劉翔宇

(承德石油高等?？茖W校 工業(yè)技術(shù)中心，河北　承德　067000)

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工藝參數(shù)對TIG焊接溫度場影響規(guī)律的有限元模擬

劉翔宇

(承德石油高等?？茖W校 工業(yè)技術(shù)中心，河北承德067000)

摘要：針對奧氏體不銹鋼0Crl8Ni9的TIG焊接過程，建立了相應的數(shù)學模型和物理模型，并基于ANSYS平臺進行有限元計算，分析了焊接速度、焊接電流和電弧電壓等工藝參數(shù)對焊接溫度場的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在其他條件一定的情況下，焊接電流和電弧電壓直接影響焊接熱輸入，進而對焊接熱循環(huán)的峰值溫度影響顯著。焊接速度僅對熔合區(qū)和熱影響區(qū)的峰值溫度有較大影響，但對母材其他部位的影響較小。

關(guān)鍵詞：焊接工藝參數(shù)；溫度場；有限元法；TIG 焊接；ANSYS

電弧焊是一個涉及傳熱、冶金和力學的復雜過程，焊接質(zhì)量受到很多因素的影響，如焊接時電磁場分布、傳熱、傳質(zhì)過程、金屬的熔化與相變、焊接應力與變形等等。數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)，使焊接生產(chǎn)朝著“理論計算—數(shù)值分析—實際生產(chǎn)”的模式發(fā)展，焊接技術(shù)正在發(fā)生著由經(jīng)驗到科學、由定性到定量的飛躍[1]。由于溫度對材料力學性能有顯著影響，因此對殘余應力、焊接變形以及裂紋等缺陷的精確預測，必須建立在對電弧焊三維瞬態(tài)溫度場的準確計算的基礎上[2]。本文以奧氏體不銹鋼0Crl8Ni9的TIG焊接過程為例，采用ANASYS模擬軟研究了焊接工藝參數(shù)對焊接溫度場的影響規(guī)律。

1溫度場分析數(shù)學模型

焊接過程屬于非線性瞬態(tài)導熱過程，隨著溫度的變化，材料的熱物性參數(shù)會發(fā)生急劇變化。此過程的熱傳導方程可表示為：

(1)

式中，r、c與l分別代表材料的密度和比熱和熱導率，T表示溫度，t表示時間，Q表示內(nèi)部熱源。同時，焊接過程中的傳熱方式主要是由熱源傳遞給焊件，除電阻焊、摩擦焊等以外，熱量傳遞主要以輻射和對流為主，而被焊工件和焊條在獲得足夠熱量之后，熱量的傳遞主要以熱傳導為主。因此，為簡化計算模型，同時保證焊接溫度場模擬的準確性，可將輻射與對流的作用綜合考慮而引入對流輻射耦合系數(shù)的概念，表達式如下：

(2)

其中，hcomb為對流輻射耦合系數(shù)；h為對流換熱系數(shù)，W·m2·K-1，本研究取7.8 W·m2·K-1；e為工件表面的輻射發(fā)射率；s為Stefan Boltzman常數(shù)，本研究取5.67×10-8W·m-2·K4；T和Tamb分別表示工件表面和周圍介質(zhì)的溫度。此外，焊件的邊界由于與外界存在溫度差，會與周圍介質(zhì)換熱，主要通過對流和輻射換熱的方式進行，熱損失qloss通過如下公式計算，

qloss=hcomb×A(T-Tamb)

(3)

式中，A表示接觸面積，m2。

在本研究中，試驗工件表面的輻射率取為0.51，環(huán)境溫度取為27 ℃，焊接方向上的加熱時間為52 s。將焊接全過程等分為78個載荷步，每一步時間為0.6 s。電弧熄滅后，追加40步作為焊件冷卻過程，冷卻時間為20 min。

2溫度場分析物理模型

2.1幾何模型

試驗模型尺寸為150 mm×100 mm×3 mm，開V型坡口，根部間隙為3 mm。建立三維有限元實體模型，選擇三維熱分析單元SOLID70。考慮到焊件的對稱性，建模時只取一半以降低運算量，電弧中心沿X軸方向移動，有限元模型如圖1所示。

