鋁合金CMT焊接溫度場的數(shù)值模擬研究

賈劍平，徐鑫，李田雨

南昌大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院江西省機器人與焊接自動化重點實驗室 江西南昌 330031

1 序言

鋁合金是一種重要的輕量化材料，具有比強度高的特點，廣泛應(yīng)用于軌道交通、汽車和航空航天等領(lǐng)域[1，2]。由于鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)較大，若板材厚度較小，則在焊接高溫作用下容易產(chǎn)生嚴(yán)重的殘余應(yīng)力和焊接變形，不僅影響結(jié)構(gòu)美觀，也會降低其承載強度，無法滿足使用要求[3-5]。冷金屬過渡（CMT）技術(shù)通過換向送絲系統(tǒng)和數(shù)字式焊接控制系統(tǒng)，能夠降低焊接熱輸入量，為鋁合金薄板焊接提供了新的選擇[6-8]。

近年來，焊接數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展迅速，通過數(shù)值模擬能夠顯著減少試驗量，降低生產(chǎn)成本。在CMT焊接數(shù)值模擬方面，AZAR等[9]首先提出了形狀參數(shù)隨時間正弦變化的新型雙橢球熱源模型，通過熱源形狀的周期性變化反映CMT焊接過程中電弧的瞬時變化；ZAPICO等[10]對AZAR提出的熱源模型進(jìn)行了簡化，發(fā)現(xiàn)鋁合金CMT焊接過程中峰值溫度可達(dá)到1800℃，有利于去除氧化物；而整個焊接過程中平均溫度僅為約1300℃，有效控制了焊接熱輸入和熱影響區(qū)的擴展；王遠(yuǎn)傳等[11]模擬了高強鋼的CMT焊接溫度場，分析了溫度對熱影響區(qū)寬度的影響；楊羅揚等[12]通過模擬不銹鋼CMT增材制造過程，優(yōu)化了層間冷卻時間和增材成形路徑。張奇奇等[13]基于動網(wǎng)格技術(shù)成功模擬了CMT焊過程中焊絲的送進(jìn)與回抽運動，最終模擬的電弧形態(tài)與實際拍攝的電弧形態(tài)一致。趙文勇等[14]對CMT電弧增材制造的熱-流場進(jìn)行研究，通過橢球熱源的周期性加載分析了熔池流動行為、熔覆層形貌和熔池尺寸的影響因素。

本文采用ANSYS軟件建立三維仿真模型，通過焊接熱源的周期性加載，對5052鋁合金薄板CMT焊接溫度場進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果研究CMT焊接溫度場特點，并通過試驗驗證了溫度場模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 有限元分析

2.1 材料屬性

焊接接頭形式為對接，焊接母材為5052鋁合金，尺寸為200m m×50m m×0.8m m，焊絲為ER5183鋁鎂焊絲，直徑為1.2mm。使用JMatPro軟件計算出5052鋁合金的高溫?zé)嵝阅?，如圖1所示。由于焊絲與母材成分相近，因此假設(shè)焊縫金屬熱物理性能與母材相同。同時，由于鋁合金電弧焊接中存在固態(tài)金屬熔化過程，所以在分析焊接溫度場時必須考慮熔化潛熱現(xiàn)象。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[15]，采用等效比熱容法處理鋁合金熔化潛熱。

圖1 JMatPro計算的材料熱性能參數(shù)

式中ce——等效比熱容[J/（g·℃）]；

c——材料本身的比熱容[J/（g·℃）]；

c0——潛熱比熱容[J/（g·℃）]；

L——材料的熔化潛熱（J/mol）；

TL——材料液相線溫度（℃）；

TS——材料固相線溫度（℃）。

2.2 模型建立

采用ANSYS 15.0有限元分析軟件建立幾何模型。為了減少單元與節(jié)點數(shù)量，提升計算效率，只建立單側(cè)的模型進(jìn)行計算，幾何模型如圖2所示。由圖2可知，幾何模型劃分為焊縫區(qū)、過渡區(qū)和遠(yuǎn)離焊縫區(qū)，模型整體尺寸為200mm×50mm×0.8mm。

圖2 幾何模型

為提升計算準(zhǔn)確度與計算效率，分別對焊縫區(qū)、過渡區(qū)和遠(yuǎn)離焊縫區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選用SOLID 70單元進(jìn)行溫度場模擬分析，模型中焊縫區(qū)單元尺寸設(shè)置為0.5mm×0.2mm×0.26mm，過渡區(qū)單元尺寸為0.5mm×0.8mm×0.26mm，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)單元尺寸為0.5mm×5mm×0.26mm。最終生成的網(wǎng)格模型包含28800個單元、40100個節(jié)點，薄板網(wǎng)格劃分模型如圖3所示。

