船用1561鋁合金薄板TIG電弧加熱矯正的有限元分析

孫宏坤 聶黎軍 余洋 李東 閆德俊

摘? ? 要：近年來，TIG 電弧加熱矯正焊接變形越來越多的應(yīng)用于船舶生產(chǎn)中。本文采用有限元分析軟件對TIG電弧矯正工藝進(jìn)行研究，對船用1561鋁合金TIG熱矯正過程進(jìn)行有限元模擬，分析電弧擺動寬度、電弧擺動速度等對鋁合金變形矯正工藝的影響，為實際生產(chǎn)中TIG 電弧熱矯形的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。結(jié)果表明，為實現(xiàn)有效的電弧矯形效果，產(chǎn)生足夠大塑性應(yīng)變區(qū)域的同時，還要保證電弧加熱時間和熱輸入以產(chǎn)生較大的橫向塑性應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生足夠大的面外變形，用以抵消船體結(jié)構(gòu)的焊后變形。

關(guān)鍵詞：電弧矯正;數(shù)值模擬;鋁合金

中圖分類號：TG441.8 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Finite Element Analysis of TIG Arc Heating Straightening of Marine 1561 Aluminum Alloy Sheet

SUN Hongkun， NIE Lijun， YU Yang， LI Dong， YAN Dejun

（ 1. The First Military Representative Office of Navy in Guangzhou， Guangzhou 510715;

2.Key Enterprise Laboratory of Ship Advanced Welding Technology， CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited， Guangzhou 510715 ）

Abstract：? In recent years， TIG arc heating straightening welding deformation has been increasingly used in ship production. This paper uses finite element analysis software to study the TIG arc straightening process， simulates the TIG hot straightening process of the marine 1561 aluminum alloy， analyzes the influence of the swing arc width and arc swing speed on the deformation correction process of the aluminum alloy， provides theoretical guidance for the application of TIG arc heating straightening in actual production. The results show that in order to achieve an effective arc straightening effect， a large enough plastic strain area should be generated， and the arc heating time and heat input should also be ensured to create a large lateral plastic strain， thereby creating a large enough external deformation to offset the post-welding deformation of the hull structure.

Key words： Arc straightening; Numerical simulation; Aluminum alloy

1? ? ?前言

為實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)輕量化，鋁合金憑借其比重和彈性模量小、耐腐蝕、可焊接、易加工、無磁性和低溫性能好等特點，已成為船舶的主要結(jié)構(gòu)材料之一， 在船舶制造行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。然而，由于鋁合金具有較高的熱膨脹系數(shù)和較大的導(dǎo)熱系數(shù)，難以控制其在焊接時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形。焊接引起的變形會造成結(jié)構(gòu)精度不符合要求、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計要求等嚴(yán)重后果，給下一階段的各工種帶來裝配精度問題。

焊后變形矯正措施，主要分為機(jī)械矯正法和熱矯正法：機(jī)械矯正通常用于矯正材料塑性良好、部件小的變形;目前對鋁合金船體這種大型焊接結(jié)構(gòu)矯形多采用熱矯正，應(yīng)用較多的有水火矯正和電弧矯正方法。

本團(tuán)隊率先提出了利用TIG 電弧加熱矯正焊接變形的方法，并開發(fā)了一套擺速可調(diào)的TIG電弧矯正系統(tǒng)及其電弧矯正裝置， 使加熱表面產(chǎn)生收縮變形以抵消焊接結(jié)構(gòu)焊后變形，實現(xiàn)變形矯正，但沒有明確指出工藝參數(shù)對矯正效果的影響。本文為研究電弧矯正裝置矯正變形效果，采用有限元分析軟件對TIG電弧矯正工藝進(jìn)行研究，基于熱彈塑性有限元方法，充分考慮熱源與材料的特點，對TIG熱矯正過程進(jìn)行有限元模擬，分析電弧擺動寬度、電弧擺動速度等工藝參數(shù)對鋁合金變形矯正效果的影響，進(jìn)而研究電弧矯正工藝對鋁合金焊接變形矯正的效果。

2? ? ?有限元模型建立

2.1? ?材料參數(shù)

