馮 睿, 王 磊, 陸萬(wàn)全, 王光宇, 喬及森*

(1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2.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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730050)

金屬三明治結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)異的比剛度、比強(qiáng)度以及良好的吸能特性被廣泛應(yīng)用于船舶制造等領(lǐng)域[1].傳統(tǒng)I型三明治板常采用T形搭接激光焊的方法實(shí)現(xiàn)上下面板與中間芯板的連接[2].研究表明，激光焊接常使得T形接頭連接寬度不足，進(jìn)而對(duì)構(gòu)件承載能力造成一定影響[3].為解決這一問(wèn)題，F(xiàn)BCA焊被應(yīng)用于金屬三明治板制造中[4]，利用焊劑片對(duì)焊接電弧特有的固壁約束作用以及熱壓縮作用有效抑制超窄間隙焊道內(nèi)電弧攀升，從而獲得面板與芯板熔合良好的T形接頭，解決了超窄間隙焊道內(nèi)壁熔寬不足以及焊根部成形不良等問(wèn)題[5].

焊接過(guò)程不均勻的溫度場(chǎng)分布將會(huì)對(duì)接頭組織及焊接質(zhì)量造成一定影響.針對(duì)高強(qiáng)鋼厚板打底焊接過(guò)程中常發(fā)生的焊接缺陷等問(wèn)題，楊東青等[6]采用數(shù)值模擬方法從溫度場(chǎng)的角度研究了不同裝配精度對(duì)打底焊縫根部熔合情況的影響，發(fā)現(xiàn)鈍邊量及錯(cuò)邊量之和不超過(guò)4 mm時(shí)，可獲得熔合良好的根部焊縫，為實(shí)際厚板雙弧焊的應(yīng)用提供了合適的工藝窗口.胥國(guó)祥等[7]則從宏觀傳熱學(xué)角度出發(fā)，根據(jù)焊縫橫斷面幾何形貌特征建立了適用于求解搖動(dòng)電弧窄間隙GMAW溫度場(chǎng)的熱源模型并對(duì)其熱過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)此類方法后續(xù)工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了理論指導(dǎo).為有效改善異種金屬間的連接問(wèn)題，王岑等[8]建立了鎂/鈦異種合金薄板在CMT焊作用下的有限元模型并對(duì)其溫度場(chǎng)分布特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)送絲速度的增加可有效改善接頭間的成形質(zhì)量.在FBCA三明治板焊接過(guò)程中，壓縮電弧在特殊直角坡口內(nèi)燃燒，一次性完成T形接頭單道焊三面成形工作，其熱源模型既不同于常規(guī)厚板窄間隙條件下的約束電弧熱源，也不同于普通薄板雙面成形下的焊接熱源，而是一種新的特殊熱源模式，是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼三明治板焊接制造的關(guān)鍵技術(shù).因此，研究FBCA焊作用下T形接頭的熱過(guò)程對(duì)于后續(xù)提升構(gòu)件整體質(zhì)量具有重要意義.

本文基于ABAQUS非線性有限元軟件，開發(fā)了一種適用于FBCA焊接T形接頭溫度場(chǎng)計(jì)算的有限元模型.利用紅外熱像測(cè)量技術(shù)對(duì)待焊材料的發(fā)射率進(jìn)行標(biāo)定并將溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相比較，驗(yàn)證了所開發(fā)有限元模型準(zhǔn)確性的同時(shí)還詳細(xì)探討了FBCA焊作用下T形接頭的溫度場(chǎng)分布特征，有效預(yù)測(cè)了T形接頭的熱影響區(qū)范圍.

1 試驗(yàn)材料及方法

采用OTC FD-V6示教型焊接機(jī)器人對(duì)裝配好的T形接頭進(jìn)行FBCA焊接試驗(yàn)，焊接電流280 A、焊接電壓25 V、焊接速度7.5 mm/s，工件裝配及焊劑片的貼敷如圖1所示.T形接頭試樣由三塊尺寸均為150 mm×50 mm×5 mm的BS960低合金高強(qiáng)鋼構(gòu)成，填充材料為直徑1.2 mm的ER120S-G高強(qiáng)鋼專用焊絲，母材與焊材的化學(xué)成分見表1.

