楊文飛,劉愛國(guó)
(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng)110159)
304不銹鋼在空氣中及酸、鹽、堿等具有腐蝕性的接觸介質(zhì)中呈現(xiàn)出鈍態(tài)、耐蝕性[1],且其具有無(wú)磁性、較高的韌性和塑性等多方面優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)、生物工程以及化學(xué)工程等領(lǐng)域[2]。304不銹鋼作為一種使用材料,焊接是其最常用的連接方式,可將材料靈活加工成所需的幾何體,并使得各個(gè)方向具有良好的力學(xué)性能,焊接質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的使用情況和壽命,對(duì)304不銹鋼焊接的研究具有重要意義。關(guān)于不銹鋼焊接方面的研究較多,陳安忠等[3]采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(Tungsten Inert Gas Welding,TIG)對(duì)雙相不銹鋼進(jìn)行多層多道焊,分析研究焊接接頭的顯微組織、沖擊韌性,測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)焊接接頭鐵素體相與奧氏體相之比處于0.88~2.45范圍內(nèi)時(shí),接頭的韌度與鐵素體的量成反比關(guān)系。Asadi P等[4]對(duì)SUS304不銹鋼管多道次TIG焊接殘余應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值研究,模擬結(jié)果表明,隨著焊接速度的提高,管道表面的軸向拉應(yīng)力減小。趙先銳等[5]采用大型通用有限元模擬軟件對(duì)TIG焊接過(guò)程進(jìn)行模擬,將模擬獲得的焊縫截面形貌與試驗(yàn)獲得的焊縫截面形貌進(jìn)行對(duì)比,并根據(jù)對(duì)比結(jié)果改善模型,為實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。國(guó)旭明等[6]研究了焊接熱輸入和微合金元素鈮對(duì)鐵素體不銹鋼TIG焊接頭組織及性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著焊接熱輸入的增加,焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)和焊縫區(qū)中鐵素體晶粒明顯粗化,降低了焊接接頭的強(qiáng)度和塑性。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,采用數(shù)值分析的方法對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬,不但可以減少實(shí)驗(yàn)的盲目性,降低成本,而且可以深入理解焊接過(guò)程中溫度、應(yīng)力及變形的變化規(guī)律,為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)提供更多的理論依據(jù)[7-10]。本文采用simufact welding軟件模擬不銹鋼熔絲TIG焊焊接過(guò)程,探究不同工藝參數(shù)下焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的分布特征及變形情況。
熔絲TIG焊焊接方法兼具傳統(tǒng)TIG焊的高焊接質(zhì)量和熔化極惰性氣體保護(hù)焊(Melt Inert-gas Welding,MIG)的高效率等優(yōu)點(diǎn),其工作原理為:工件和焊接系統(tǒng)中起傳送焊絲作用的MIG焊槍一同并聯(lián)連接在直流電源的正極,TIG焊槍連接直流電源的負(fù)極;MIG焊槍和TIG焊槍以約75°的角度固定在一起,置于垂直焊接方向的平面內(nèi),MIG焊槍與工件之間的夾角約為30°,TIG焊槍和工件的夾角約為75°;當(dāng)焊接開始時(shí),TIG焊槍與工件之間產(chǎn)生獨(dú)立的電弧,使工件熔化形成熔池;同時(shí)TIG焊槍與焊絲之間產(chǎn)生另一電弧,使焊絲熔化成熔滴狀,當(dāng)熔滴足夠大時(shí),受到電磁收縮力、電弧等離子體力、氣流力和重力的作用,脫離焊絲的尖端進(jìn)入熔池,形成熔池的一部分[11-12]。