本研究所用材料為船用1561鋁合金，材料的部分熱物性參數(shù)見表1所示。假定熱矯正區(qū)域金屬和母材采用相同的熱物性參數(shù)，由于熱矯正區(qū)域峰值溫度不超過500 ℃，所以對于影響模擬分析較大的彈性模量和屈服強(qiáng)度，通過高溫拉伸對 20 ℃～500 ℃的參量進(jìn)行了測量。

2.2? ?網(wǎng)格劃分及子程序開發(fā)

按實際尺寸 1∶1 進(jìn)行建模，1561鋁合金板尺寸為360 mm×180 mm×3 mm。如圖1 a） 所示：通過局部網(wǎng)格細(xì)分，在熱源路徑及其附近區(qū)域采用較密的網(wǎng)格，而在遠(yuǎn)離熱源路徑的地方采用較疏的網(wǎng)格;模型包含48224個單元、72 639個節(jié)點，有限元模型中的拘束僅用來限制模型發(fā)生剛性位移，設(shè)置圖1 b）? 所示位移邊界條件。為實現(xiàn)加熱電弧一方面沿著試板長度方向運動，另一方面在試板寬度方向以一定的頻率進(jìn)行z字形擺動，電弧擺動加熱熱源通過Fortran語言編寫用戶子程序flux.f實現(xiàn)。

3? ? ?有限元模擬及結(jié)果分析

3.1? ?電弧矯正熱源溫度場分析

通過子程序設(shè)置熱源前進(jìn)速度為3 mm/s、擺動速度為30 mm/s、熱源擺動寬度為50 mm、電弧加熱最高溫度為350 ℃。圖2為某時刻熱源情況，熱源在板兩側(cè)形成溫度梯度，電弧加熱側(cè)溫度高且受熱范圍大，使得收縮量大于背面，從而形成在受熱區(qū)向下彎曲變形;矯正變形量的多少，取決于受熱區(qū)板兩側(cè)收縮量的大小。若兩側(cè)收縮量之差較大，則矯正變形量較大。

以擺動寬度50 mm為例進(jìn)行分析：圖3為TIG熱矯正橫向應(yīng)力分布圖，電弧在由擺動中心向一側(cè)擺動后，反向繼續(xù)加熱，使得電弧加熱區(qū)反復(fù)受熱，則會出現(xiàn)擺動覆蓋區(qū)域受壓縮作用、前進(jìn)方向兩側(cè)受拉伸作用;同時，在電弧擺動覆蓋區(qū)域，板的橫向應(yīng)力左右前后以及橫截面處呈交替拉應(yīng)力與壓應(yīng)力對稱平衡狀態(tài)。

圖4為板中間局部塑性應(yīng)變分布，分布特征類似于橫向應(yīng)力分布。由于電弧加熱側(cè)溫度高且受熱范圍大，所以電弧加熱側(cè)產(chǎn)生的塑性應(yīng)變大于試板背面，使得板向熱源一側(cè)產(chǎn)生面外變形，利用這種電弧加熱產(chǎn)生的變形效果，通過抵消鋁合金船體焊后變形實現(xiàn)矯形。

3.2? ?熱源擺動寬度對變形矯正的影響

通過子程序設(shè)置熱源的溫度大?。ㄗ罡邷囟葹?50 ℃）、前進(jìn)速度為3 mm/s、擺動速度為30 mm/s、熱源擺動寬度分別為20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm，邊界條件及其他相關(guān)設(shè)置與上述模型一致。圖5為TIG熱矯正有限元模擬的面外變形云圖。

從圖5模擬結(jié)果可以看出：TIG熱矯正接觸區(qū)域變形下凹、兩側(cè)變形向上翹起、板邊緣向矯正區(qū)收縮;熱源擺動寬度分別為20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm時的相對應(yīng)面外變形，分別為2.3 mm、2.8 mm、3.4 mm、3.6 mm、3.3 mm、2.4 mm?？梢钥闯觯?dāng)熱源擺動寬度為50 mm時，板產(chǎn)生的面外變形量最大;

