難熔金屬焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬及焊接影響因素研究

蘇棟棟,王世偉,張昭輝,楊政豫

(1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,甘肅 蘭州 730050; 2.蘭州空間技術(shù)物理研究所,甘肅 蘭州 730000)

近年來,真空電子束焊接以其功率密度高、焊接熱輸入量小、零件變形小、焊縫深寬比大等優(yōu)點(diǎn)在異種金屬焊接中有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。然而,異種金屬材料焊接由于金屬化學(xué)成分不同及材料熱物性參數(shù)的差異,往往導(dǎo)致異種金屬焊接過程中焊接熔池不易形成,極大地影響異種金屬的焊接質(zhì)量。因此,異種金屬真空電子束焊接過程影響因素的研究將對(duì)提高焊件質(zhì)量有著重要的意義[4-6]。

在現(xiàn)有電子束焊接數(shù)學(xué)模擬研究工作的基礎(chǔ)之上,使用計(jì)算流體力學(xué)商業(yè)軟件Fluent模擬TC4合金與MoRe47%合金的焊接溫度場(chǎng),在焊接時(shí)分別改變電子束光斑位置、電子束焊接移動(dòng)速度和電子束電流的大小,探究異種金屬焊接過程中溫度場(chǎng)的分布特性,定量分析真空電子束能量輸入對(duì)焊接過程的影響,并給出焊接優(yōu)化措施。

1 真空電子束焊接熱源模型的選擇

準(zhǔn)確的熱源模型的選擇是決定能否準(zhǔn)確模擬高能束焊接過程溫度場(chǎng)的前提，在進(jìn)行焊接過程數(shù)值模擬時(shí),正確的熱應(yīng)力分析建立在對(duì)焊接溫度場(chǎng)準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)之上。在以往的焊接熱過程數(shù)值模擬中,研究者針對(duì)不同能量的焊接方式提出了面熱源模型、線熱源模型、體熱源模型等多種焊接熱源模型,在此基礎(chǔ)之上還發(fā)展出了雙橢球熱源模型、Gauss 圓柱熱源模型和熱流密度均勻分布的柱狀熱源模型等多體復(fù)合熱源模型[7-9]。

從傳熱的角度看,面熱源的物理意義是指電子束所形成的光斑照射于焊接材料表面,光斑所形成的熱量從焊點(diǎn)表面向下及四周方向傳遞。對(duì)于電弧焊等低功率焊接方式,面熱源有著較高的準(zhǔn)確度,但是對(duì)于材料厚度較薄時(shí)的高能束焊接是否可行還需研究[10]。

因此,計(jì)算采用面熱源模型,材料為厚度約7 mm的合金,采用面熱源計(jì)算溫度場(chǎng)及熔池區(qū)域,最終探究面熱源是否與實(shí)際過程相符合。

計(jì)算采用高斯面熱源分布:

(1)

(2)

2 焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 熱邊界條件

計(jì)算條件為:電壓60 kV,電流6 mA,焊接熱功率360 W,電子束斑直徑1 mm。基礎(chǔ)工況條件為:速度10 mm/s,真空度5×10-2Pa,焊縫長(zhǎng)度25.5 mm,熱源有效利用率為75%。

2.2 網(wǎng)格劃分

使用所建立的三維真空焊接小孔形成及熔池流動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型。電子束焦點(diǎn)直徑1 mm,焦平面位于工件的上表面,三維焊接模型見圖1。依據(jù)焊接傳熱由熱源中心向四周進(jìn)行的特點(diǎn),對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分區(qū)劃分網(wǎng)格,焊接光斑及附近區(qū)域?yàn)閳A形,網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格并加密處理,對(duì)焊點(diǎn)以外網(wǎng)格采用四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以提高計(jì)算精度。離散化處理后單元個(gè)數(shù)為1×105,采用有限體積法對(duì)計(jì)算區(qū)域的溫度場(chǎng)進(jìn)行求解,1個(gè)工況的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)約為8 h。整體網(wǎng)格劃分見圖2,焊接面網(wǎng)格劃分見圖3。

