黨永剛+++張偉

摘 要： 針對(duì)某型號(hào)導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊的特點(diǎn)，建立不銹鋼導(dǎo)管的有限元分析模型?；陔姶艌?chǎng)和溫度場(chǎng)順序耦合的有限元分析方法，采用ANSYS軟件對(duì)導(dǎo)管焊接區(qū)域的溫度場(chǎng)進(jìn)行三維瞬態(tài)分析。結(jié)果表明，導(dǎo)管接頭焊接區(qū)域的溫度場(chǎng)分布不均勻，在軸向上呈中間位置高，往兩邊逐漸降低的分布，溫度梯度較大。重點(diǎn)討論保護(hù)氣體和軟式感應(yīng)線圈纏繞方法對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，在此基礎(chǔ)上提出了工藝改進(jìn)方法，其改善了溫度場(chǎng)分布，并在現(xiàn)場(chǎng)獲得了成功應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 不銹鋼； 感應(yīng)釬焊； 溫度場(chǎng)分布； 有限元分析方法

中圖分類號(hào)： TN911?34； TG439.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）12?0115?03

0 引 言

某型號(hào)飛機(jī)的部分輸油、液壓、滅火和空調(diào)導(dǎo)管需要在飛機(jī)部裝和總裝現(xiàn)場(chǎng)的安裝條件下進(jìn)行密封連接，具有安裝位置狹窄、可達(dá)性差的缺點(diǎn)，并且連接時(shí)大都不允許有金屬飛濺和高溫輻射。因此，一般的連接方法很難滿足安裝位置狹窄空間導(dǎo)管連接的要求，常采用導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊技術(shù)進(jìn)行連接[1?3]。受夾具長(zhǎng)度的限制，感應(yīng)線圈最多只能纏繞8匝，線圈匝數(shù)較少，其邊緣效應(yīng)使工件加熱不均勻；同時(shí)，保護(hù)氣體的非均勻冷卻作用也加劇了溫度場(chǎng)分布的不均勻。

由于焊接時(shí)導(dǎo)管外面有夾具，夾具上纏繞軟式感應(yīng)線圈，很難用現(xiàn)有的測(cè)量手段對(duì)焊接區(qū)域的溫度和液態(tài)釬料的流動(dòng)情況進(jìn)行直接測(cè)量和觀察。因此，數(shù)值模擬分析方法就成為研究導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊溫度場(chǎng)分布的重要手段。在國(guó)外，有關(guān)導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)的報(bào)道很少見；而在國(guó)內(nèi)，關(guān)于該項(xiàng)技術(shù)的釬焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的研究也才剛剛起步[1?2]。

本文采用有限元方法對(duì)導(dǎo)管焊接區(qū)域的溫度場(chǎng)進(jìn)行三維瞬態(tài)分析，重點(diǎn)討論了保護(hù)氣體和感應(yīng)線圈的纏繞方法對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，可為測(cè)溫點(diǎn)的選取，釬焊過程控制方法的制定，以及焊接缺陷形成機(jī)理的分析提供依據(jù)，并為改進(jìn)工藝方法、改善溫度場(chǎng)分布提供技術(shù)參考。

1 建模分析

1.1 有限元模型的建立

在現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，采用夾具固定導(dǎo)管，并通過夾具和導(dǎo)管輸送惰性氣體保護(hù)釬焊接頭的內(nèi)外表面，軟式電纜在夾具上繞制成感應(yīng)圈，內(nèi)部通水并與功率傳輸電纜相連進(jìn)行感應(yīng)釬焊[2?3]。

由于夾具的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，直接對(duì)夾具、導(dǎo)管和線圈進(jìn)行整體建模將會(huì)十分困難，因此對(duì)三維實(shí)體建模進(jìn)行簡(jiǎn)化，只對(duì)導(dǎo)管和線圈進(jìn)行建模，夾具對(duì)感應(yīng)加熱的損耗采用功率損耗的方式進(jìn)行折算[3?5]。

圖1為不銹鋼導(dǎo)管導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊的三維實(shí)體模型，導(dǎo)管和線圈的尺寸如圖2所示。

