樊 丁, 韓苗苗, 趙金龍, 于曉全, 高溟江

(蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050)

為了滿足汽車行業(yè)輕量化、高強(qiáng)度以及節(jié)能減排的發(fā)展需求，復(fù)合結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越廣泛[1-2].鋁/鋼異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)因兼?zhèn)滟|(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好等優(yōu)勢，受到研究者的廣泛關(guān)注[3-4].但由于鋁合金與鋼的線膨脹系數(shù)、強(qiáng)度等力學(xué)性能具有較大差異，導(dǎo)致焊件存在較大殘余應(yīng)力和變形[5].隨焊激冷技術(shù)通過在焊接過程中進(jìn)行局部冷卻，調(diào)整焊接溫度場，控制焊縫和近縫區(qū)塑性應(yīng)變的發(fā)展，減小塑性變形的大小和范圍，從而達(dá)到控制焊接殘余應(yīng)力與變形的目的.相比焊前焊后控制，可以縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率，降低勞動成本.

關(guān)橋等[6]首次提出動態(tài)低應(yīng)力無變形的焊接方法(DC-LSND),在焊接熱源后方跟隨激冷裝置，對熔池后方尚處于高溫的區(qū)域進(jìn)行快速冷卻，產(chǎn)生一個動態(tài)熱拉伸效果，可有效防止鋁合金、鈦合金、低碳鋼以及不銹鋼的焊接變形；李菊[7]采用ANSYS數(shù)值分析軟件，對TC4鈦合金薄板隨焊激冷焊接進(jìn)行模擬，研究分析了熱源與冷源之間的距離以及冷源冷卻強(qiáng)度對隨焊激冷技術(shù)控制焊接變形效果的影響.Van等[8]采用液態(tài)CO2對不銹鋼薄板進(jìn)行隨焊激冷，并利用MSC.Marc軟件進(jìn)行了相關(guān)模擬.上述研究均是針對同種材料，對于隨焊激冷控制鋁/鋼異種金屬薄板焊接殘余應(yīng)力與變形的研究鮮有報道.

本文針對鋁/鋼異種金屬薄板，利用ANSYS有限元分析軟件，運(yùn)用熱彈塑性有限元方法，數(shù)值計(jì)算了常規(guī)焊接與隨焊激冷焊接的溫度場與應(yīng)力應(yīng)變場，同時結(jié)合相關(guān)焊接試驗(yàn)，通過數(shù)值模擬分析進(jìn)行了再分析.

1 有限元模擬方法

1.1 物理模型及工藝參數(shù)

圖1為鋁/鋼異種金屬隨焊激冷熔釬焊示意圖，試驗(yàn)系統(tǒng)主要由TIG焊機(jī)、自制液氮冷卻裝置和焊接自動行走小車三部分組成.由液氮冷卻裝置冷卻后的氬氣噴射于試板表面，對焊縫未造成不良影響的前提下進(jìn)行隨焊激冷，圖中d表示熱源與冷源之間的距離.

試驗(yàn)材料為5A06鋁合金和ST04Z鍍鋅鋼，試板尺寸分別為150mm×50mm×2mm和150 mm×50 mm×1 mm.經(jīng)試驗(yàn)最佳工藝參數(shù)為：TIG電弧電壓為15 V，電流為32 A，焊接速度為180 mm/min，冷卻氬氣流量為10 L/min，熱源與冷源之間距離d為15 mm.整個焊接過程屬于鋁/鋼熔釬焊，為了獲得良好的焊接接頭，焊接時TIG電弧偏向鋁合金試板1.5 mm，冷源噴管同時偏向鋁合金試板1.5 mm.

1.2 有限元模型的建立

為了精確地計(jì)算試板的焊接殘余應(yīng)力與變形，建立了一個與實(shí)際焊接尺寸完全相同的三維有限元計(jì)算模型.為兼顧計(jì)算精度與效率，將焊縫及其附近高溫區(qū)域有限元網(wǎng)格劃分成較為稠密，遠(yuǎn)離焊接區(qū)域劃分成較為稀疏，模型共9 300個單元，12 986個節(jié)點(diǎn).在熱彈塑性有限元分析中，采用間接耦合的方法進(jìn)行計(jì)算，溫度場分析采用熱單元Solid70，應(yīng)力場分析采用結(jié)構(gòu)單元Solid45.在應(yīng)力場計(jì)算時，根據(jù)實(shí)際焊接過程對模型進(jìn)行拘束.同時為了避免在模擬過程中試板發(fā)生剛性移動或扭轉(zhuǎn)，并展現(xiàn)出試板的真實(shí)焊后變形，約束試板3個角點(diǎn)的6個自由度，如圖2所示.

1.3 TIG電弧熱源模型

試驗(yàn)焊接方法為TIG焊，采用雙橢球熱源模型模擬TIG電弧加熱作用，如圖3所示.采用不同的表達(dá)式來表示前半部分和后半部分的熱流密度分布.

前半部分熱源熱流密度分布函數(shù)：

(1)

后半部分熱源熱流密度分布函數(shù)：

(2)

式中：Q=ηUI，η為熱源效率(0.7)；U為焊接電壓；I為焊接電流；af、ar、b和c為雙橢球形狀參數(shù)，分別為3、6、4、2 mm；f1、f2為前、后橢球熱量分布函數(shù)，f1+f2=2.