圖6為不同擺動速度橫向塑性應(yīng)變云圖。從圖6可以看出：在相同前進(jìn)速度和擺動速度條件下，擺動寬度越小則熱源側(cè)壓縮塑性應(yīng)變峰值越大，但熱源在一個擺動周期內(nèi)的加熱區(qū)域產(chǎn)生的塑性應(yīng)變總值較小，從而導(dǎo)致板產(chǎn)生的面外變形較小。因此，當(dāng)熱源前進(jìn)速度為3 mm/s時、擺動速度為30 mm/s時、擺動寬度為50 mm時，矯形效果更好。

3.3? ?熱源擺動速度對變形矯正的影響

調(diào)整擺動速度分別為10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s、40 mm/s、50 mm/s，熱源擺動寬度為50 mm，熱源前進(jìn)速度為3 mm/s，其余設(shè)置與上述模型一致，進(jìn)行有限元模擬：擺動速度分別為10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s、40 mm/s、50 mm/s時，對應(yīng)的最大面外變形為1.4 mm、2.6 mm、2.9 mm、2.85 mm、2.5 mm。可以看出，在相同前進(jìn)速度和擺動寬度下，擺動速度分別為10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s時，擺動速度越大則最大面外變形也越大;

圖7為不同擺動速度橫向塑性應(yīng)變云圖。從圖7可以看出：在相同前進(jìn)速度條件下，擺動速度越快對同一單位時間內(nèi)產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變區(qū)域越大，導(dǎo)致最大面外變形也變大。當(dāng)擺動速度由30 mm/s增加至40 mm/s、50 mm/s時，擺動速度增大，熱源接觸面產(chǎn)生橫向塑性應(yīng)變密度差別不大;而在橫截面處，產(chǎn)生塑性應(yīng)變量減少，最大面外變形減小，這是由于擺動速度過快，熱源在板上某一固定位置停留時間縮短，導(dǎo)致熱輸入下降，從而使溫度下降，使得矯正變形量越小?？梢缘贸鲈跀[動寬度為50 mm、熱源前進(jìn)速度為3 mm/s、擺動速度30 mm/s時矯形效果更好。

3.4? ?板厚對變形矯正的影響

調(diào)整板厚分別為3 mm、4 mm、5 mm，熱源擺動寬度為50 mm，熱源前進(jìn)速度為3 mm/s，擺動速度為30 mm/s，熱源的最高溫度為350 ℃，其余設(shè)置與上述模型一致，進(jìn)行有限元模擬：圖8為板厚分別為3 mm、4 mm、5 mm時，同一時刻電弧加熱的溫度場分布情況。可以看出，在同樣的熱輸入下，板厚越薄則形成溫度場范圍越大、板背面溫度越高，從而促進(jìn)變形;板厚越厚則板背面溫度越低、剛度更大，使得變形量越小;

圖9為板厚分別為3 mm、4 mm、5 mm時，板的面外變形情況.可以看出，3 mm厚板最大面外變形為3.6 mm、4 mm厚板最大面外變形為0.4 mm、5 mm厚板幾乎沒有變形，說明了電弧矯正適用于薄板的變形矯正。

4? ? ?結(jié)論

（1）在相同前進(jìn)速度和擺動速度條件下，擺動寬度越寬則橫向塑性應(yīng)變值越小，但單位擺動周期內(nèi)產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變區(qū)域越大。故為保證產(chǎn)生足夠面外變形抵消船體結(jié)構(gòu)焊后變形，應(yīng)選用合適工藝參數(shù)，使加熱區(qū)域內(nèi)熱源側(cè)塑性應(yīng)變總值足夠大;

（2）在相同前進(jìn)速度和擺動寬度條件下，擺動速度越快則同一單位時間內(nèi)產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變區(qū)域越大。但同時還需要保證充足的高溫停留時間，使熱源在加熱部位產(chǎn)生足夠大的橫向塑性應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生足夠面外變形，用以抵消船體結(jié)構(gòu)焊后變形;

（3）通過有限元模擬，得出電弧加熱矯正方法是一種矯正薄板變形的有效手段，板厚越薄則電弧矯正效果越好。

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