圖1 焊接模型Fig.1 Welding model

圖2 整體網(wǎng)格Fig.2 Overall grid diagram

圖3 焊接面網(wǎng)格劃分Fig.3 Grid division of welding surface

2.3 焊接瞬時(shí)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算

焊接瞬時(shí)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算中,設(shè)定加速電壓為60 kV,分別改變焊接速度、電子束電流和電子束光斑的位置,將9種工況依次編號(hào)為工況1～工況9,具體數(shù)據(jù)如表1所列。

表1 各工況參數(shù)

9種工況的溫度場(chǎng)云圖如圖4～圖12所示。

9種工況通過改變焦點(diǎn)偏移量、改變電子束電流以及改變焊接速度,給出了法蘭試件從初始加熱到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布及溫度云圖。分析圖4～圖12的溫度場(chǎng)云圖可知,隨著焊接熱的不斷輸入,熱量通過加熱點(diǎn),逐漸向周圍擴(kuò)散,由于焊點(diǎn)的移動(dòng),溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出非均勻分布狀態(tài);由于材料不斷進(jìn)入加熱區(qū),故溫度梯度很大,溫度升高很快,當(dāng)達(dá)到電子束束斑的中心時(shí),溫度達(dá)到最大值,此時(shí)中心溫度達(dá)到合金氣化的溫度;氣化區(qū)周圍材料達(dá)到熔化溫度,這部分區(qū)域材料處于熔化區(qū);當(dāng)材料移出加熱區(qū)后,開始進(jìn)入散熱過程,溫度逐漸下降。

圖4 工況1焊接溫度場(chǎng)云圖Fig.4 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 1

圖5 工況2焊接溫度場(chǎng)云圖Fig.5 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 2

圖6 工況3焊接溫度場(chǎng)云圖Fig.6 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 3

圖7 工況4焊接溫度場(chǎng)云圖Fig.7 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 4

圖8 工況5焊接溫度場(chǎng)云圖Fig.8 Cloud diagram of welding temperature fieldin working condition 5

圖9 工況6焊接溫度場(chǎng)云圖Fig.9 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 6

圖10 工況7焊接溫度場(chǎng)云圖Fig.10 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 7

圖11 工況8焊接溫度場(chǎng)云圖Fig.11 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 8

圖12 工況9焊接溫度場(chǎng)云圖Fig.12 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 9

不同偏移量下的法蘭中心線剖面處及俯視面的溫度分布云圖如圖4～圖6所示。由于焦點(diǎn)偏移量變化較小,故從圖中不容易看出細(xì)微的變化。不同焊接電流下的法蘭中心線剖面處及俯視面的溫度分布云圖如圖7～圖9所示,焊接電流的變化導(dǎo)致焊件整體溫度場(chǎng)升高,并且當(dāng)焊接電流較小時(shí)焊接整體溫度場(chǎng)偏低。不同焊接速度下的法蘭中心線剖面處及俯視面的溫度分布云圖如圖5、圖8和圖11所示,由于焊接速度對(duì)溫度場(chǎng)有影響,但是溫度變化的幅度相對(duì)較小,故在相鄰的2個(gè)工況下似乎看不出溫度場(chǎng)的變化,但仔細(xì)對(duì)比圖5和圖11還是不難看出,提高焊接速度會(huì)導(dǎo)致焊接熔池附近的溫度梯度增大。

2.4 焊接過程參數(shù)對(duì)比分析

(1) 電子束光斑位置對(duì)溫度場(chǎng)影響分析 電子束光斑位置取3種設(shè)置:第1種為偏向TC4一側(cè)0.2 mm,第2種為光斑位于TC4和MoRe合金的中間位置,第3種為偏向MoRe合金一側(cè)0.2 mm。電子束偏移位置對(duì)溫度場(chǎng)影響如圖13所示,圖13中黑色的網(wǎng)格是熱源加載位置區(qū)域,白色點(diǎn)劃線是TC4合金和MoRe47%的分界面。

圖13 不同電子束偏移位置溫度場(chǎng)云圖Fig.13 Temperature field nephograms of different electron beam migration locations

