蘇棟棟,王世偉,張昭輝,楊政豫

(1.蘭州理工大學石油化工學院,甘肅 蘭州 730050; 2.蘭州空間技術物理研究所,甘肅 蘭州 730000)

近年來,真空電子束焊接以其功率密度高、焊接熱輸入量小、零件變形小、焊縫深寬比大等優(yōu)點在異種金屬焊接中有著廣泛的應用[1-3]。然而,異種金屬材料焊接由于金屬化學成分不同及材料熱物性參數的差異,往往導致異種金屬焊接過程中焊接熔池不易形成,極大地影響異種金屬的焊接質量。因此,異種金屬真空電子束焊接過程影響因素的研究將對提高焊件質量有著重要的意義[4-6]。

在現有電子束焊接數學模擬研究工作的基礎之上,使用計算流體力學商業(yè)軟件Fluent模擬TC4合金與MoRe47%合金的焊接溫度場,在焊接時分別改變電子束光斑位置、電子束焊接移動速度和電子束電流的大小,探究異種金屬焊接過程中溫度場的分布特性,定量分析真空電子束能量輸入對焊接過程的影響,并給出焊接優(yōu)化措施。

1 真空電子束焊接熱源模型的選擇

準確的熱源模型的選擇是決定能否準確模擬高能束焊接過程溫度場的前提，在進行焊接過程數值模擬時,正確的熱應力分析建立在對焊接溫度場準確分析的基礎之上。在以往的焊接熱過程數值模擬中,研究者針對不同能量的焊接方式提出了面熱源模型、線熱源模型、體熱源模型等多種焊接熱源模型,在此基礎之上還發(fā)展出了雙橢球熱源模型、Gauss 圓柱熱源模型和熱流密度均勻分布的柱狀熱源模型等多體復合熱源模型[7-9]。

從傳熱的角度看,面熱源的物理意義是指電子束所形成的光斑照射于焊接材料表面,光斑所形成的熱量從焊點表面向下及四周方向傳遞。對于電弧焊等低功率焊接方式,面熱源有著較高的準確度,但是對于材料厚度較薄時的高能束焊接是否可行還需研究[10]。

因此,計算采用面熱源模型,材料為厚度約7 mm的合金,采用面熱源計算溫度場及熔池區(qū)域,最終探究面熱源是否與實際過程相符合。

計算采用高斯面熱源分布:

(1)

(2)

2 焊接溫度場數值模擬

2.1 熱邊界條件

計算條件為:電壓60 kV,電流6 mA,焊接熱功率360 W,電子束斑直徑1 mm。基礎工況條件為:速度10 mm/s,真空度5×10-2Pa,焊縫長度25.5 mm,熱源有效利用率為75%。

2.2 網格劃分

使用所建立的三維真空焊接小孔形成及熔池流動過程的數學模型。電子束焦點直徑1 mm,焦平面位于工件的上表面,三維焊接模型見圖1。依據焊接傳熱由熱源中心向四周進行的特點,對計算區(qū)域進行分區(qū)劃分網格,焊接光斑及附近區(qū)域為圓形,網格采用非結構化網格并加密處理,對焊點以外網格采用四面體結構化網格以提高計算精度。離散化處理后單元個數為1×105,采用有限體積法對計算區(qū)域的溫度場進行求解,1個工況的計算時長約為8 h。整體網格劃分見圖2,焊接面網格劃分見圖3。

圖1 焊接模型Fig.1 Welding model

圖2 整體網格Fig.2 Overall grid diagram

圖3 焊接面網格劃分Fig.3 Grid division of welding surface

2.3 焊接瞬時溫度場數值模擬計算

焊接瞬時溫度場數值模擬計算中,設定加速電壓為60 kV,分別改變焊接速度、電子束電流和電子束光斑的位置,將9種工況依次編號為工況1～工況9,具體數據如表1所列。

表1 各工況參數

9種工況的溫度場云圖如圖4～圖12所示。

9種工況通過改變焦點偏移量、改變電子束電流以及改變焊接速度,給出了法蘭試件從初始加熱到達準穩(wěn)態(tài)時不同時刻的溫度場分布及溫度云圖。分析圖4～圖12的溫度場云圖可知,隨著焊接熱的不斷輸入,熱量通過加熱點,逐漸向周圍擴散,由于焊點的移動,溫度場呈現出非均勻分布狀態(tài);由于材料不斷進入加熱區(qū),故溫度梯度很大,溫度升高很快,當達到電子束束斑的中心時,溫度達到最大值,此時中心溫度達到合金氣化的溫度;氣化區(qū)周圍材料達到熔化溫度,這部分區(qū)域材料處于熔化區(qū);當材料移出加熱區(qū)后,開始進入散熱過程,溫度逐漸下降。