圖3 薄板網(wǎng)格劃分模型

2.3 初始條件與邊界條件

初始溫度設(shè)置為環(huán)境溫度30℃，在焊接過程中，鋁板表面存在熱輻射和熱對流[16]。根據(jù)式（3）[17]對工件表面換熱系數(shù)進(jìn)行處理，將處理后的等效換熱系數(shù)he通過熱流密度的形式施加到模型與空氣接觸的4個自由表面。由于焊接時采用金屬底板作為支撐，而金屬導(dǎo)熱系數(shù)較大，散熱較快，因此底面的換熱系數(shù)設(shè)定為100W/（m2·℃）。模型中心對稱面處設(shè)置絕熱邊界條件，即設(shè)置熱流密度為零。

式中he——等效換熱系數(shù)[W/（m2·℃）]；

T——表面溫度（℃）。

2.4 焊接熱源

由于焊接電弧的熱流分布具有一定對稱性，且本研究中焊接速度不大、母材板厚較小，所以本文使用高斯平面熱源（見圖4）作為熱源模型進(jìn)行模擬計算[18-20]。高斯熱源表達(dá)式為

圖4 高斯平面熱源模型

式中q(r)——距離熱源中心r處的熱流密度[J/（s·m2）]；

r——距熱源中心距離（mm）；

Qm——熱源加熱中心位置的最大熱流密度[J/（s·m2）]；

R——熱源的有效加熱半徑（mm），本文取有效加熱半徑R=2.5mm。

CMT技術(shù)的焊絲回抽頻率可達(dá)70Hz，因此溫度場計算的時間步長設(shè)置為一個定值t，取t=0.015s。為了真實反映出CMT焊接過程熱輸入的周期性變化，通過ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言（APDL）編寫命令流，實現(xiàn)熱源函數(shù)的周期性加載，如圖5所示。圖5中將每個時間步t細(xì)分為一個加熱子步tH和一個冷卻子步tC，在加熱子步tH內(nèi)，對焊縫區(qū)域加載高斯熱源；在冷卻子步tC內(nèi)，設(shè)置焊縫區(qū)域熱流密度為零，以此反映CMT技術(shù)短路過渡時熱輸入的降低，每個冷卻子步占一個時間步長的30%。為分析CMT焊接溫度場特點，同時對傳統(tǒng)MIG焊進(jìn)行模擬計算，計算中采用的三維模型、網(wǎng)格劃分、熱源參數(shù)和熱源效率均與CMT焊保持一致，但熱源加載方式為持續(xù)加載，不存在冷卻子步。

圖5 CMT熱輸入示意

3 溫度場結(jié)果分析

3.1 CMT焊接溫度場特點

模擬采用的焊接參數(shù)見表1。CMT焊接過程中三個連續(xù)時刻的溫度場云圖如圖6所示。圖6a中，電弧正處于燃燒狀態(tài)，在電弧熱輸入作用下，薄板溫度升高，熔池中心最高溫度達(dá)到1043℃；圖6b中，熔滴與熔池接觸形成短路，電弧熄滅，同時焊機自動將焊接電流降低至極小值，此時焊接熱輸入幾乎為零，熔池中心最高溫度降低至896℃，并且薄板整體溫度均呈現(xiàn)降低趨勢；圖6c中，焊絲回抽，熔滴順利向熔池過渡，焊接電弧重新被引燃，繼續(xù)向薄板輸送熱量。此時，薄板的整體溫度上升，溫度場迅速恢復(fù)到降溫之前的狀態(tài)。由此可看出，在CMT周期性變化的熱輸入下，薄板溫度場也呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，整個焊接過程由若干個這樣的周期組成。

圖6 CMT焊接溫度場云圖

表1 模擬采用的焊接參數(shù)

與CMT焊相比，傳統(tǒng)MIG焊工藝中不存在焊絲回抽運動和熱輸入降低的過程，因此整個焊接過程中的熱輸入相對穩(wěn)定。為了與CMT數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，選取MIG焊過程中三個連續(xù)時刻的溫度場分布云圖進(jìn)行分析，如圖7所示。由圖7可看出，MIG焊過程中溫度場分布較為穩(wěn)定，熔池中心的最高溫度保持在1480℃左右。

