許新猴,趙小強(qiáng),華鵬,李先芬,周偉,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009; 2.新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院,新加坡639798)

異種鋼激光-電弧焊復(fù)合焊接數(shù)值模擬

許新猴1,趙小強(qiáng)1,華鵬1,李先芬1,周偉1,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009; 2.新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院,新加坡639798)

目的 研究異種鋼激光-GMAW復(fù)合焊接溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)變化。方法 運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件,以5 mm厚D500鋼和A514鋼為研究對(duì)象,采用均勻分布的柱體熱源與橢球熱源組合的方法,建立了激光-GMAW焊接熱源模型,對(duì)異種鋼激光電弧復(fù)合焊接過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)所得的焊縫形狀以及焊后殘余應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果 結(jié)果表明,異種鋼激光電弧復(fù)合焊接過(guò)程焊接變形以及殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好。結(jié)論 驗(yàn)證了錐體加柱體熱源與橢球熱源的組合熱源模型在異種鋼激光-GMAW復(fù)合焊接溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)模擬中的適用性,從而為不同焊接工藝條件下異種鋼激光-GMAW復(fù)合焊接的焊縫形狀和尺寸預(yù)測(cè),提供了一種有效的途徑。

異種鋼;熱源模型;激光-GMAW復(fù)合焊;應(yīng)力場(chǎng);數(shù)值模擬

激光電弧復(fù)合焊接通過(guò)激光和電弧兩熱源之間的相互作用,彌補(bǔ)了單一熱源焊接工藝的不足,具有焊接熔深大、焊接速度快、工件變形小、熔池搭橋能力強(qiáng)、易于集成等特點(diǎn)[1—4]。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們?cè)絹?lái)越重視焊接質(zhì)量和焊接生產(chǎn)效率。有限元技術(shù)和焊接技術(shù)的飛速發(fā)展,為數(shù)值模擬技術(shù)提供了有力的工具,焊接溫度場(chǎng)的研究和殘余應(yīng)力的分布情況可以采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析,這樣就可以省去大量的實(shí)驗(yàn),從而可以大大節(jié)省人力、物力和時(shí)間,具有很大的經(jīng)濟(jì)效益[5—7]。D500鋼與A514鋼作為一種低合金高強(qiáng)鋼,具有高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于船舶工業(yè)、橋梁鋼構(gòu)、航空航天等領(lǐng)域。低合金鋼在世界范圍內(nèi)需求的不斷提高使得其在焊接結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用越來(lái)越普遍,焊接質(zhì)量和焊接效率要求也越來(lái)越高。目前,針對(duì)異種鋼激光電弧復(fù)合焊接數(shù)值模擬研究較少,因此,異種鋼焊接過(guò)程殘余應(yīng)力及變形的模擬研究對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。文中以厚度均為5 mm的D500鋼與A514鋼為研究對(duì)象,借助ANSYS有限元分析軟件,對(duì)異種鋼激光-GMAW復(fù)合焊接溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算,并與實(shí)驗(yàn)所得的焊縫形狀以及焊后殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。

1 激光-電弧焊(GMAW)復(fù)合焊接試驗(yàn)

試驗(yàn)選用厚度均為5 mm的D500鋼板和A514鋼板,使用激光+GMAW復(fù)合熱源焊機(jī)頭焊接,復(fù)合焊接裝置如圖1所示,其中,激光器為額定功率3.8 kW的Nd:YAG固體激光器,激光波長(zhǎng)為1.06μm,聚焦透鏡焦距為300 mm,焦點(diǎn)直徑為0.3 mm;脈沖GMAW焊接電源為FroniusTPSS000數(shù)字化電源,對(duì)于一定材料和直徑的焊絲,焊接電流、電弧電壓、送絲速度等焊接規(guī)范參數(shù)可實(shí)現(xiàn)一體化調(diào)節(jié)。焊接時(shí),激光前置,GMAW焊槍在后,兩者夾角為10°,光絲間距為3 mm,激光功率為3000 W;電弧功率為3800 W,焊接速度為20 mm/s。焊接試驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)試樣進(jìn)行線切割、打磨、拋光、腐蝕,獲取接頭截面宏觀試樣,測(cè)量焊縫表面尺寸,并利用X射線法對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定。

圖1 激光-GMAW復(fù)合焊接裝置Fig.1 Set-up for Laser-GMAW welding

2 激光-GMAW復(fù)合焊接模型

2.1 控制方程及邊界條件

由焊接過(guò)程的特點(diǎn)可知,焊接溫度場(chǎng)分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題,非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的控制方程[8]為:

式中:Cρ為定壓比熱容;λ是溫度的函數(shù);Hr為熔化潛熱。

異種鋼激光-GMAW復(fù)合焊接有限元模型如圖2所示。

圖2 復(fù)合焊接有限元模型Fig.2 The finite elementmodel for hybrid welding

對(duì)流邊界條件的處理比較復(fù)雜,施加的氣體保護(hù)焊接過(guò)程包括4種對(duì)流現(xiàn)象,即熔池中液態(tài)金屬的對(duì)流,遠(yuǎn)離熔池區(qū)域的自然對(duì)流,噴嘴下方區(qū)域的保護(hù)氣體強(qiáng)制對(duì)流,以及噴嘴鄰近區(qū)域的保護(hù)氣體流散所造成的強(qiáng)制對(duì)流。在數(shù)值模擬中,熔池內(nèi)的對(duì)流損失一般采用人為的提高導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)處理。為簡(jiǎn)化整個(gè)計(jì)算過(guò)程,采用一個(gè)總傳熱系數(shù),即20 W/(m2·K),試樣初始溫度設(shè)為環(huán)境溫度(20℃)。

2.2 激光-GMAW復(fù)合焊接熱源模型

激光-GMAW復(fù)合熱源焊接過(guò)程中,由于激光和電弧的相互作用,形成一個(gè)溫度極高的熱源(約有11 000 K),對(duì)工件有強(qiáng)烈的加熱作用。對(duì)于激光-GMAW復(fù)合焊接,熱源模型總體上是2種子熱源(電弧、激光)的組合。此外,由于復(fù)合焊接中電弧利用率得以有效提高,等離子體能量在變形熔池內(nèi)部分布較為復(fù)雜。基于激光-電弧能量耦合機(jī)理,復(fù)合熱源模型建立在橢球熱源加錐體熱源加柱體熱源模型基礎(chǔ)之上,通過(guò)調(diào)整相應(yīng)的分布參數(shù),模擬激光和電弧的耦合作用。組合式熱源模型對(duì)于復(fù)合焊而言,相當(dāng)于有一個(gè)橢球分布的體熱源模擬電弧的熱輸入作用,運(yùn)用錐體熱源及柱體熱源來(lái)體現(xiàn)激光焊接典型的“釘頭”和“深熔”的現(xiàn)象。各熱源模型公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[9—12]。

2.3 材料熱物理性能參數(shù)

材料的熱物理性能對(duì)激光-電弧復(fù)合焊的溫度場(chǎng)分布及焊縫成形有著非常重要的影響,其物理性能參數(shù)直接影響溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的形態(tài)和大小[13]。在對(duì)異種鋼激光-GMAW復(fù)合焊模擬分析時(shí)必須確定以下熱物理性能參數(shù):焊件的初始溫度、焊件的熔點(diǎn)(℃)、材料的密度(kg/m3)、導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·℃))、對(duì)流換熱系數(shù)(W/(m2·℃))和比熱容(J/(kg·℃))。除了材料的熔點(diǎn)、工件的初始溫度(20℃)、材料的密度是常數(shù)外,材料的其他屬性參數(shù)都是溫度的函數(shù)。D500鋼與A514鋼物理性能參數(shù)[14—16]見(jiàn)表1—3。

表1 A514鋼應(yīng)力場(chǎng)分析熱物理部分參數(shù)Tab le 1 Part therm al param eters of A514 steel

表2 A514鋼應(yīng)力場(chǎng)分析熱物理部分參數(shù)Tab le 2 Part therm al param eters ofA 514 steel

表3 D500鋼應(yīng)力場(chǎng)分析熱物理性能參數(shù)Tab le 3 Part therm al param eters of D500 steel

3 結(jié)果及分析

3.1 溫度場(chǎng)結(jié)果分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖3所示為2.5 s時(shí)焊件上表面溫度場(chǎng)分布以及1.5 s時(shí)縱截面方向熱循環(huán)曲線圖。

圖3 溫度場(chǎng)分布Fig.3 Temperature distribution on the surface

由圖3a可以看出,激光-GMAW復(fù)合焊接過(guò)程中熱影響區(qū)小,焊縫附近的溫度場(chǎng)梯度大;熱源后方的等溫線稀疏,溫度梯度小;在熱源前方的等溫線密,溫度梯度大。隨著熱源的移動(dòng),相鄰位置的金屬經(jīng)歷不同的熱循環(huán)史,熱源后方的熔融金屬開(kāi)始冷卻凝固并逐漸形成焊縫,而恢復(fù)彈性對(duì)后冷卻的焊縫金屬產(chǎn)生拘束作用,這是誘導(dǎo)殘余應(yīng)力及焊接變形的一個(gè)重要原因。圖3b所示為縱截面方向在1.5 s時(shí)刻的熱循環(huán)曲線。由圖3可以看出,焊接時(shí)試樣經(jīng)歷了一個(gè)快速升溫和緩慢降溫的過(guò)程,且最高溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料的熔點(diǎn),由于2種材料的熱膨脹系數(shù)不同,容易在焊縫周圍產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力應(yīng)變,接頭容易產(chǎn)生缺陷。

圖4為模擬焊縫形狀與實(shí)驗(yàn)焊縫形狀的對(duì)比。實(shí)際焊縫深度為5 mm,上下表面熔寬分別為5.4,1.3 mm,有限元模擬結(jié)果分別為5.0,5.0,1.4 mm。