表1 母材與焊材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 FBCA焊T形接頭裝配示意圖

圖2為T形接頭FBCA焊后表面成形及截面形貌.由圖2可知，T形接頭FBCA焊后表面成形良好.焊后的構(gòu)件采用線切割取樣，經(jīng)砂紙打磨，拋光，4%硝酸酒精溶液腐蝕后即可獲得T形接頭的截面輪廓形貌,并將其應(yīng)用于后續(xù)熱源模型的建立及校核.

圖2 T形接頭FBCA焊后表面成形及其截面形貌

使用FLIR A655sc型紅外熱像儀對(duì)T形接頭焊接過(guò)程溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集.該儀器像素為640 pixel×480 pixel，試驗(yàn)中儀器最大測(cè)溫為100～2 000 ℃，拍攝頻率為50 Hz.

紅外熱像儀測(cè)溫原理基于Stefan-Boltzmann定律展開：

ET=εσT4

(1)

式中：ET為輻射能；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)；T為所測(cè)物體的熱力學(xué)溫度；ε為材料發(fā)射率，取值介于0～1.為減小紅外熱像儀溫度測(cè)量誤差，需對(duì)待測(cè)工件發(fā)射率進(jìn)行標(biāo)定.圖3a為BS960鋼的發(fā)射率標(biāo)定示意圖，點(diǎn)A距起弧點(diǎn)15 mm處；采用K型熱電偶結(jié)合紅外熱像儀實(shí)時(shí)標(biāo)定校準(zhǔn)紅外測(cè)量設(shè)備，調(diào)整待測(cè)材料發(fā)射率直至紅外熱像儀與熱電偶所測(cè)A點(diǎn)溫度近似相等為止[9].圖3b為K型熱電偶與紅外熱像儀測(cè)量點(diǎn)熱循環(huán)曲線對(duì)比圖，經(jīng)多次校準(zhǔn)后取焊接材料的紅外發(fā)射率為0.85.經(jīng)對(duì)比，A點(diǎn)采用K型熱電偶與紅外熱像儀測(cè)溫所得結(jié)果平均誤差為4.37%，滿足后續(xù)溫度場(chǎng)測(cè)試精度要求.

圖3 紅外熱像儀測(cè)量系統(tǒng)

2 焊接溫度場(chǎng)有限元計(jì)算方法

2.1 有限元模型

為保證溫度場(chǎng)求解精度，構(gòu)建了與實(shí)際待焊構(gòu)件相同尺寸的有限元模型.選用熱傳遞分析步來(lái)計(jì)算T形接頭的焊接熱過(guò)程，將整個(gè)時(shí)間域劃分為焊接過(guò)程與冷卻過(guò)程兩部分，其中焊接過(guò)程所用時(shí)間為20 s，工件整體冷卻時(shí)間為600 s，計(jì)算所用到的分析步總時(shí)間為620 s.如圖4所示，為平衡計(jì)算精度與求解效率之間的關(guān)系，采用過(guò)渡網(wǎng)格的劃分方法對(duì)T形接頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10].模型整體選用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，焊縫處最小網(wǎng)格尺寸為1 mm×1.25 mm×1.25 mm，遠(yuǎn)離焊縫處最大網(wǎng)格尺寸為6 mm×5.5 mm×2.5 mm.溫度場(chǎng)求解過(guò)程中的網(wǎng)格單元類型為DC3D8[11]，節(jié)點(diǎn)數(shù)及網(wǎng)格數(shù)量分別為17 998和14 250，并采用“Model Change”功能模擬焊絲的填充過(guò)程.