熔絲TIG焊焊接過(guò)程中同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)電弧,母材和焊絲同時(shí)發(fā)生熔化,且存在熔滴過(guò)渡,其物理過(guò)程比傳統(tǒng)TIG焊和MIG焊都要復(fù)雜。考慮到實(shí)際焊接過(guò)程中的影響因素及計(jì)算成本,做如下簡(jiǎn)化假設(shè):
(1)熔絲電弧和焊接電弧獨(dú)立燃燒,不發(fā)生耦合;
(2)母材不受熔絲電弧熱的影響;
(3)焊絲不受焊接電弧的熱影響。
在此假設(shè)基礎(chǔ)上,采用雙橢球熱源模型對(duì)焊接電弧的熱作用進(jìn)行描述。該熱源模型不僅反映了熔池頭部長(zhǎng)尾部短的特點(diǎn),也反映了熱源深度方向上的能量分布特征,即熔深增加時(shí),能量會(huì)逐漸減少。雙橢球熱源模型如圖1所示。該模型將熱源劃分為兩個(gè)部分,即前半部分和后半部分,分別采用不同表達(dá)式來(lái)確定熱源分布。
圖1 雙橢球熱源模型
模型的前半部分和后半部分分別為1/4個(gè)橢球,設(shè)前半部分橢球能量分?jǐn)?shù)為ff,后半部分橢球能量分?jǐn)?shù)為fr,且ff+fr=2。在前半部分橢球內(nèi)熱源分布為
(1)
后半部分橢球內(nèi)熱源分布為
(2)
式中:參數(shù)a、b、c分別為雙橢球體的前(后)半軸長(zhǎng)度、熔池半熔寬、熔池半熔深,取值相互獨(dú)立,在焊接不同材料時(shí),可將橢圓分為4個(gè)1/8的橢球瓣,每個(gè)橢球瓣對(duì)應(yīng)不同的a、b、c值;P為電弧有效熱功率;R為相對(duì)應(yīng)的熱源形狀參數(shù)。
本文模擬中忽略焊絲熔化的具體細(xì)節(jié),直接將熔滴假設(shè)為一定溫度的液態(tài)金屬顆粒,添加到熔池中。
圖2為三維實(shí)體幾何模型。利用UG三維建模軟件,對(duì)需要焊接的兩塊304不銹鋼板、填充材料進(jìn)行實(shí)體建模。每塊304不銹鋼板的尺寸為200mm×100mm×2mm,填充材料的規(guī)格為200mm×0.6mm×2mm。
圖2 幾何模型
將三維實(shí)體模型從UG軟件中導(dǎo)出,保存為parasolid文件,再采用有限元分析軟件HyperMesh導(dǎo)入幾何模型。對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分需先確定網(wǎng)格類型,常用網(wǎng)格類型有四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格。采用四面體網(wǎng)格能夠自動(dòng)劃分,難度低、操作簡(jiǎn)單、劃分速度快,但計(jì)算精度低、網(wǎng)格數(shù)量多。采用六面體網(wǎng)格只能手動(dòng)劃分,操作復(fù)雜、較為耗時(shí),但網(wǎng)格數(shù)量少、計(jì)算精度相對(duì)較高?;谟邢拊W(wǎng)格的特點(diǎn),本實(shí)驗(yàn)采用計(jì)算精度較高的六面體網(wǎng)格,利用HyperMesh軟件分別對(duì)304不銹鋼板、填充材料實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分六面體網(wǎng)格后的幾何模型如圖3所示。
圖3 劃分六面體網(wǎng)格后的幾何模型
由于在實(shí)際焊接過(guò)程中,被焊工件可能會(huì)發(fā)生一定量的位移,為避免或減輕位移量,對(duì)焊件加以固定。每塊不銹鋼板上采用兩個(gè)夾具固定,使其在x、y和z方向上都受到一定約束。
假設(shè)工件在焊接開始前不受其他應(yīng)力作用,環(huán)境溫度為20℃,各個(gè)組件的初始溫度也為20℃,填充材料的溫度設(shè)定為1500℃且保持不變,對(duì)流傳熱系數(shù)為20W/(m2·K),輻射傳熱系數(shù)為0.25W/(m2·K),304不銹鋼材料的熱導(dǎo)率、密度、線膨脹系數(shù)等熱物性取自軟件數(shù)據(jù)庫(kù),模擬計(jì)算中自動(dòng)調(diào)入。
2.1.1 不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布