由于MoRe合金與TC4合金熱物性性能差異較大,故偏移量對(duì)焊接所形成的溫度場(chǎng)影響較大。當(dāng)焊接光斑偏向TC4一側(cè)時(shí),焊接形成的高溫區(qū)位于TC4一側(cè),由于TC4導(dǎo)熱性能低于MoRe47%合金,且TC4的熔點(diǎn)低于MoRe47%合金,所以這種焊接方式會(huì)導(dǎo)致TC4過度熔化,而MoRe合金一側(cè)熔池不易形成。當(dāng)焊接光斑位于TC4合金和MoRe47%合金的分界面中心時(shí),形成的高溫區(qū)位于分界面的中心,看似比較合理,但是由于MoRe47%合金熔點(diǎn)較高且導(dǎo)熱性能好,所以MoRe47%合金實(shí)際所形成的熔池區(qū)域小于TC4合金側(cè)。因此焊接光斑向MoRe47%合金偏移將有助于熔池的形成,從而提高焊接質(zhì)量。

為了探究焊接過程溫度升降變化趨勢(shì),我們以法蘭中心為圓心,沿著半徑方向依次選取3個(gè)點(diǎn):點(diǎn)Ⅰ、點(diǎn)Ⅱ、點(diǎn)Ⅲ,分別距離圓心2.50 mm、2.85 mm、3.20 mm,其中點(diǎn)Ⅱ光斑位于中心側(cè),各點(diǎn)位置示意圖如圖14所示。選取圖14中的點(diǎn)Ⅰ為研究對(duì)象,將不同電子束位置溫度變化曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖15所示。圖15中L表示偏向TC4合金一側(cè)0.2 mm,M表示光斑位于TC4合金和MoRe合金的中間位置,R表示偏向MoRe合金一側(cè)0.2 mm,3個(gè)光斑位置距離點(diǎn)Ⅰ由近及遠(yuǎn),距離越近溫度升高幅值越大;通過圖15可以發(fā)現(xiàn),在0～0.5 s的時(shí)間段內(nèi)溫度迅速升高,在0.5 s以后,溫度逐漸穩(wěn)定。

圖14 各點(diǎn)位置示意圖Fig.14 Schematic diagram of the position of each point

圖15 不同電子束位置溫度變化曲線Fig.15 Temperature curves of different electron beam positions

(2) 電子束移動(dòng)速度對(duì)溫度場(chǎng)影響分析 選取焊接光斑位于TC4合金和MoRe合金的中間位置,電子束移動(dòng)速度分別為9 mm/s、10 mm/s、11 mm/s。由于MoRe合金與TC4合金熱物性性能差異較大,所以焊接形成的溫度場(chǎng)差異較大,熱云圖對(duì)比如圖16所示。

圖16 不同電子束移動(dòng)速度溫度場(chǎng)云圖Fig.16 Temperature field cloud diagram of different electron beam velocity

不同電子束移動(dòng)速度下的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的曲線如圖17所示,從圖17可以明確看到,當(dāng)電子束移動(dòng)速度為9 mm/s時(shí),在穩(wěn)定狀態(tài)下焊接溫度最高,電子束移動(dòng)速度越快,焊接溫度降低。

圖17 不同電子束移動(dòng)速度溫度變化曲線Fig.17 Temperature curve of different electron beam velocity

(3) 焊接電流對(duì)溫度場(chǎng)影響分析 選取焊接光斑位于TC4合金和MoRe合金的中間位置,焊接速度恒定,改變電子束電流分別為5 mA、6 mA、7 mA。由于MoRe合金與TC4合金熱物性性能差異較大,所以焊接形成的溫度場(chǎng)差異較大,如圖18所示。

圖18 不同焊接電流溫度場(chǎng)云Fig.18 Cloud diagram of temperature field of different welding current

不同電子束電流下的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的曲線如圖19所示,從圖19可以明確看到,當(dāng)電子束電流為7 mA時(shí),在穩(wěn)定狀態(tài)下焊接溫度最高,隨著電流減小,焊接溫度隨之降低。

