Invar鋼自動(dòng)MIG焊接的有限元仿真

張新建

摘? 要：Invar鋼低溫膨脹系數(shù)很低，而且與復(fù)合材料本身極為相近，成為復(fù)合材料成型模具的首選材料。而大型模具一次成型困難，較常用的方式是通過(guò)焊接技術(shù)進(jìn)行組合制造。本文對(duì)Invar鋼MIG焊接試片件進(jìn)行焊接過(guò)程的有限元計(jì)算，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，并以此有限元模型為基礎(chǔ)，開展六板拼接的大型Invar鋼焊接過(guò)程的有限元分析，獲得大型拼接結(jié)構(gòu)的焊接變形及應(yīng)力分布，為后續(xù)大型Invar鋼模具的焊接制造提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：Invar鋼? MIG焊接? 多層多道焊? 有限元仿真

中圖分類號(hào)：TP15? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（b）-0079-05

Abstract：The low-temperature expansion coefficient of Invar steel is very low， and it is very similar to the composite material， making it the first choice for composite molds.The large-scale mold is difficult to form at one time， and the commonly method is to assemble each part through welding technology.In this paper， the finite element calculation of the welding process of the Invar steel MIG welding test piece is carried out. The accuracy of the model is verified by comparison with the experimental value. Based on the finite element model， the welding process of the large Invar steel welding of six plates is applied. The welding deformation and stress distribution of large scale structure is obtained， which provide guidance for the subsequent welding manufacturing of large Invar steel molds.

Key Words： Invar steel; MIG welding; Multi-layer and multi-pass welding; Finite element simulation

近年來(lái)，由于突出的比強(qiáng)度、比剛度和隱身性能，復(fù)合材料在航空領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的應(yīng)用，并逐漸向大型主結(jié)構(gòu)發(fā)展。目前復(fù)合材料零件的制備是使用設(shè)計(jì)制造的模具將材料的復(fù)合與成型同時(shí)完成，并且固化后型面不再進(jìn)行加工。因此，成型模具是影響復(fù)合材料零件成型優(yōu)劣的重要因素。Invar鋼材料在低溫下具有極低、且與復(fù)材相近的熱膨脹系數(shù)，可保證復(fù)材成型的尺寸精準(zhǔn)度，成為制造復(fù)材模具的首選[1-3]。大尺寸的飛機(jī)復(fù)合材料零件需求大尺寸的成型模具，但大型Invar鋼模具難以一次成型，目前通常采用焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行其生產(chǎn)制造。傳統(tǒng)的手工電弧焊接生產(chǎn)工序繁瑣、效率低同時(shí)質(zhì)量穩(wěn)定性差，對(duì)焊接技術(shù)工人的要求較高，故機(jī)器人自動(dòng)化的焊接方式將成為焊接技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[4-6]。

厚板因瓦鋼通常需要經(jīng)過(guò)多層多道焊接，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行焊接工藝優(yōu)化周期長(zhǎng)，且需耗費(fèi)大量的人力物力。近年來(lái)，不斷發(fā)展的有限元仿真方法成為解決此問(wèn)題有效手段。本文首先對(duì)60°坡口、1mm鈍邊的19.05mm厚Invar鋼對(duì)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行4層共10道焊縫的MIG焊接過(guò)程仿真分析，同層多道焊縫采用從兩邊到中間的焊接順序，焊接參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)與工藝試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證模型的可行性，并在此基礎(chǔ)上對(duì)多板組合的Invar鋼拼焊過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

1? 試片件焊接的有限元分析

1.1 焊接過(guò)程的有限元建模

由于近焊縫區(qū)域溫度梯度較大，需要較細(xì)的網(wǎng)格保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，而完全細(xì)化網(wǎng)格將導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的延長(zhǎng)。故綜合處理計(jì)算效率和計(jì)算精度問(wèn)題，采用過(guò)渡法完成網(wǎng)格模型構(gòu)建。

焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的計(jì)算需代入Invar鋼材料的熱物理性能參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)（熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱、熱膨脹系數(shù)、彈性模量和屈服強(qiáng)度等），這些非線性參數(shù)在800℃以下采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試值，高溫區(qū)作線性外推處理。

熱邊界條件包括焊接熱源及表面換熱條件。根據(jù)MIG焊接時(shí)熱流向厚度方向延伸、同時(shí)在焊接速度影響下形成非對(duì)稱橢球的特性，焊接熱源選用雙橢球熱源模型。該模型內(nèi)熱流密度在半橢球體內(nèi)按高斯函數(shù)正態(tài)分布，中心有最大值，從中心到邊緣呈指數(shù)曲線下降。計(jì)算時(shí)，焊件表面與周圍介質(zhì)的換熱作用主要包括對(duì)流和輻射。

焊接過(guò)程的力學(xué)邊界根據(jù)實(shí)際的四角裝夾情況進(jìn)行加載。有限元計(jì)算的過(guò)程除整個(gè)多層多道焊接之外，還包括焊接之后在自由狀態(tài)下的冷卻和卸載之后對(duì)應(yīng)力釋放。為防止構(gòu)件發(fā)生剛性位移，應(yīng)力釋放過(guò)程的力學(xué)邊界對(duì)構(gòu)件三個(gè)底部頂角節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定。