采用生死單元方法對(duì)施焊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,隨著計(jì)算的進(jìn)行,相應(yīng)的熱單元網(wǎng)格被激活。模擬采用的工藝參數(shù)為:焊接電流120A、焊接電壓20V、焊接速度16cm/min。模擬得到不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布云圖如圖4所示。
圖4 不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布云圖
由圖4可以清晰看到,隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行,焊接熱源沿著焊接方向移動(dòng),焊縫附近各點(diǎn)溫度隨著熱源的前移而發(fā)生改變。當(dāng)焊接起弧初始階段,即焊接時(shí)間t=0.348s時(shí)(圖4a),焊接件的溫度總體處于室溫狀態(tài),焊接熱量集中于起始處的小區(qū)域附近,熱量沒(méi)有向周圍快速傳遞,溫度場(chǎng)處于非穩(wěn)態(tài);隨著焊接繼續(xù)進(jìn)行,部分熱量向周圍母材傳遞,當(dāng)t=5.913s時(shí)(圖4b),焊接件的溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)態(tài);當(dāng)t=8s時(shí)(圖4c),焊縫附近的溫度分布基本維持不變,溫度場(chǎng)處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài),此時(shí)散熱量和熱輸入量相抵消,焊接接頭的峰值溫度維持不變;當(dāng)t=44.651s時(shí)(圖4d),焊接件開始冷卻,此時(shí)已經(jīng)沒(méi)有熱源加熱,焊接件溫度急劇降低。
2.1.2 焊接速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律
取焊接電流120A、焊接電壓20V,采用不同焊接速度12、14、16cm/min模擬計(jì)算,得到焊接結(jié)束時(shí)刻溫度分布云圖如圖5所示。
圖5 不同焊接速度下焊接結(jié)束時(shí)刻溫度分布云圖
由圖5可見,隨著焊接速度增加,焊縫附近換熱量減少,周圍母材吸收熱量也減少,焊接溫度分布范圍逐漸變窄,高溫停留時(shí)間也變短。
為進(jìn)一步說(shuō)明焊接速度的影響,追蹤焊縫中心線上C點(diǎn)的溫度變化情況。追蹤點(diǎn)的位置見圖6。
圖6 焊縫中心C追蹤點(diǎn)位置
不同焊接速度下焊縫中心C追蹤點(diǎn)處溫度熱循環(huán)曲線如圖7所示。
圖7 不同焊接速度下C追蹤點(diǎn)處溫度熱循環(huán)曲線
由圖7可見,當(dāng)焊接速度從12cm/min(圖7a)增大至14cm/min(圖7b)再增至16cm/min(圖7c),焊縫中心C追蹤點(diǎn)的最高溫度由約4900K下降至4700K左右再降至4500K左右。說(shuō)明焊接速度增大時(shí),單位長(zhǎng)度焊縫的焊接熱輸入量減少,焊縫峰值溫度降低。
2.1.3 焊接電流對(duì)溫度場(chǎng)的影響規(guī)律
取焊接速度16cm/min、焊接電壓20V,采用不同焊接電流120、140、160A模擬計(jì)算,得到焊接結(jié)束時(shí)刻溫度分布云圖如圖8所示。
圖8 不同焊接電流下焊接結(jié)束時(shí)刻溫度分布云圖
由圖8可以看出,焊接電流的改變對(duì)焊接溫度場(chǎng)有較大影響。當(dāng)焊接電流增加時(shí),焊接熔池的尺寸增大,焊接溫度場(chǎng)的溫度分布區(qū)域也隨之增大。
不同焊接電流下焊縫中心C追蹤點(diǎn)處的熱循環(huán)曲線如圖9所示。
圖9 不同焊接電流下焊縫中心C追蹤點(diǎn)處熱循環(huán)曲線
由圖9可見,當(dāng)焊接電流從120A(圖9a)增大至140A(圖9b)再增至160A(圖9c)時(shí),C追蹤點(diǎn)熱循環(huán)曲線的峰值溫度從約4100K增加至4400K再增至4600K左右。說(shuō)明焊接電流增加,單位長(zhǎng)度焊縫的焊接熱輸入量增大,焊縫峰值溫度升高。
2.2.1 焊件整體應(yīng)力分布
采用2.1.1的計(jì)算參數(shù),模擬得到焊件整體應(yīng)力分布云圖如圖10所示。
圖10 應(yīng)力分布云圖