在公眾網(wǎng)絡(luò)事件中，政府信息發(fā)布常以文書通告或者新聞發(fā)布會(huì)的形式進(jìn)行，文書通告與新聞發(fā)言人作為政府“權(quán)威解釋”，需要慎之又慎。 T中學(xué)事件的啟發(fā)是，政府職能部門在進(jìn)行輿情發(fā)布前，應(yīng)當(dāng)做好資料搜集整理工作，使發(fā)布的內(nèi)容合情合理，并對(duì)一些由于專業(yè)性較強(qiáng)而容易造成誤解的地方作充分說(shuō)明。 發(fā)布中，需要秉承“3T”原則，發(fā)布及時(shí)、完整、全面、謹(jǐn)慎、科學(xué)易懂的已知信息。 發(fā)布后，通過(guò)與民眾的互動(dòng)，及時(shí)追蹤網(wǎng)民反饋情況，針對(duì)民眾們的疑點(diǎn)作出詳細(xì)解答，甚至邀請(qǐng)專業(yè)人員、網(wǎng)絡(luò)大V等在傳統(tǒng)媒體領(lǐng)域和自媒體領(lǐng)域進(jìn)行協(xié)助。

圖4 T形接頭3D有限元網(wǎng)格模型

2.2 邊界條件與材料熱物理性能

對(duì)于焊接熱分析而言，采用非線性傳熱方程描述焊接電弧所產(chǎn)生的熱在工件內(nèi)部傳導(dǎo)過(guò)程：

(2)

式中：ρ為材料密度,kg/m3；c為材料比熱容,J/(kg·K)-1；Q為內(nèi)熱源,W/m3.考慮工件表面通過(guò)對(duì)流與輻射兩種方式向環(huán)境散熱，其表達(dá)式為

式中：qc與qr分別為對(duì)流及輻射傳熱；hc為對(duì)流散熱系數(shù)，設(shè)為15 W/(m2·K)；ε為輻射換熱系數(shù)，取值為0.85；σ為玻爾茲曼常數(shù)；Ts為構(gòu)件表面溫度；T0為環(huán)境溫度，取值20 ℃.采用增大接觸面間的對(duì)流散熱系數(shù)簡(jiǎn)化實(shí)際焊接過(guò)程中T形接頭面板底部及芯板側(cè)壁與夾具間的接觸散熱過(guò)程，經(jīng)多次試驗(yàn)選取接觸面間的對(duì)流散熱系數(shù)為25 W/(m2·K).圖5所示為BS960高強(qiáng)鋼的材料參數(shù)[12]，由于焊材與母材同材質(zhì),因此取焊縫金屬與母材金屬相同的材料屬性，求解過(guò)程中還考慮了材料的熱物理性能隨溫度變化這一特點(diǎn).

圖5 材料熱物理性能參數(shù)

2.3 熱源模型

在T形接頭FBCA焊接溫度場(chǎng)的求解過(guò)程原則上可以考慮任何復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題，但為了獲得有限元計(jì)算過(guò)程的數(shù)值解，通常采用分布函數(shù)來(lái)替代實(shí)際的熱源模型并在用分布函數(shù)解析求解焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)時(shí)，常將工件中的熱量傳遞問(wèn)題視為純導(dǎo)熱問(wèn)題，忽略焊接過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及熔池內(nèi)部流體的流動(dòng)過(guò)程[13].根據(jù)圖2中T形接頭FBCA焊后截面形貌倒立梯形特點(diǎn)，為了更好地體現(xiàn)出T形接頭在FBCA焊作用下所表現(xiàn)出的截面形貌分布規(guī)律，采用復(fù)合式移動(dòng)熱源模型[14]模擬FBCA焊接T形接頭的熱輸入，如圖6所示.其中高斯面熱源用于描述焊接電弧對(duì)工件表面的加熱情況，圓錐體熱源用于描述焊劑片作用下電弧對(duì)面板側(cè)壁及芯板底部的加熱過(guò)程，復(fù)合熱源熱流密度表達(dá)式為

