基于ABAQUS的MAG焊接溫度場數(shù)值模擬與熱循環(huán)分析

明 燦，馬春偉

(上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201600)

MAG(Metal Active Gas Arc Welding)焊接全稱為熔化極活性氣體保護(hù)焊，其利用二氧化碳和氬氣作為混合活性保護(hù)氣體，具有穩(wěn)定熱輸入、焊接高效的優(yōu)勢[1]。本文采用CLOOS機(jī)器人代替人工焊接來進(jìn)行Q235鋼的MAG焊。但由于8 mm厚度的板材對焊接工藝和質(zhì)量有一定要求，因此有必要在焊接工作之前進(jìn)行數(shù)值模擬，這樣可以為焊接提供技術(shù)和數(shù)據(jù)上的支持。

本文對焊接過程進(jìn)行有限元模擬主要存在以下難點(diǎn)：(1)焊接過程的復(fù)雜性。與常規(guī)的熱處理方法不同，焊接過程只在焊接部位有加熱過程，Q235鋼整體受熱極不均勻[2-3]；(2)焊接熱源具有高度的集中性和瞬時(shí)性，熱源會在極短時(shí)間內(nèi)將大量熱量快速地傳導(dǎo)給焊件[4]。而且在焊接過程中熱源不斷移動，在焊縫附近的金屬會融化，會有一部分熱量轉(zhuǎn)化為熔化潛能、相變能以及熔池中金屬流動的動能等[5]。因此，實(shí)際計(jì)算中通常會做諸多假設(shè)來簡化焊接過程，對此本文也進(jìn)行了相應(yīng)的簡化；(3)在焊接模擬過程中，Q235鋼的各項(xiàng)性能參數(shù)會隨著焊件自身溫度的改變而產(chǎn)生顯著的變化[6]，尤其是在熔點(diǎn)附近的材料性能變化更加劇烈，而材料性能數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到模擬結(jié)果的正確性。本文的模擬借鑒了以往的研究成果[7-9]。焊接熱源模型參數(shù)由于焊接熱源的復(fù)雜性、焊接種類以及焊接材料的不同有著較大的差異。目前，一系列焊接類型的焊縫都可以利用不同的體熱源來進(jìn)行模擬[10]，研究人員往往通過經(jīng)驗(yàn)對熱源模型參數(shù)進(jìn)行選取[11]，本文則采用平面高斯熱源[12]進(jìn)行研究。

1 材料和焊接工藝

本文試驗(yàn)采用的材料為Q235普通碳素鋼，兩塊試樣板的尺寸為400 mm×150 mm×8 mm，沿長度方向進(jìn)行對接焊接。兩塊試樣板中間間距為5 mm，試板不開坡口。MAG焊接過程中試塊兩端采用C型夾具進(jìn)行剛性固定。Q235的彈性模量范圍為200～210 GPa，泊松比為0.25～0.33，碳含量為0.17%～0.22%，其屬于亞共析鋼，鐵素體與珠光體是常溫條件下的常見組織。Q235試樣板的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示。焊接前對Q235試樣板進(jìn)行表面打磨以去除材料表面的氧化層薄膜以及銹斑，然后使用CLOOSE弧焊機(jī)器人進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表1 Q235試板的化學(xué)成分

表2 Q235試板的力學(xué)性能

表3 MAG焊接參數(shù)

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)焊接試板的尺寸建立MAG焊接模型，由于MAG焊接誤差較小，且暫不考慮母材的形變，所以可以用尺寸比較大的網(wǎng)格，單元類型為 SOLID70[13]，如圖1所示。

圖1 ABAQUS中試板的網(wǎng)格建立Figure 1. Grid establishment of ABAQUS pilot plate

2.2 熱源

本文所使用的熱源為平面高斯熱源，其是一種更逼近MAG焊接過程真實(shí)熱源溫度場分布的熱源分布函數(shù)。對于MAG焊接而言，高斯分布的熱源模型是在熔化焊接數(shù)值模擬中應(yīng)用最多的一種熱源[14-17]。平面高斯熱源是將MAG焊接所提供的熱源能量，按照高斯函數(shù)分布在一定有效半徑且與母材表面平行表面的平面圓內(nèi)。其解析式為[16]

(1)

式中，q(r)函數(shù)為距圓心為r處的熱流密度表達(dá)式，單位為J·(m2·s)-1；σq為高斯熱源分布參數(shù)；Q為熱輸入率。

3 溫度場數(shù)值計(jì)算

3.1 材料的熱物理性能

導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度和對流換熱系數(shù)等為溫度場模擬的材料熱物性參數(shù)。焊接加熱時(shí)產(chǎn)生的能量密度很高，金屬材料局部溫度瞬時(shí)升溫較高，材料的熱物理性能會隨溫度發(fā)生較大變化。將這些物理性能輸入到材料模塊的屬性中，依次添加。導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容、換熱系數(shù)、泊松比、線膨脹系數(shù)如圖2～圖7所示。

