返擺動(dòng)焊接示意圖

第一道與第二道的引弧與收弧處到下板兩端的距離均是10 mm；當(dāng)?shù)谝坏篮附油瓿赡M結(jié)果中的收弧處的溫度降到70℃時(shí)，才開(kāi)始進(jìn)行第二道的焊接模擬；第二道的擺動(dòng)焊接工藝是采用的進(jìn)10 mm退4 mm。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

焊件上的溫度分布反映了復(fù)雜的焊接熱過(guò)程，它是影響焊接質(zhì)量的主要因素。溫度在焊件上的不均勻分布，引起熱應(yīng)變的不均勻，最終直接導(dǎo)致焊后焊件上出現(xiàn)殘余應(yīng)力。圖3給出的是直線(xiàn)往返擺動(dòng)工藝下焊接搭接接頭第二層焊縫的溫度場(chǎng)云圖。通過(guò)分析可以看出，距離焊縫越遠(yuǎn)，材料所經(jīng)歷的溫度峰值越低，這是由于熱源作用在焊縫區(qū)，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)材料的溫度是由熔池區(qū)的熱傳導(dǎo)引起的。由于接頭的第二層焊縫是采用直線(xiàn)往返擺動(dòng)工藝焊接，焊接速度小，坡口處的部分點(diǎn)被重復(fù)加熱，這一現(xiàn)象被稱(chēng)為二次加熱。擺動(dòng)在第二層焊縫上是周期性的，全段都相繼按照擺動(dòng)長(zhǎng)度出現(xiàn)二次加熱，導(dǎo)致溫度升高。一次加熱區(qū)的溫度峰值為875 ℃(圖3(a)與圖3(b))，二次加熱區(qū)的溫度峰值會(huì)更高，達(dá)到967 ℃(圖3(c)與3(d))。綜上，擺動(dòng)工藝會(huì)使焊接的溫度峰值在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng)，導(dǎo)致溫度場(chǎng)的周期性變化。

圖4是圖1(a)與圖1(b)中所示的A、B、C三點(diǎn)的溫度循環(huán)曲線(xiàn)，三點(diǎn)均位于下板件，距離焊趾2 mm；點(diǎn)A和點(diǎn)C距離下板件兩端的距離均是20 mm，點(diǎn)B位于線(xiàn)段AC的中點(diǎn)處。焊接過(guò)程中熱源依次經(jīng)過(guò)A、B、C三點(diǎn)。由于搭接接頭的焊縫是由兩層焊道組成的，第一道焊接結(jié)束，等到收弧處的溫度冷卻到70 ℃時(shí)，才開(kāi)始第二道的焊接，因此，試板上點(diǎn)A、B與C都經(jīng)歷了兩個(gè)加熱和冷卻過(guò)程(見(jiàn)圖4)。

當(dāng)焊接開(kāi)始時(shí)整個(gè)板件的溫度相對(duì)較低，在起弧處，熱源作用于板件時(shí)大量的熱量會(huì)向周?chē)鷶U(kuò)散，導(dǎo)致熔池處的熱量變小，溫度峰值較低，甚至?xí)?dǎo)致起弧處不能完全熔化。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，板件的溫度逐漸升高，熱源作用在溫度較高的板件上時(shí)，向周?chē)鷶U(kuò)散的熱量較少，因此導(dǎo)致了焊接過(guò)程熔池區(qū)的溫度峰值逐漸升高。收弧處，由于焊接熱輸入效率未改變，但散熱面積減少，導(dǎo)致更多的熱量集中于熔池區(qū)，造成收弧處的溫度峰值急劇上升。在焊接過(guò)程中，熔池區(qū)的熱量將向四周傳遞，使鄰近區(qū)域溫度升高。因此，高的熔池區(qū)溫度會(huì)使鄰近區(qū)域的材料也經(jīng)歷較高的溫度。上述就是點(diǎn)A、B、C三點(diǎn)的溫度峰值依次逐漸升高的原因(見(jiàn)圖4)。由于采用了直線(xiàn)往返擺動(dòng)焊接工藝，在焊接第二道時(shí)部分區(qū)域(如圖4中的C點(diǎn)的溫度循環(huán)曲線(xiàn))將在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)溫度峰值，在“Z”字形擺動(dòng)的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果中也出現(xiàn)了類(lèi)似的情況[3]。

圖3 擺動(dòng)工藝下焊接時(shí)的溫度場(chǎng)云圖

圖4 點(diǎn)A、B與C的溫度循環(huán)曲線(xiàn)