綜上所示,由不同工況下的溫度云圖可以看出,無論在何種工況下,熔池處溫度均為最高溫度5 000 K,1 s時(shí)由于加熱剛開始進(jìn)行,熔池周圍溫度較低,當(dāng)達(dá)到5 s時(shí),焊接處周圍金屬溫度明顯上升。

同時(shí),觀察溫度云圖圖16和圖18可知,等溫線并不是規(guī)則的弧形,并出現(xiàn)了明顯的斷層,這是由于焊接點(diǎn)兩側(cè)采用不同金屬,其導(dǎo)熱系數(shù)不同所致[11-12]。此外焊接速度與焊接功率對(duì)法蘭溫度場(chǎng)的影響不同,焊接速度的增大導(dǎo)致焊接熔池附近的溫度梯度增大,產(chǎn)生附加的高溫?zé)釕?yīng)力,易引起焊接材料附加殘余應(yīng)力增大進(jìn)而導(dǎo)致焊縫開裂,因此從減小熱應(yīng)力的角度應(yīng)降低焊接速度,采取焊前整體預(yù)熱,焊后保溫的方式減小焊接殘余應(yīng)力。

3 熔池形貌與試件對(duì)比

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性,研究用試件做了2組焊接試驗(yàn),焊接試件如圖20所示。對(duì)數(shù)值模擬熔池形貌與焊接試件焊縫熔池形貌進(jìn)行對(duì)比分析。第1組為光斑位于中心,焊接電流為6 mA,形貌對(duì)比如圖21所示;第2組為光斑位于中心,焊接電流為5 mA,形貌對(duì)比如圖22所示。

圖20 焊接試件Fig.20 Welding specimen drawing

圖21 第1組形貌對(duì)比Fig.21 The first comparison chart of Morphology

圖22 第2組形貌對(duì)比Fig.22 The second comparison chart of Morphology

圖21(a)和圖22(a)中標(biāo)尺為液相的分?jǐn)?shù),紅色部分代表液相,藍(lán)色代表固相。由圖21(a)和圖22(a)可看出兩側(cè)熔池的大小及深度均不相同,在外側(cè)即TC4合金側(cè)熔池的熔化區(qū)域較大且深,而在右側(cè)MoRe47%合金側(cè)熔池熔化區(qū)域較小。

測(cè)量圖21(a)中數(shù)據(jù)得出,數(shù)值模擬的熔池深度為0.4 mm,總?cè)鄢貙挾葹?.95 mm,其中TC4合金側(cè)熔池寬度為0.65 mm,MoRe47%合金側(cè)熔池寬度為0.3 mm。由圖21(b)可測(cè)出,實(shí)際熔池深度為0.35 mm,總?cè)鄢貙挾葹?.8 mm。計(jì)算所得熔池略大于實(shí)際熔池,但二者在形貌方面高度一致,分析圖22也可得到類似結(jié)論。

4 結(jié)論

(1) 通過改變電子束光斑位置,發(fā)現(xiàn)偏移量對(duì)焊接溫度場(chǎng)影響較大,由于MoRe合金與TC4合金熱物性性能差異較大,MoRe47%合金側(cè)熔點(diǎn)較高且導(dǎo)熱性能較好,所以焊接光斑向MoRe47%合金側(cè)偏移將有助于熔池的形成,提高焊接質(zhì)量。

(2) 通過改變電子束移動(dòng)速度,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子束移動(dòng)速度為9 mm/s時(shí),在穩(wěn)定狀態(tài)下焊接溫度最高,電子束移動(dòng)速度越快,則焊接溫度越低。

(3) 通過改變電子束電流,發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子束電流為7 mA時(shí),在穩(wěn)定狀態(tài)下焊接溫度最高,隨著電流減小,焊接溫度隨之降低。

(4) 通過對(duì)比熔池形貌與試件發(fā)現(xiàn),計(jì)算所得熔池略大于實(shí)際熔池,但二者在形貌方面高度一致,充分證明了熔化凝固模型在焊接過程數(shù)值模擬中的正確性,同時(shí)也驗(yàn)證了所選熱源模型的準(zhǔn)確性。