1.4 冷源模型

冷源冷卻作用通過在局部施加強(qiáng)對流換熱系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，對流換熱系數(shù)[9]可近似處理為

(3)

式中：T為室溫(20 ℃);Tc為冷卻氬氣出口溫度(-20 ℃).由于試驗(yàn)及模擬時，冷源大部分作用于鋁合金試板上，所以此處采用5A06鋁合金物性參數(shù)來近似計(jì)算對流換熱系數(shù).δ為試板的厚度(2 mm)，ρ為材料的密度(2 700 kg/m3)，Cp為比熱容(1 007 J·kg-1·K-1)，?T/?t為冷卻速率(32.5 ℃/s)，近似取冷源中心對流換熱系數(shù)為4 500 W/(m2·℃).

1.5 材料的性能參數(shù)

計(jì)算時考慮了材料的熱物理性能和力學(xué)性能隨溫度變化的特性，材料部分物性參數(shù)如圖4a和圖4b[10]所示，由于整個焊接過程屬于鋁/鋼熔釬焊，焊縫金屬和5A06鋁合金的熱物理性能差別很小，故視為與其熱物性參數(shù)相同.高溫物性參數(shù)由低溫?cái)?shù)值外推獲得.

2 結(jié)果及分析

2.1 溫度場模擬與分析

圖5為焊接時間25 s時，常規(guī)焊接和隨焊激冷焊接試板表面溫度場分布情況，可見形成了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場.由于鋁合金和鍍鋅鋼的熱物理性能存在較大差異，前者的熱導(dǎo)率約為后者的3倍，使得鋁合金側(cè)的熱擴(kuò)散大于鍍鋅鋼側(cè)，存在較大面積的高溫區(qū).對比兩種焊接工藝，可以很明顯地看出，對于常規(guī)焊接，熔池區(qū)域大，溫度較高，屬于一個高度集中的瞬態(tài)熱輸入過程，其加熱與冷卻過程是極不均勻而且遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)，容易產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力與焊接變形.而隨焊激冷工藝在熱源后方噴射低溫氬氣，使得熔池后方仍處于高溫的金屬急劇冷卻，對熔池與冷源作用區(qū)域之間的金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉伸作用，很大程度上補(bǔ)償了已產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變，使得塑性應(yīng)變減小.

在鍍鋅鋼側(cè)距離焊縫中心位置為10 mm(記為A點(diǎn))和15 mm(記為B點(diǎn))處分別進(jìn)行熱循環(huán)曲線采集.常規(guī)焊接和隨焊激冷焊接實(shí)測與模擬的熱循環(huán)曲線對比如圖6所示.可看出在整個焊接過程中溫度場的模擬值與實(shí)測值吻合較好，為后續(xù)的應(yīng)力及變形分析打下了基礎(chǔ).

2.2 焊接應(yīng)力場模擬與分析

通過計(jì)算得到常規(guī)焊接和隨焊激冷焊接兩種工藝下的縱向殘余應(yīng)力與橫向殘余應(yīng)力分布，如圖7、圖8所示.對比可以看出，兩種焊接工藝下縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力分布趨勢基本一致.對于縱向殘余應(yīng)力，拘束釋放后，焊縫中心及其附近區(qū)域表現(xiàn)為拉應(yīng)力，為保持平衡，在鋼側(cè)表現(xiàn)為大范圍的壓應(yīng)力.但相較于常規(guī)焊接，隨焊激冷焊接整體縱向殘余應(yīng)力大大減小，縱向殘余應(yīng)力峰值由146 MPa下降為98 MPa，減少了32.8%，焊縫處呈現(xiàn)明顯的“雙峰”分布.對于橫向殘余應(yīng)力，由于橫向溫差較小，不足以使已產(chǎn)生的壓縮塑性變形大幅度降低，隨焊激冷工藝使橫向殘余應(yīng)力整體略微減少.

采用小孔法測得試板中截面(z=75 mm)縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力，試驗(yàn)與模擬結(jié)果對比如圖9、圖10所示.可以看出，曲線趨勢大體相似，縱向殘余應(yīng)力與橫向殘余應(yīng)力的模擬值與試驗(yàn)值均吻合較好.

2.3 焊接應(yīng)變場模擬與分析

邊界拘束釋放后得到焊后殘余變形模擬結(jié)果，如圖11所示.常規(guī)焊接與隨焊激冷焊接變形趨勢基本一致，為明顯的面外變形，長度方向下凹，寬度方向上凸，試板整體呈現(xiàn)馬鞍狀變形.但相較于常規(guī)焊接，隨焊激冷焊接變形量整體減小，變形量峰值由5.4 mm下降為2.8 mm，降低了48.1%.

3 結(jié)論

1) 建立了TIG電弧熱源與氬氣冷源模型，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示兩者吻合較好，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性.

2) 相較于常規(guī)焊接，隨焊氬氣激冷技術(shù)顯著降低了鋁/鋼異種金屬薄板焊接縱向殘余應(yīng)力和變形，分別減少了32.8%和48.1%，表明該方法可有效控制鋁/鋼薄板焊接殘余應(yīng)力與變形.