2.2 應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果

圖5是直線(xiàn)往返擺動(dòng)工藝下搭接接頭的縱向殘余應(yīng)力場(chǎng)云圖，圖6是焊縫表面上各點(diǎn)的縱向殘余應(yīng)力分布規(guī)律。通過(guò)分析可以得出，縱向殘余拉應(yīng)力主要集中在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)，這與“Z”字形擺動(dòng)的表面縱向殘余應(yīng)力模擬結(jié)果相似[6]；隨著到焊縫距離的增加，殘余拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，最后應(yīng)力值逐漸趨近于0。同時(shí)，由于溫度場(chǎng)的不均勻造成了焊縫的前后兩端為殘余壓應(yīng)力，中間為殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力和壓應(yīng)力在整個(gè)焊縫上趨近于平衡(圖5)。由于焊縫區(qū)域的材料經(jīng)歷了較大的溫度變化梯度，先被加熱到熔化狀態(tài)后再冷卻，在室溫時(shí)焊縫存在殘余壓縮塑性應(yīng)變，因此，焊縫區(qū)域有高的縱向殘余拉應(yīng)力。熱影響區(qū)的部分溫度峰值高于金屬材料的液相線(xiàn)，使原子的擴(kuò)散能力變強(qiáng)，晶界遷移力大于阻力，因此晶粒獲得了很大的能量發(fā)生聚集和長(zhǎng)大，這就導(dǎo)致了熱影響區(qū)發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象生成大晶粒，長(zhǎng)大的晶粒消除了焊縫區(qū)的部分拉應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫區(qū)的殘余拉應(yīng)力低于熱影響區(qū)。

在擺動(dòng)工藝下，焊縫區(qū)域所經(jīng)歷的溫度峰值在一定范圍內(nèi)呈周期性變化。一次加熱區(qū)的溫度峰值低于二次加熱區(qū)，溫度峰值的不同會(huì)導(dǎo)致焊后的殘余應(yīng)力值不同，因此，焊縫不同區(qū)域的殘余應(yīng)力峰值呈周期性波動(dòng)，如圖6所示。同時(shí)，隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，熔池區(qū)的溫度峰值逐漸升高，導(dǎo)致焊縫處的縱向殘余拉應(yīng)力值亦呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，即后焊區(qū)域的殘余拉應(yīng)力高于先焊區(qū)域(圖6)。而“Z”字形擺動(dòng)的沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力值在焊縫中部基本一致[2]，不存在波動(dòng)和逐漸上升的現(xiàn)象。焊工根據(jù)焊接接頭形式、裝配間隙和焊條直徑等因素合理的選擇不同的擺動(dòng)方式，直線(xiàn)往返擺動(dòng)與“Z”字形擺動(dòng)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用情況，因此這兩種擺動(dòng)方式在實(shí)際焊接中都被廣泛應(yīng)用。

圖5 搭接接頭的縱向殘余應(yīng)力場(chǎng)云圖

圖6 沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力分布

3 結(jié)論

采用有限元軟件SYSWELD對(duì)直線(xiàn)往返擺動(dòng)焊接過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

(1)由于采用直線(xiàn)往返擺動(dòng)工藝，焊縫的部分區(qū)域經(jīng)歷了周期性的二次加熱，一次加熱區(qū)的溫度峰值為875℃，二次加熱區(qū)的溫度峰值為967℃；對(duì)于高熱傳導(dǎo)率的鋁合金來(lái)說(shuō)，焊接溫度峰值隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行而逐漸升高。

(2)焊件的縱向殘余拉應(yīng)力主要集中在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)；焊縫區(qū)的縱向殘余拉應(yīng)力分布呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，這是由于溫度場(chǎng)呈周期性變化；焊縫后焊區(qū)域的縱向殘余拉應(yīng)力值高于先焊區(qū)域。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉敬鈺)

Numerical simulation of temperature and stress field of lap joint during the LRSW process

XIAO Han-lin1,JI Shu-de1,FANG Xi-feng2,WANG Xin2,GAO Shuang-sheng1,WANG Yu-xiao1

(1.Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.Technical Engineering Department,CSR Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.,Ltd.,Qingdao 266111,China)

Linear reciprocating swing welding (LRSW),which has been widely used in the welding process,is simulated by the temperature field and stress field of MIG welded lap joint with the finite element software SYSWELD.The results of numerical simulation show that the distribution of temperature field and stress field is related to the wire-feeding mode of LRSW.The twice heating zones periodically appear along the weld in the process of LRSW and the peak temperature of once heating zone (875 ℃) is lower than that of twice heating zone (967 ℃).The tensile longitudinal residual stress mainly turns up in the weld and heating affected zone,while the value along the weld fluctuates periodically.The residual stress of rear welding region is higher than that of prior welding region.

linear reciprocating swing welding;Lap joint;temperature field;residual stress field

2015-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：51204111)；航空科學(xué)基金(項(xiàng)目編號(hào)：2013ZE54021，2014ZE54021)

肖翰林(1990-)，男，吉林白山人，碩士研究生,主要研究方向：焊接過(guò)程有限元仿真;E-mail: faithxhl@126.com；姬書(shū)得，男，河北滄州人，副教授，主要研究方向：焊接工藝及機(jī)理;E-mail:superjsd@163.com。

2095-1248(2015)04-0001-05

TG453

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.04.001