建立導(dǎo)管和線圈的三維實(shí)體模型后，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用有利于節(jié)省計(jì)算時(shí)間的局部網(wǎng)格劃分，通過單元邊長(zhǎng)來(lái)控制總體單元尺寸。工件采用最大的網(wǎng)格密度，作為熱源的感應(yīng)線圈采用較密的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，而外層空氣的網(wǎng)格劃分得疏些。

導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊加熱過程為電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合分析，選擇SOLID117作為電磁場(chǎng)分析單元，而溫度場(chǎng)分析選用SOLID90單元。

1.2 材料模型的建立

在不銹鋼導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊中，導(dǎo)管和套管均為奧氏體不銹鋼（[1Cr18Ni10Ti]），其發(fā)射率[ε]為0.7，密度[ρ]為7.9×103 kg/m3，相對(duì)磁導(dǎo)率[μ]為1.01，其余物理參數(shù)均是溫度的函數(shù)，見表1。

表1 不銹鋼物理性能與溫度的關(guān)系

1.3 載荷及邊界條件處理

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊接時(shí)，軟式感應(yīng)線圈內(nèi)部通過頻率為20 kHz、幅值為1 000 A的正弦交流電流。因此，感應(yīng)線圈中加載的是均勻的電流密度[Js]。

導(dǎo)管邊界傳熱主要考慮導(dǎo)管外表面的對(duì)流換熱，其對(duì)流換熱系數(shù)隨導(dǎo)管溫度變化而變化，如圖3所示[5]。工件的初始溫度為27 ℃，工件給定邊界上的熱流輸入為0，電磁場(chǎng)邊界條件采用齊次邊界條件。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 簡(jiǎn)化模型

首先將保護(hù)氣體的流量假定為0，不考慮保護(hù)氣體的非均勻冷卻作用。當(dāng)線圈匝數(shù)為8匝，對(duì)稱纏繞，且線圈中加載頻率為20 kHz，峰值1 000 A正弦交變電流，加熱50 s后工件的溫度場(chǎng)分布如圖4所示[6]。

沿工件表面A（1.8，0，-3.45），B（1.8，0，-1.75），C（2.0，0，-1.75），D（2.0，0，1.75），E（1.8，0，1.75），F(xiàn)（1.8，0，3.45）六點(diǎn)連接成路徑T1，其中A為路徑的起點(diǎn)，則可以得到該路徑上各節(jié)點(diǎn)的溫度分布曲線，如圖5所示。

由圖5可見，導(dǎo)管焊接區(qū)域的溫度場(chǎng)分布不均勻，中間位置高，往導(dǎo)管兩端逐漸降低，溫度梯度較大，僅套管區(qū)域的溫度差值就有60 ℃。

2.2 保護(hù)氣體對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響

在實(shí)際的釬焊過程中，分別通過導(dǎo)管和夾具內(nèi)部輸送氬氣至導(dǎo)管內(nèi)外表面，以保護(hù)其內(nèi)外表面不被氧化.在導(dǎo)管內(nèi)部，保護(hù)氣體流速慢，冷卻作用弱且均勻，對(duì)工件的均勻加熱影響不大。而在套管外表面與夾具內(nèi)表面形成的封閉空間中，保護(hù)氬氣通過夾具內(nèi)部輸送，然后從多個(gè)直徑為1 mm的圓孔噴射至套管表面，具有流速快、冷卻作用強(qiáng)且不均勻的特點(diǎn)，不利于工件的均勻加熱[5]。為了考察夾具內(nèi)部輸送的氬氣對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，將該氣流的不均勻冷卻作用等效為套管外表面的對(duì)流換熱進(jìn)行分析。圖6為氬氣流量4.8 L/min，其余模擬條件與圖4相同時(shí)，工件加熱50 s后溫度場(chǎng)分布結(jié)果。