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的變化關(guān)系Figure 2. Relationship between thermal conductivity and temperature

圖3 密度與溫度變化的關(guān)系Figure 3. Relationship between density and temperature change

圖4 比熱容與溫度的變化關(guān)系Figure 4. Relationship between specific heat capacity and temperature

圖5 換熱系數(shù)與溫度的變化關(guān)系Figure 5. Relationship between heat transfer coefficient and temperature

3.2 焊接各時(shí)段的溫度場模擬結(jié)果

圖8是Q235在功率為1 620 W、焊接速度為5 mm·s-1時(shí)，激光焊各時(shí)間段溫度場的分布模擬結(jié)果。其中，圖8(a)是t=0.83 s時(shí)的溫度場云圖。由圖可知，在熱源作用下，鋼板溫度逐漸升高，剛開始1 s內(nèi)起弧溫度約為1 300 ℃。圖 8(b)是t=3.029 s 時(shí)的溫度場云圖。由圖可以看出，隨著熱源的移動，熱量逐漸向周圍擴(kuò)散，鋼板溫度逐漸升高，此時(shí)還未形成足夠的溫度堆積，近熱源中心最高溫度為 2 100 ℃。圖8(c)是t=5.329 s 時(shí)的溫度場云圖。此時(shí)到達(dá)焊縫中部，出現(xiàn)近熱源中心的溫度堆積，中心溫度達(dá)到最高2 800 ℃。圖8(d)是t=8.029 s時(shí)的溫度場云圖，此時(shí)熱源已經(jīng)到達(dá)焊縫末端，高溫區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，最高中心溫度為2 800 ℃，整個(gè)板上有著不同的溫度分布且都不低于900 ℃。之后，焊接熱輸入已經(jīng)結(jié)束，處于冷卻階段。比較圖8(a)～圖8(d)可以看出，當(dāng)焊接過程穩(wěn)定后，隨著時(shí)間變化，熔池逐漸向前推移，熔池附近各點(diǎn)溫度基本恒定，熔池形狀基本保持不變，呈現(xiàn)出準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場的特征。

圖6 泊松比與溫度的變化關(guān)系Figure 6. Relationship between Poisson's ratio and temperature

圖7 線膨脹系數(shù)與溫度的變化關(guān)系Figure 7. Relationship between linear expansion coefficient and temperature

(a)

(b)

(c)

(d)圖8 焊接各時(shí)段溫度場模擬結(jié)果 (a)t=0.83 s (b)t=3.029 s (c)t=5.329 s (d)t=8.029 sFigure 8. Simulation results of temperature field in each period of welding (a)t=0.83 s (b)t=3.029 s (c)t=5.329 s (d)t=8.029 s

3.3 焊接溫度場時(shí)間歷程分析

沿垂直于焊接方向，在圖中連續(xù)取6個(gè)點(diǎn)作為測溫點(diǎn)，焊接試板溫度隨時(shí)間變化的分析結(jié)果，如圖 9所示。從圖可以看出，垂直于焊縫方向測溫點(diǎn)的峰值溫度隨著到焊縫距離的增加而下降。離焊縫距離越遠(yuǎn)，雖然峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間略有延遲，但基本一致，且溫度下降梯度隨之減小。

沿平行于焊接方向，在圖中取幾個(gè)連續(xù)的結(jié)點(diǎn)作為測溫點(diǎn)，距離焊縫中心線5 mm，對焊接試板溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行分析。從圖 10可以看出，焊縫中心及離焊縫中心外 5 mm 處6個(gè)測溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，只是峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間隨著到起弧點(diǎn)距離的增加而有所延遲，且溫度梯度稍有增加。

圖9 垂直于焊縫方向6個(gè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化趨勢Figure 9. Trend of temperature at 6 points perpendicular to the direction of the weld with time

圖10 平行于焊縫方向6個(gè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化趨勢Figure 10. Trend of temperature change with time at 6 points parallel to the weld direction

4 結(jié)束語

數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在焊接過程中，隨著時(shí)間變化，熱源在逐漸向前推移，近中心熱源的溫度在初始時(shí)較低，為1 300 ℃，隨著時(shí)間推移和熱量堆積，逐步上升至2 800 ℃，整個(gè)過程呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)溫度場的特征。垂直于焊縫方向的6個(gè)測溫點(diǎn)的峰值溫度隨著到焊縫距離的增加而下降，離焊縫距離越遠(yuǎn)峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間延遲越明顯，但出現(xiàn)時(shí)間基本一致，且溫度下降梯度也隨之變小。焊縫中心及距離焊縫中心外 5 mm 處測溫點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律基本一致，只是峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間延遲隨距離呈正相關(guān)，并且溫度的梯度稍有增加。數(shù)值模擬以及熱循環(huán)分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合良好，證明了該模擬方法的有效性和準(zhǔn)確性。