為提高計算效率，采取過渡網(wǎng)格劃分技術(shù)。在遠離焊縫位置的地方采用較大的網(wǎng)格尺寸。在距焊縫約10 mm處(即熔合區(qū)和熱影響區(qū)附近)溫度場變化劇烈，網(wǎng)格劃分較為細密。為保證計算精度并兼顧計算效率，將焊縫處單元尺寸控制在0.5 mm 以內(nèi)，在厚度方向(圖1中Z向)上將單元劃分成3層，每層1 mm。

2.2熱源模型

為更精確地表示焊接熱源，將熱源看作兩部分，采用高斯分布的函數(shù)作為表面熱源，熔池部分采用雙橢球形熱源分布函數(shù)作為內(nèi)熱源，例如本文采用的Goldak熱源模型，被認為最接近實際情況，模擬結(jié)果較為準確[3-5]。這種模型適用于電弧焊，其表面熱量按高斯分布：

(4)

對于熔池部分則采用雙橢球函數(shù)表示熱量分布，熱源沿軸分成前、后長度不同的兩部分，即：

(5)

(6)

上面三式中，q(x,y,z,t)為時間t時在(x,y,z)位置的熱流量；k為熱源集中系數(shù)；h、U和I分別為焊接熱效率、焊接電流和電弧電壓；ff、fr分別為輸入功率在熔池前后部分的能量分布系數(shù)，ff+fr=2；af、ar分別為前后半橢球的長度參數(shù)，b為橢球?qū)挾葏?shù)，c為橢球深度參數(shù)；v為焊接速度；t為時間。熱源模型如圖2所示，各參數(shù)取值如表1所示。

表1　熱源模型參數(shù)取值

2.3材料熱物性參數(shù)

數(shù)值模擬計算過程中，將母材與熔敷金屬簡化為同種材料，即奧氏體不銹鋼0Crl8Ni9。材料的熱物性參數(shù)取自R. I. Karlsson等人的研究成果[6]。

3加載與求解

焊接時熱源以一定速度沿焊接方向運動，移動載荷是通過APDL語言中的循環(huán)來實現(xiàn)的，計算步長(載荷每次移動的距離)取0.5 mm。在焊接過程中，熔敷金屬隨著焊接過程的進行不斷產(chǎn)生，為真實地模擬這一過程采用“生死單元”技術(shù)，即在計算開始時將熔敷金屬層單元均設定為“死”單元，將其熱傳導系數(shù)設為很小的值，在實際計算中就相當于這部分單元不存在。在焊接過程中再按一定的速度逐步將這部分單元激活，將它們的熱傳導系數(shù)恢復原值并接受熱源的影響[7-8]。

4有限元分析的實驗驗證

在進行試驗驗證時采用直流正接，使用直徑3.2 mm的釷鎢極，氣體流量10 L/min，電弧電壓12 V，焊接電流110 A，焊接速度3 mm/s。焊后從焊件橫截面上取試樣并經(jīng)研磨拋光后進行宏觀組織觀察并與數(shù)值計算結(jié)果比對分析，如圖3所示?？梢钥闯鰯?shù)值計算結(jié)果與焊接試驗結(jié)果較好吻合，本研究建立的分析模型能很好地反應實際結(jié)果。

5結(jié)果與討論

圖4所示為焊接開始35 s后的溫度分布云圖，此時熱源沿焊接方向移動了100 mm?？梢钥闯?，隨著熱源的移動焊件各點的溫度逐漸升高，在熱源附近的溫度達到峰值，形成了熔合區(qū)(FZ)。在熱源前方存在一個溫度相對較高的區(qū)域，等溫線較為密集。同時，由于熱傳導、對流和輻射現(xiàn)象，熱源的能量傳遞到焊件各個方向，形成了熱影響區(qū)。

為進一步研究焊件上溫度場的演變過程，對部分節(jié)點的溫度變化作進一步對比分析，測試節(jié)點的位置如圖5所示，各點深度均為3 mm。溫度變化曲線如圖6所示。

由圖6可知，由于熱源不對遠離焊縫的部位(測試點2～5)直接接觸加熱，越靠近焊縫中心峰值溫度越高，其中測試點1為1 540 ℃，測試點2為441 ℃，測試點3為216 ℃，測試點4為189 ℃，測試點5為158 ℃。同時，越靠近焊縫中心從初始溫度升高至峰值溫度所需時間越短，測試點1為1.6 s，測試點2為2.3 s，測試點3為3.2 s，測試點 4為4.1 s，測試點5為5.3 s。同時，結(jié)果還表明，焊縫附近的溫度梯度較大，且越靠近焊縫中心溫度梯度越大。以焊接開始后2 s為例，最大溫度梯度為25 ℃/mm，這被認為是造成焊縫附近應力集中甚至開裂的重要原因[9]。