圖7 MIG焊接溫度場云圖

如圖8所示，在焊縫中段沿焊接方向等距選取11個節(jié)點（n1～n11），通過*GET命令提取各節(jié)點在整個焊接過程中的峰值溫度進(jìn)行分析。圖9所示為不同送絲速度下CMT焊和MIG焊過程中各節(jié)點峰值溫度及其平均值。保持焊接速度不變，當(dāng)送絲速度為2.3m/min時，CMT焊各節(jié)點的平均峰值溫度為881.4℃，MIG焊各節(jié)點平均峰值溫度為1266℃；當(dāng)送絲速度為2.6m/min時，CMT焊各節(jié)點的平均峰值溫度為1039.5℃，MIG焊各節(jié)點平均峰值溫度為1480.9℃；當(dāng)送絲速度為2.9m/min時，CMT焊各節(jié)點的平均峰值溫度為1206.5℃，MIG焊各節(jié)點平均峰值溫度為1717.4℃；當(dāng)送絲速度為3.2m/min時，CMT焊各節(jié)點的平均峰值溫度為1376.1℃，MIG焊各節(jié)點平均峰值溫度為1966.4℃。由此可看出，在焊接速度保持恒定時，隨著送絲速度增大，CMT焊和MIG焊模擬結(jié)果中各節(jié)點的峰值溫度均有明顯上升。在各組參數(shù)下，CMT焊模擬結(jié)果中各節(jié)點的峰值溫度與平均溫度均遠(yuǎn)低于MIG焊模擬溫度，體現(xiàn)出CMT技術(shù)熱輸入較低的特點。

圖8 節(jié)點選取示意

圖9 不同送絲速度下節(jié)點的峰值溫度與平均值

通過比較溫度分布云圖與焊縫中段各節(jié)點的峰值溫度可得出，使用CMT工藝進(jìn)行薄板焊接能夠顯著減小焊接熱輸入量，薄板整體溫度更低。根據(jù)節(jié)點平均溫度峰值的變化發(fā)現(xiàn)：隨著送絲速度增大，兩種工藝模擬的節(jié)點溫度峰值之間的差值逐漸增大，CMT工藝的低熱輸入優(yōu)勢更加明顯。

3.2 溫度場試驗驗證

如圖10所示，為了驗證溫度場模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用K形熱電偶測量鋁合金薄板表面P1、P2和P3三點（距離焊縫中心分別為15mm、20mm和25mm）的實時溫度并記錄，繪制三點的熱循環(huán)曲線。在有限元模型中相應(yīng)位置選取節(jié)點，在后處理模塊中將節(jié)點溫度定義為時間的變量，提取各節(jié)點的模擬熱循環(huán)曲線，與實測熱循環(huán)曲線進(jìn)行比較。選用A2參數(shù)進(jìn)行測溫試驗。

圖10 測溫點示意

P1、P2和P3三點的實測熱循環(huán)曲線和模擬熱循環(huán)曲線如圖11所示。在實際焊接過程中，隨著焊接電弧的移動，熱量從焊縫中心部位向周圍金屬傳遞，測量點的溫度不斷上升并迅速達(dá)到溫度峰值；電弧離開后，測量點的溫度逐漸下降，最終恢復(fù)到室溫值。試驗中，P1點距離焊縫最近，峰值溫度最高；P3點距離焊縫較遠(yuǎn)，峰值溫度較低。由此可看出，薄板上表面距離焊縫中心不同位置處節(jié)點的模擬熱循環(huán)曲線與試驗測量的熱循環(huán)曲線變化趨勢基本一致。分析發(fā)現(xiàn)，模擬溫度值略高于實際溫度，可能是因材料參數(shù)和散熱邊界條件設(shè)置而與實際存在一定誤差。

圖11 熱循環(huán)曲線對比

在垂直焊縫方向切取試樣，對金相試樣進(jìn)行打磨與拋光后，使用凱勒試劑對焊縫試樣進(jìn)行腐蝕，拍攝焊縫截面圖，并將其與模擬的熔池截面圖進(jìn)行比較，如圖12所示。由圖12可知，模擬結(jié)果與實際焊縫輪廓比較接近。

圖12 焊縫截面示意

通過熱電偶測溫試驗與焊縫截面輪廓對比，可認(rèn)為溫度場模擬結(jié)果與實際焊接溫度場分布情況接近，采用該模型進(jìn)行鋁合金薄板CMT焊接有限元分析具有可行性，能夠用于后續(xù)的分析研究。

4 結(jié)束語

本文使用ANSYS軟件建立鋁合金焊接溫度場三維分析模型，考慮材料熱物理參數(shù)隨溫度的非線性變化，通過命令流實現(xiàn)了焊接熱源的周期性加載，得出以下結(jié)論。

1）溫度場模擬結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合，表明該模型能夠反映CMT焊接溫度場特點，可用于CMT焊接數(shù)值模擬研究。

2）CMT焊接過程中存在多個冷卻階段，能夠顯著降低焊接熱輸入，對于鋁合金薄板焊接十分有利。

3）與傳統(tǒng)MIG焊工藝相比，CMT焊接薄板整體溫度較低，且送絲速度越大，CMT技術(shù)的冷卻作用越顯著。