圖4 工況1焊接溫度場云圖Fig.4 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 1

圖5 工況2焊接溫度場云圖Fig.5 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 2

圖6 工況3焊接溫度場云圖Fig.6 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 3

圖7 工況4焊接溫度場云圖Fig.7 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 4

圖8 工況5焊接溫度場云圖Fig.8 Cloud diagram of welding temperature fieldin working condition 5

圖9 工況6焊接溫度場云圖Fig.9 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 6

圖10 工況7焊接溫度場云圖Fig.10 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 7

圖11 工況8焊接溫度場云圖Fig.11 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 8

圖12 工況9焊接溫度場云圖Fig.12 Cloud diagram of welding temperature field in working condition 9

不同偏移量下的法蘭中心線剖面處及俯視面的溫度分布云圖如圖4～圖6所示。由于焦點偏移量變化較小,故從圖中不容易看出細微的變化。不同焊接電流下的法蘭中心線剖面處及俯視面的溫度分布云圖如圖7～圖9所示,焊接電流的變化導致焊件整體溫度場升高,并且當焊接電流較小時焊接整體溫度場偏低。不同焊接速度下的法蘭中心線剖面處及俯視面的溫度分布云圖如圖5、圖8和圖11所示,由于焊接速度對溫度場有影響,但是溫度變化的幅度相對較小,故在相鄰的2個工況下似乎看不出溫度場的變化,但仔細對比圖5和圖11還是不難看出,提高焊接速度會導致焊接熔池附近的溫度梯度增大。

2.4 焊接過程參數對比分析

(1) 電子束光斑位置對溫度場影響分析 電子束光斑位置取3種設置:第1種為偏向TC4一側0.2 mm,第2種為光斑位于TC4和MoRe合金的中間位置,第3種為偏向MoRe合金一側0.2 mm。電子束偏移位置對溫度場影響如圖13所示,圖13中黑色的網格是熱源加載位置區(qū)域,白色點劃線是TC4合金和MoRe47%的分界面。

圖13 不同電子束偏移位置溫度場云圖Fig.13 Temperature field nephograms of different electron beam migration locations

由于MoRe合金與TC4合金熱物性性能差異較大,故偏移量對焊接所形成的溫度場影響較大。當焊接光斑偏向TC4一側時,焊接形成的高溫區(qū)位于TC4一側,由于TC4導熱性能低于MoRe47%合金,且TC4的熔點低于MoRe47%合金,所以這種焊接方式會導致TC4過度熔化,而MoRe合金一側熔池不易形成。當焊接光斑位于TC4合金和MoRe47%合金的分界面中心時,形成的高溫區(qū)位于分界面的中心,看似比較合理,但是由于MoRe47%合金熔點較高且導熱性能好,所以MoRe47%合金實際所形成的熔池區(qū)域小于TC4合金側。因此焊接光斑向MoRe47%合金偏移將有助于熔池的形成,從而提高焊接質量。

為了探究焊接過程溫度升降變化趨勢,我們以法蘭中心為圓心,沿著半徑方向依次選取3個點:點Ⅰ、點Ⅱ、點Ⅲ,分別距離圓心2.50 mm、2.85 mm、3.20 mm,其中點Ⅱ光斑位于中心側,各點位置示意圖如圖14所示。選取圖14中的點Ⅰ為研究對象,將不同電子束位置溫度變化曲線進行對比,如圖15所示。圖15中L表示偏向TC4合金一側0.2 mm,M表示光斑位于TC4合金和MoRe合金的中間位置,R表示偏向MoRe合金一側0.2 mm,3個光斑位置距離點Ⅰ由近及遠,距離越近溫度升高幅值越大;通過圖15可以發(fā)現,在0～0.5 s的時間段內溫度迅速升高,在0.5 s以后,溫度逐漸穩(wěn)定。

圖14 各點位置示意圖Fig.14 Schematic diagram of the position of each point

圖15 不同電子束位置溫度變化曲線Fig.15 Temperature curves of different electron beam positions

(2) 電子束移動速度對溫度場影響分析 選取焊接光斑位于TC4合金和MoRe合金的中間位置,電子束移動速度分別為9 mm/s、10 mm/s、11 mm/s。由于MoRe合金與TC4合金熱物性性能差異較大,所以焊接形成的溫度場差異較大,熱云圖對比如圖16所示。