沿套管中間位置外表面圓周指定路徑T2（O?P?Q?R?O，如圖7（a）所示），則可以得到路徑T2上各節(jié)點(diǎn)的溫度分布曲線，如圖7（b）所示。

由圖7可見，通過夾具向腔體內(nèi)部吹氬氣，在工件表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的非均勻冷卻作用，在套管圓周方向產(chǎn)生較大的溫度差，不利于均勻加熱。因此，在獲得良好保護(hù)效果的前提下，應(yīng)盡量減小保護(hù)氣體的流量。

2.3 對(duì)乘邊緣騎繞感應(yīng)線圈對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響

由圖4、圖5的分析結(jié)果可知，工件軸向上溫度場(chǎng)分布不均勻，其主要原因是受夾具長(zhǎng)度的限度，感應(yīng)線圈最多只能纏繞8匝，線圈匝數(shù)較少，其邊緣效應(yīng)使工件加熱不均勻。

為了使溫度場(chǎng)分布更均勻，采用如圖8（a）所示的對(duì)乘邊緣騎繞感應(yīng)線圈的纏繞方法加熱工件（其余模擬條件與圖4相同），加熱50 s后路徑T1上各節(jié)點(diǎn)的溫度分布如圖8（b）所示。

由圖8（b）可見，加熱50 s后導(dǎo)管焊接區(qū)域的溫度場(chǎng)分布漸趨均勻，在軸向上套管區(qū)域的溫度差減小至18 ℃。

這樣，在不增加線圈整體長(zhǎng)度的條件下，通過對(duì)稱邊緣騎繞線圈的方法調(diào)整了電磁場(chǎng)的分布，有效地增加了套管兩端的熱輸入，改善了加熱條件，使工件加熱更均勻，能更好的滿足導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊的溫度分布要求。目前，這種線圈的纏繞方法在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，提高了導(dǎo)管焊接質(zhì)量。

2.4 單端邊緣騎繞感應(yīng)線圈對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響

在圖8（a）中，僅在線圈的左端邊緣處騎繞感應(yīng)線圈（其余模擬條件與圖4相同），則加熱50 s后工件表面路徑T1上各節(jié)點(diǎn)的溫度分布曲線如圖9所示。

圖9 單端邊緣騎繞感應(yīng)線圈的溫度場(chǎng)分布

由圖9可見，在工件軸向套管區(qū)域，騎繞線圈的一端比另一端的溫度高250 ℃左右，溫度差異很大。該溫度分布非常適合焊后一端有缺陷的導(dǎo)管補(bǔ)焊，既可以滿足補(bǔ)焊端高溫的要求，又可以避免另一端焊好的釬縫釬料二次熔化流動(dòng)形成新的焊接缺陷。

3 結(jié) 論

建立了導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊焊接區(qū)域溫度場(chǎng)分布的3D有限元分析模型，分析結(jié)果表明導(dǎo)管焊接區(qū)域的溫度場(chǎng)分布不均勻。保護(hù)氣體對(duì)導(dǎo)管產(chǎn)生不均勻的冷卻作用，在保護(hù)良好的前提下，應(yīng)盡量減小保護(hù)氣體的流量。對(duì)乘邊緣騎繞感應(yīng)線圈可有效增加套管兩端的熱輸入，使工件加熱更均勻，能更好地滿足導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊的溫度分布要求。單端邊緣騎繞感應(yīng)線圈可在套管兩端得到溫度差異很大的溫度分布，非常適合焊后一端有缺陷的工件補(bǔ)焊。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱惠中.先進(jìn)釬焊技術(shù)在航天器上的應(yīng)用[J].宇航材料工藝， 2000（3）：11?13.

[2] 趙晶.導(dǎo)管導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊控制技術(shù)的研究[D].北京：北京航空航天大學(xué)，2002.

[3] 張偉，齊鉑金，金玉蘭，等.安裝位置導(dǎo)管感應(yīng)釬焊[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，31（2）：242?246.

[4] MATEN E J W， MELISSEN J B M. Simulation of inductive heating [J]. IEEE Transactions on Magnetics， 1992， 28（2）： 1287?1290.

[5] 陸大有.傳熱基礎(chǔ)[M].北京：宇航出版社，1985.

[6] 張偉，齊鉑金，許海鷹.導(dǎo)管安裝感應(yīng)釬焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2009，30（5）：73?76.