由圖4和數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可知,組合式熱源模型模擬所得的焊縫形狀與實(shí)驗(yàn)所得的焊縫形狀比較接近,且2種結(jié)果的焊縫尺寸在誤差范圍內(nèi)。

圖4 模擬焊縫形狀與實(shí)驗(yàn)焊縫形狀的對(duì)比Fig.4 Comparison of simulated and experimental weld seam shape

3.2 應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖5所示為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果縱向殘余應(yīng)力對(duì)比。圖5b中實(shí)測(cè)的殘余應(yīng)力分布由X射線法測(cè)得。由圖5可以看出,焊縫處數(shù)值模擬出的焊接殘余應(yīng)力基本上能夠與試驗(yàn)測(cè)量的殘余應(yīng)力結(jié)果相對(duì)應(yīng),曲線變化趨勢(shì)基本一致,實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果中的最大殘余拉應(yīng)力均出現(xiàn)在焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū),且縱向殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為兩端受較小的拉應(yīng)力,越靠近焊縫中間處拉應(yīng)力越大,而在焊縫中心處應(yīng)力略微下降。因?yàn)楹缚p部分的材料最后冷卻,此時(shí)焊縫縱向收縮時(shí)受到已經(jīng)冷卻材料的阻力,焊縫冷卻受阻,焊縫及其附近區(qū)域的縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果中,焊縫左側(cè)的最大殘余應(yīng)力大于焊縫右側(cè)的殘余應(yīng)力,這是由于在同一焊接熱循環(huán)下,A514鋼的熱膨脹系數(shù)比D500鋼的熱膨脹系數(shù)要大,在焊縫冷卻時(shí)產(chǎn)生的收縮較大,致使A514鋼一側(cè)的殘余應(yīng)力較大。

通過(guò)對(duì)模擬所得應(yīng)力曲線和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力曲線進(jìn)行比較分析可知,模擬的應(yīng)力分布曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)得應(yīng)力分布曲線形狀相近,但是模擬得出的殘余應(yīng)力數(shù)值比其實(shí)驗(yàn)得出的殘余應(yīng)力數(shù)值要小。引起殘余應(yīng)力值偏小的原因可能是在進(jìn)行溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)模擬時(shí),對(duì)材料的熱物理性能參數(shù)選擇不當(dāng),建模后的網(wǎng)格劃分疏密程度以及模擬計(jì)算時(shí)時(shí)間載荷步的設(shè)置方式等。

圖5 實(shí)測(cè)殘余應(yīng)力與模擬所得殘余應(yīng)力的對(duì)比Fig.5 Comparison of experimental and simulated residual stress

4 結(jié)論

1)采用錐體-橢球-柱體組合式熱源模型,可以對(duì)5 mm厚的A514與D500異種鋼激光-GMAW復(fù)合焊的溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬,模擬所得焊縫形狀和實(shí)際焊縫截面形狀比較接近。

2)通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果可以看出,實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果中的最大殘余拉應(yīng)力均出現(xiàn)在焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū),且縱向殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為兩端受較小的拉應(yīng)力,越靠近焊縫中間處拉應(yīng)力越大,而在焊縫中心處應(yīng)力略微下降,且A514鋼一側(cè)的殘余應(yīng)力大于D500鋼一側(cè)的殘余應(yīng)力。

3)由試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比分析可知,數(shù)值模擬結(jié)果與測(cè)量的焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律曲線形狀基本一致,但模擬結(jié)果數(shù)值偏小。

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Simulation on Laser-GMAW Hybrid W elding of Heterogeneous Steel

XU Xin-hou1,ZHAO Xiao-qiang1,HUA Peng1,LIXian-fen1,ZHOUWei1,2
(1.School of Material Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China; 2.School of Mechanical and Aerospace Engineering,Nan yang Technological University,Singapore 639798,Singapore)

on the aim of this study was to investigate thewelding thermal field and residual stress field of laser-GMAW hybrid welding.ANSYS finite element softwarewas employed to simulate the welding thermal field and residual stress field of Heterogeneous steel.Laser-GMAW hybrid welding sourcemodelwas built by using Ellipsoid-Cylinder-Cone hybrid heat method,and the results were analyzed.The simulated results were coincided well to the experimental results.The laser-GMAW hybrid welding sourcemodel is applicable in the simulation ofwelding thermal field and residual stress field of Heterogeneous steel,which provided an effectivemethod for predicting weld seam shape and size of heterogeneous steel under differentwelding conditions.

heterogeneous steel;heat sourcemodel;laser-GMAW hybrid welding;welding stress field;simulation

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.015

TG456.7

:A

:1674-6457(2015)04-0071-05

2015-05-25

許新猴(1990—),男,安徽,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榧す怆娀?fù)合焊接技術(shù)。

李先芬(1969—),女,安徽人,博士,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事先進(jìn)焊接工藝及焊接材料研究。