圖16 不同電子束移動速度溫度場云圖Fig.16 Temperature field cloud diagram of different electron beam velocity

不同電子束移動速度下的對應點的曲線如圖17所示,從圖17可以明確看到,當電子束移動速度為9 mm/s時,在穩(wěn)定狀態(tài)下焊接溫度最高,電子束移動速度越快,焊接溫度降低。

圖17 不同電子束移動速度溫度變化曲線Fig.17 Temperature curve of different electron beam velocity

(3) 焊接電流對溫度場影響分析 選取焊接光斑位于TC4合金和MoRe合金的中間位置,焊接速度恒定,改變電子束電流分別為5 mA、6 mA、7 mA。由于MoRe合金與TC4合金熱物性性能差異較大,所以焊接形成的溫度場差異較大,如圖18所示。

圖18 不同焊接電流溫度場云Fig.18 Cloud diagram of temperature field of different welding current

不同電子束電流下的對應點的曲線如圖19所示,從圖19可以明確看到,當電子束電流為7 mA時,在穩(wěn)定狀態(tài)下焊接溫度最高,隨著電流減小,焊接溫度隨之降低。

綜上所示,由不同工況下的溫度云圖可以看出,無論在何種工況下,熔池處溫度均為最高溫度5 000 K,1 s時由于加熱剛開始進行,熔池周圍溫度較低,當達到5 s時,焊接處周圍金屬溫度明顯上升。

同時,觀察溫度云圖圖16和圖18可知,等溫線并不是規(guī)則的弧形,并出現了明顯的斷層,這是由于焊接點兩側采用不同金屬,其導熱系數不同所致[11-12]。此外焊接速度與焊接功率對法蘭溫度場的影響不同,焊接速度的增大導致焊接熔池附近的溫度梯度增大,產生附加的高溫熱應力,易引起焊接材料附加殘余應力增大進而導致焊縫開裂,因此從減小熱應力的角度應降低焊接速度,采取焊前整體預熱,焊后保溫的方式減小焊接殘余應力。

3 熔池形貌與試件對比

為了驗證數值模擬的可靠性,研究用試件做了2組焊接試驗,焊接試件如圖20所示。對數值模擬熔池形貌與焊接試件焊縫熔池形貌進行對比分析。第1組為光斑位于中心,焊接電流為6 mA,形貌對比如圖21所示;第2組為光斑位于中心,焊接電流為5 mA,形貌對比如圖22所示。

圖20 焊接試件Fig.20 Welding specimen drawing

圖21 第1組形貌對比Fig.21 The first comparison chart of Morphology

圖22 第2組形貌對比Fig.22 The second comparison chart of Morphology

圖21(a)和圖22(a)中標尺為液相的分數,紅色部分代表液相,藍色代表固相。由圖21(a)和圖22(a)可看出兩側熔池的大小及深度均不相同,在外側即TC4合金側熔池的熔化區(qū)域較大且深,而在右側MoRe47%合金側熔池熔化區(qū)域較小。

測量圖21(a)中數據得出,數值模擬的熔池深度為0.4 mm,總熔池寬度為0.95 mm,其中TC4合金側熔池寬度為0.65 mm,MoRe47%合金側熔池寬度為0.3 mm。由圖21(b)可測出,實際熔池深度為0.35 mm,總熔池寬度為0.8 mm。計算所得熔池略大于實際熔池,但二者在形貌方面高度一致,分析圖22也可得到類似結論。

4 結論

(1) 通過改變電子束光斑位置,發(fā)現偏移量對焊接溫度場影響較大,由于MoRe合金與TC4合金熱物性性能差異較大,MoRe47%合金側熔點較高且導熱性能較好,所以焊接光斑向MoRe47%合金側偏移將有助于熔池的形成,提高焊接質量。

(2) 通過改變電子束移動速度,發(fā)現當電子束移動速度為9 mm/s時,在穩(wěn)定狀態(tài)下焊接溫度最高,電子束移動速度越快,則焊接溫度越低。

(3) 通過改變電子束電流,發(fā)現當電子束電流為7 mA時,在穩(wěn)定狀態(tài)下焊接溫度最高,隨著電流減小,焊接溫度隨之降低。

(4) 通過對比熔池形貌與試件發(fā)現,計算所得熔池略大于實際熔池,但二者在形貌方面高度一致,充分證明了熔化凝固模型在焊接過程數值模擬中的正確性,同時也驗證了所選熱源模型的準確性。