双面双弧焊接温度场的数值模拟分析

作者:吴松林;霍光瑞;王任甫 刊名:热加工工艺 上传者:席银平

【摘要】以6mm厚低合金钢06NiCrMoCuNb为例,对不同两弧间距的双面双TIG弧焊接工艺进行了温度场的数值模拟分析,得出在两个TIG焊枪线能量(q=7.02kJ/cm)相等的情况下,两弧间距在20~30mm之间能够一次焊透6mm厚板,小于20mm将出现焊穿,大于30mm将出现未焊透,进而得出双面双弧焊接工艺较传统单弧焊接工艺有如下优点:能量集中、热影响区窄,焊缝质量好;可一次焊透中等厚度板、减少焊接工序、提高焊接生产率;电弧能量利用率高、节约能源。

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焊接热过程是影响焊接质量和生产率的主要因素之一,它的准确计算和测定是焊接冶金分析、应力应变分析以及焊接过程控制的前提。迄今为止,焊接热传导分析可以说已达到很成熟的地步,随着计算机容量和速度的增大,三维瞬态焊接温度场的分析已不存在实质性的困难,有的通用有限元软件(比如MSC.Marc)已加入了焊接模拟分析的模块,而且专业的模拟焊接分析软件Sysweld已被大量使用。双面双弧焊接即是在焊接接头的正反两面各采用一把独立电源的焊枪,同时同方向进行焊接的一种焊接工艺,如图1所示。根据所用焊接电源形式,可分为双电源和单电源两类[1],本文模拟的是双电源双面双弧焊接工艺。正反两面的焊接方法既可选用相同非熔化极或熔化极焊接,也可以一面选用熔化极而另一面选用非熔化极焊接,此焊接工艺的先后两个电弧为保证工件焊透且不至于焊穿,通常保持一定的两弧间距d。双面双弧焊接工艺作为高效焊接工艺的一种已大量应用在实际的生产中[2-7],但对它的理论研究很少。本文用有限元方法模拟了双面双弧焊接过程中的温度场,并与传统单弧焊接进行对比,分析了其焊接的熔透情况,对实际生产的焊接过程控制有一定的指导意义。1温度场理论方程温度T(x,y,z,t)作为空间坐标(x,y,z)与时间t的d焊枪保护气焊枪焊接方向图1双面双弧焊接示意图Fig.1Schemeofdouble-sidedarcwelding函数,在焊件上任何一点满足下列热传导微分方程[8]:!c"T"t-""x(#""Tx)-""y($%"Ty)-""z($""Tz)-q(x,y,z,t)=0式中:q为焊接热源;为材料的导热系数;为材料密度;c为比热容。焊件表面与周围环境的换热公式为:$"T"n+&(T-T0)=0其中&为工件表面与周围环境的总换热系数,包括对流换热系数和辐射换热系数。在采用有限元法求解焊接热问题时,通常把式(1)、(2)的热传导微分方程问题转化为求泛函数极值的变分问题,然后对物体进行有限元分割,把变分问题近似地表达成线性方程组,求解方程组便可得到热传导问题的解[9]。2有限元模型的建立所用的模拟软件为MSC.Marc大型有限元工程软件,试件为两块100mm50mm6mm的06NiCrMoCuNb钢板。所建几何模型尺寸如图2所示,考虑其对称性,取宽度方向的一半建立有限元模型。材料的密度为7800kg/m3。考虑熔化、凝固时的潜热对温度场的影响,对其热导率$和比热容c高温段随温度的变化进行了修正,其曲线见图3所示。采用双椭球热源模型,其表达式为:q(x,y,z,t)=6!3fzQa1bc!!"exp(-3ax212)exp(-3z2c2)exp(-3[y+vb(2’-t)]2)q(x,y,z,t)=6!3frQa2bc#!$exp(-3ax222)exp(-3z2c2)exp(-3[y+vb(2’-t)]2)式中:v为焊接速度;’为初始时刻的滞后因子;a1、a2、b、c是熔池形状参数,通过测量焊缝横截面的金相照片所得;fz和fr为输入热源的前后分布指数(fz+fr=2),这里选用0.8和1.2;Q为热输入量,其值Q=UI,TIG焊取0.7[10],两焊枪的焊接参数相同,I=130A,U=18V,焊速=2mm/s,焊接线能量q=UI/=7.02kJ/cm;焊接初始温度为20。3模拟结果及分析用以上建立的模型参数,采用传统单面单TIG弧进行焊接模拟和实验验证,结果其焊缝断面尺寸如图4所示,图中模拟熔池的温度大于试件钢的熔点1510,模拟计算得到熔池的熔宽和熔深为2.0mm,与实验的实际熔池尺寸吻合良好。由此,可用建立的有限元

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