圖6 復(fù)合熱源模型

式中：Qs為高斯面熱源功率；Qv為圓錐體熱源功率；Q為復(fù)合熱源有效熱功率；η為焊接熱效率，取值0.75；U為焊接電壓，取值25 V；I為焊接電流，取值280 A；β為熱源分配系數(shù)，此處取值0.45；z為圓錐體熱源作用方向，即為工件沿Z軸正方向；R為離開熱源中心的距離；H為圓錐體熱源的作用深度;R0為高斯面熱源有效作用半徑;Rs為圓錐體熱源有效作用半徑，通過(guò)此三者的定義將T形接頭FBCA焊接過(guò)程中焊劑片對(duì)熱源形貌的影響考慮在內(nèi)，經(jīng)對(duì)圖2中T形接頭FBCA焊后截面形貌測(cè)量，三者取值分別為0.006、0.005與0.002 7.

3 結(jié)果與討論

3.1 FBCA焊接T形接頭溫度場(chǎng)分布特征

圖7所示為計(jì)算得到的不同時(shí)刻FBCA焊接T形接頭整體溫度場(chǎng)分布云圖.其中灰色部位為峰值溫度高于1 480 ℃的區(qū)域，屬于焊縫區(qū)；淺藍(lán)色分界面為215 ℃，淺藍(lán)色與灰色之間的區(qū)域?yàn)楹附訜嵊绊憛^(qū)；深藍(lán)色部分則為母材區(qū)域，溫度介于20～141 ℃.如圖7a所示，在前0.5 s起弧階段內(nèi)熱源尺寸較小，溫度波動(dòng)范圍較大，這是由于起弧階段的熱流密度沒(méi)有完全加載到模型中所致，此時(shí)峰值溫度僅為1 193 ℃；隨著時(shí)間推移，如圖7b和圖7c所示，熱源作用區(qū)域各點(diǎn)溫度逐漸升高，最終熱源作用中心區(qū)域的峰值溫度保持在2 045 ℃左右且溫度場(chǎng)分布特征基本保持穩(wěn)定；T形接頭的 FBCA焊接過(guò)程中熱影響區(qū)范圍較大，熱源沿焊接方向呈現(xiàn)不規(guī)則橢圓狀，熱源前端等溫線密集，后端等溫線稀疏；由于焊接過(guò)程中的熱積累效應(yīng)使得圖7d中t=20 s時(shí)T形接頭沿焊縫中心線結(jié)束點(diǎn)的最高溫度要遠(yuǎn)高于起弧階段處.圖7e和圖7f分別為T形接頭冷卻27 s與600 s時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖，由于T形接頭同材質(zhì)，使得其溫度場(chǎng)分布特征自始至終沿焊縫中心均勻分布且由于構(gòu)件兩端相對(duì)于中部而言其與環(huán)境接觸的比表面積更大，對(duì)流散熱能力要略高于中部，由此使得冷卻結(jié)束后構(gòu)件的溫度分布主要集中于中心部位.