1.2 焊接變形與應(yīng)力仿真結(jié)果分析

圖2和圖3所示為焊接過(guò)程結(jié)束瞬時(shí)的溫度場(chǎng)及應(yīng)力分布情況。

由圖2可知，焊接結(jié)束瞬時(shí)的最高溫度為2312℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了Invar合金的熔點(diǎn)，中心達(dá)到熔化狀態(tài)形成焊接熔池。溫度的分布在焊接后方形成常常的拖尾，符合雙橢球熱源的分布特征。

從圖3可以看出，電弧前端位置為壓應(yīng)力，這是由于此處材料受熱膨脹，受到周圍材料的擠壓所致。另外，由于采用了四角裝夾方式，在構(gòu)件的相應(yīng)位置產(chǎn)生了應(yīng)力集中，且由于焊縫處的收縮，導(dǎo)致四角受拉，呈現(xiàn)較高的拉應(yīng)力。

卸載之后的焊接變形情況如圖4所示。由圖4可知，焊接變形表現(xiàn)為焊縫處的收縮下陷和遠(yuǎn)離焊縫處的上翹。計(jì)算得到的焊接角變形為4.62mm，折算為角度表示為5.31°，實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)后測(cè)得的變形值為5.24°，準(zhǔn)確度98.6%。誤差可能來(lái)源于對(duì)材料屬性的近似及熔池內(nèi)部反應(yīng)等的忽略處理等。

總體來(lái)說(shuō)，焊接過(guò)程有限元計(jì)算結(jié)果基本與實(shí)驗(yàn)吻合。因此，該有限元模型的簡(jiǎn)化假設(shè)、網(wǎng)格劃分、材料參數(shù)、熱力學(xué)邊界等設(shè)置合理，可用于后續(xù)大尺寸件的焊接結(jié)果仿真預(yù)測(cè)。

2? 大型構(gòu)件拼焊過(guò)程的有限元分析

本節(jié)采用有限元建模方法進(jìn)行多板大尺寸件的拼焊效果仿真預(yù)測(cè)。六塊平板中有兩種尺寸：1400mm×1750mm×19mm板四塊，700mm× 1750mm×19mm板兩塊，均開V型坡口。拼焊后的尺寸為3500mm×3500mm×19mm，構(gòu)件形式見(jiàn)圖5。

拼接結(jié)構(gòu)存在交叉焊縫，網(wǎng)格劃分時(shí)存在相貫線。首先對(duì)結(jié)構(gòu)的焊縫交叉處進(jìn)行網(wǎng)格劃分，找到相鄰兩焊縫對(duì)稱面，采用焊縫單元向?qū)ΨQ面投影的方式來(lái)解決相貫線處的網(wǎng)格劃分難的問(wèn)題。最終得到圖3.2所示網(wǎng)格模型，網(wǎng)格模型共含節(jié)點(diǎn)192188個(gè)，單元165584個(gè)。

拼接模型涉及多條焊縫，本文按圖7所示焊接順序進(jìn)行焊縫設(shè)計(jì)和有限元分析。

焊接完成后，變形及應(yīng)力分布情況如圖6和圖7所示。

由圖6可見(jiàn)，中間兩塊板材的亮黃色位置為最大變形處，由多條焊縫的影響復(fù)合而成，表現(xiàn)為中間鼓起。正式焊接時(shí)應(yīng)對(duì)此處施加強(qiáng)約束，減小變形。

由圖7可知，應(yīng)力主要集中在各焊縫周圍，在焊接起始端和終止端較為明顯。但應(yīng)力的最大值分布在裝夾位置和焊縫兩端，交叉位置的應(yīng)力值并不大。這可能是由于反復(fù)的加熱造成了部分的應(yīng)力釋放所致。但多次加熱會(huì)造成交叉焊縫晶粒粗大，產(chǎn)生缺陷的幾率增大，導(dǎo)致性能下降。

3? 結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)小尺寸試片件的焊接進(jìn)行有限元仿真分析，通過(guò)焊接變形仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)值得對(duì)比驗(yàn)證仿真策略和模型的準(zhǔn)確性，并采用此策略進(jìn)行了大尺寸、多板拼焊的結(jié)果預(yù)測(cè)，獲得焊接變形和應(yīng)力分布結(jié)果，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的方案制定提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 李細(xì)鋒，陳楠楠，李佼佼，等.溫度與應(yīng)變速率對(duì)Invar36合金變形行為的影響[J].金屬學(xué)報(bào)，2017，53（8）：968-974.

[2] 郝巨，李明祥，范喜祥，等.大型復(fù)合材料Invar鋼模具型板預(yù)成形適應(yīng)性研究[J].航空制造技術(shù)，2019，62（7）：74-78

[3] 劉紅昌，范喜祥，趙明明，等.Invar鋼多層擺動(dòng)焊接過(guò)程的數(shù)值模擬[J].焊接，2019（3）：50-55.

[4] 安興華.探究復(fù)合材料Invar模具制造技術(shù)[J].科技風(fēng)，2018（25）：114.

[5] 李玉楊，趙安安，張禮康，等.復(fù)合材料制件Invar鋼光順模具型板沖壓成形回彈性能研究[J].航空制造技術(shù)，2019（4）：95-101.

[6] 田龍，張香成.三維編織復(fù)合材料力學(xué)性能研究進(jìn)展[J].科技資訊，2016，14（5）：65-66.

[7] 汪周斌，付曉陽(yáng).復(fù)合材料加工技術(shù)研究[J].科技資訊，2017（21）：58，60.