由圖10可見,應(yīng)力分布處于動(dòng)態(tài)變化中。焊接開始時(shí)(圖10a),焊接起始處在熱源作用下,焊縫溫度快速上升,因不銹鋼導(dǎo)熱性較差,焊縫附近母材的溫度來(lái)不及上升,使得焊縫起始處存在較大的等效應(yīng)力,而在遠(yuǎn)離起始部位的母材未受到熱源的直接加熱,等效應(yīng)力較小。熱源隨著焊接的進(jìn)行向前移動(dòng),等效應(yīng)力也逐漸向前蔓延擴(kuò)散。焊接結(jié)束后(圖10b),焊縫附近存在較大的殘余應(yīng)力,遠(yuǎn)離焊縫部位的應(yīng)力較小,焊接起始處焊縫應(yīng)力集中最為明顯。
2.2.2 焊接速度和焊接電流對(duì)焊接應(yīng)力場(chǎng)的影響
采用2.1.2的計(jì)算參數(shù),模擬得到不同焊接速度下焊接結(jié)束時(shí)刻應(yīng)力分布云圖如圖11所示。
圖11 不同焊接速度下焊接結(jié)束時(shí)刻應(yīng)力分布云圖
由圖11可見,當(dāng)焊接速度從12cm/min(圖11a)增大至14cm/min(圖11b)再增至16cm/min(圖11c),應(yīng)力分布逐漸變得均勻,焊接結(jié)束時(shí)刻最大應(yīng)力增幅約為8MPa,焊接起始處仍然是應(yīng)力最為集中的區(qū)域。
采用2.1.3的計(jì)算參數(shù),模擬得到不同焊接電流下焊接結(jié)束時(shí)刻應(yīng)力分布云圖如圖12所示。
圖12 不同焊接電流下焊接結(jié)束時(shí)刻應(yīng)力分布云圖
由圖12可見,當(dāng)焊接電流從120A(圖12a)增大至140A(圖12b)再增至160A(圖12c),應(yīng)力分布變化較小,最大、最小應(yīng)力增幅分別約1MPa、0.2MPa,焊接起始處應(yīng)力集中的區(qū)域幾乎不變。
2.3.1 焊接變形總體分布
與其他碳鋼材料相比,304不銹鋼熱膨脹系數(shù)較大,且導(dǎo)熱性差,在焊接熱源作用下,焊接接頭易發(fā)生焊接變形。采用2.1.1的計(jì)算參數(shù),模擬得到焊接變形分布區(qū)域如圖13所示,由圖中可明顯看到焊接起始處焊接變形較大。
圖13 焊接變形分布區(qū)域
焊接過(guò)程中C追蹤點(diǎn)各方向上的焊接變形量如圖14所示。
圖14 焊接過(guò)程中C追蹤點(diǎn)在各方向上的焊接變形量
由圖14可見,追蹤點(diǎn)C在x、y、z三個(gè)不同方向均發(fā)生了一定量的變形,x方向的焊接變形量約0.02mm,y方向的焊接變形量約0.15mm,z方向的變形量最大,約為0.3mm。
2.3.2 焊接速度對(duì)焊接變形的影響
采用2.1.2的計(jì)算參數(shù),模擬得到不同焊接速度下C追蹤點(diǎn)在焊接過(guò)程中不同方向的焊接變形量如圖15所示。
由圖15可見,焊接速度不同,焊接變形量也隨之變化。當(dāng)焊接速度從12cm/min(圖15a)增大至14cm/min(圖15b)再增至16cm/min(圖15c),C追蹤點(diǎn)在x、y方向的焊接變形量變化較小,在z方向的變形量變化最大,變形量減小,降幅約為0.33mm。
圖15 不同焊接速度下C追蹤點(diǎn)的焊接變形量
2.3.3 電流對(duì)焊接變形的影響
采用2.1.3的計(jì)算參數(shù),模擬得到不同焊接電流下C追蹤點(diǎn)在焊接過(guò)程中不同方向的焊接變形量如圖16所示。
圖16 不同焊接電流下C追蹤點(diǎn)的焊接變形量
從圖16可以看出,隨著焊接電流增大,C追蹤點(diǎn)在x和y方向上的變形量變化較小,在z方向的變形量變化最大,變形量增大,增幅為0.06mm。
采用有限元方法對(duì)不銹鋼熔絲TIG焊焊縫的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形進(jìn)行數(shù)值模擬,結(jié)論如下:
(1)焊接速度、焊接電流是影響不銹鋼熔絲TIG焊焊接溫度場(chǎng)、焊接變形的重要因素。隨著焊接速度增加,熔池最高溫度下降,追蹤點(diǎn)在z方向的變形量減??;隨著焊接電流增加,焊縫升溫速度加快,熔池最高溫度升高,追蹤點(diǎn)在z方向的變形量增大;
(2)焊縫附近存在較大的殘余應(yīng)力,遠(yuǎn)離焊縫部位應(yīng)力較小,焊接起始處焊縫應(yīng)力集中最為明顯;
(3)焊接變形量在z方向最大,實(shí)際焊接中應(yīng)注意采用合理的工藝減少z方向的焊接變形,在焊件滿足基本要求的前提下,應(yīng)盡量減小焊接電流、增大焊接速度,以減少變形及提高焊接效率。