采用12 V的電弧電壓，110 A的焊接電流，以3 mm/s的速度進行焊接模擬計算，得到圖7所示的工件表面溫度分布情況。其中圖7(a)表明焊縫橫截面(Y向)上各點的溫度分布隨時間變化的情況。結(jié)果表明，當熱源移動到熔合區(qū)(Y<5 mm)時，該區(qū)域溫度急劇升高但隨后又快速降溫。而熔合區(qū)和熱影響區(qū)之外的焊件表面溫度由于熱傳導的作用而隨著時間逐步升高，這一結(jié)果與圖6的結(jié)果互為印證。圖7(b)顯示的是沿焊接方向(X向)上的溫度分布情況。隨著熱源的移動，焊件上各點的溫度急劇增高到峰值后又逐漸降低。由于受到焊件其他部位的再熱作用，升溫速度均明顯高于冷卻速度。隨著進一步冷卻，各點的溫度逐漸趨于某一值(即焊件的平均溫度)。上述計算過程的溫度分布云圖如圖8所示，從中可以清晰地看出熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材的分界線及其各自的溫度演變過程。

為研究焊接工藝參數(shù)的變化對焊接溫度場的影響規(guī)律，設計了三組不同的工藝參數(shù)，如表2所示。

表2　焊接工藝參數(shù)

參數(shù)工藝方案Ⅰ工藝方案Ⅱ工藝方案Ⅲ電弧電壓v/V121212焊接電流I/A110120130焊接熱效率h/%606060

采用方案I的工藝參數(shù)，分別設定焊接速度為3 mm/s、6 mm/s和9 mm/s，焊縫截面方向(Y向，距離起始位置50 mm)和沿焊接方向(X向，焊縫上)的溫度分布隨焊接速度變化的情況如圖9所示。結(jié)果

表明，隨著焊接速度增加，熱源在工件表面特定點停留的時間減少，焊件溫度隨之降低。此外，焊接速度對熱影響區(qū)的峰值溫度影響較為顯著，但對其他部位的影響不明顯，遠離焊縫的母材區(qū)峰值溫度趨于一致。

圖10所示為不同工藝方案下焊件溫度場分布情況，可以看出在其他因素確定的情況下，焊接電流和電弧電壓直接影響熱輸入，進而對焊接熱循環(huán)的峰值溫度有較大的影響，熱輸入越高，峰值溫度越高。

6結(jié)論

1)隨著與焊縫中心距離的不斷變化，溫度分布和演變情況也發(fā)生顯著變化。越靠近焊縫中心升溫至峰值所需時間越短，且峰值溫度越高，溫度梯度越大。2)隨著焊接速度的增加，焊件峰值溫度隨之降低。焊接速度對熱影響區(qū)的峰值溫度影響較為顯著，但對其他部位的影響不明顯，遠離焊縫的母材區(qū)峰值溫度趨于一致。3)焊接電流和電弧電壓直接影響焊接熱輸入，進而對焊接熱循環(huán)的峰值溫度有較大的影響，熱輸入越高，峰值溫度越高。

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FEM Investigation on Influence of Process Parameters on Temperature Fields in TIG Welding

LIU Xiang-yu

(Industrial Technology Center, Chengde Petroleum College, Chengde 067000, Hebei, China)

Abstract:A mathematical model of heat transfer and physical model suitable to practical production were established for the calculation of temperature distribution during TIG welding process of austenitic stainless steel 0Crl8Ni9. The influence of process parameters such as welding speed, welding current and voltage on temperature distribution were investigated by adopting ANSYS software. The result indicated that the welding current and voltage will directly impact the energy input during the welding process, and then, the peak temperature of the weld thermal cycle. The change of the welding speed has mainly influenced peak temperature in fusion zone (FZ) and heat affected zone (HAZ) and it has a less effect on the temperature in other areas.

Key words:process parameters of welding; temperature fields; FEM; TIG welding; ANSYS

收稿日期：2015-10-23

作者簡介：劉翔宇(1983-)，男，蒙古族，河北承德人，承德石油高等?？茖W校工業(yè)技術(shù)中心講師，碩士，主要從事材料成型過程模擬仿真技術(shù)的研究工作。

中圖分類號：TG402

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9446(2016)02-0022-06