圖7 T形接頭溫度場(chǎng)演變

3.2 FBCA焊接T形接頭熱循環(huán)曲線對(duì)比

為全面了解FBCA焊接T形接頭溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，分別對(duì)比沿面板和芯板兩條路徑各點(diǎn)處的熱循環(huán)曲線.圖8a所示為T形接頭路徑及特征點(diǎn)示意圖，點(diǎn)C位于焊縫中心區(qū)域、點(diǎn)D、E、F分別位于路徑1焊道邊緣的面板部位；點(diǎn)G、H、I則位于路徑2焊道邊緣的芯板部位.圖8b經(jīng)計(jì)算所得點(diǎn)C、D、E、F的峰值溫度分別為2 043、1 832、1 450、870 ℃.由于C點(diǎn)處的熱循環(huán)曲線在計(jì)算過(guò)程采用“Model Change”功能模擬焊絲的填充過(guò)程，因此在初始階段焊縫中心處網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處于未激活狀態(tài)且處于室溫，直至熱源到達(dá)相應(yīng)位置后特定位置的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)被依次激活，溫度快速上升至2 043 ℃左右后空冷至室溫；由于點(diǎn)D、E、F均未被熱源直接加熱，由此導(dǎo)致其峰值溫度遠(yuǎn)小于焊縫中心處.圖8c計(jì)算所得芯板處點(diǎn)G、H、I的峰值溫度分別為1 485、869、568 ℃，遠(yuǎn)小于相同距離處面板部位各點(diǎn)峰值溫度，由此說(shuō)明FBCA焊接T形接頭面板和芯板部位的熱量分配不一致，具體表現(xiàn)為熱量主要集中作用于T形接頭面板區(qū)域.

圖8 不同路徑熱循環(huán)曲線對(duì)比

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

如圖9所示，截取t=12 s時(shí)焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)下的T形接頭橫截面溫度場(chǎng)分布云圖并與相同工藝參數(shù)下FBCA焊接T形接頭的截面形貌相對(duì)比.結(jié)果表明，計(jì)算所得到的焊縫截面形貌與實(shí)際接頭吻合良好，均呈現(xiàn)出上寬下窄的倒立梯形狀，計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)際接頭形貌滿足焊縫截面形貌邊界準(zhǔn)則，有效驗(yàn)證了所建立復(fù)合熱源模型的合理性.

圖9 T形接頭截面形貌對(duì)比

3.3.2測(cè)量點(diǎn)熱循環(huán)曲線對(duì)比

采用紅外熱像儀對(duì)T形接頭FBCA焊過(guò)程中上面板表面溫度動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行記錄，測(cè)量點(diǎn)位置如圖10a所示，隨后將試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相對(duì)比.如圖10b所示，采用紅外熱像儀測(cè)量得到的特征點(diǎn)熱循環(huán)曲線與計(jì)算結(jié)果基本吻合；點(diǎn)A試驗(yàn)測(cè)量得到的峰值溫度為1 214 ℃，計(jì)算得到的峰值溫度為1 233 ℃，誤差為1.6%；點(diǎn)B試驗(yàn)測(cè)量得到的峰值溫度為888 ℃，計(jì)算得到的峰值溫度為910 ℃，誤差為2.5%；由于紅外熱像儀最低記錄溫度為100 ℃，且計(jì)算過(guò)程中忽略了熔池波動(dòng)和工件表面對(duì)流散熱系數(shù)隨溫度變化，導(dǎo)致降溫階段的實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果有一定誤差.但總體而言，所開發(fā)的有限元模型可以對(duì)T形接頭FBCA焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行有效計(jì)算.

圖10 測(cè)量點(diǎn)熱循環(huán)曲線對(duì)比

3.3.3T形接頭熱影響區(qū)寬度預(yù)測(cè)

圖11a所示為采用低倍光學(xué)顯微鏡拍攝到的FBCA焊接T形接頭宏觀形貌及熱影響區(qū)分布圖.T形接頭可分為WZ(焊縫區(qū))，HAZ(熱影響區(qū))與BM(母材區(qū)).由于母材供貨狀態(tài)為淬火結(jié)合低溫回火態(tài)，因此T形接頭熱影響區(qū)的分布介于回火溫度(230 ℃)與熔點(diǎn)(1 480 ℃)之間.圖11b所示為計(jì)算所得熱影響區(qū)分布形貌，其與實(shí)際接頭熱影響區(qū)形貌分布規(guī)律相同，最終計(jì)算所得面板處熱影響區(qū)寬度約為4.8 mm，芯板處熱影響區(qū)寬度約為2.7 mm，F(xiàn)BCA焊接T形接頭面板處的熱影響區(qū)寬度遠(yuǎn)大于芯板處，由此表明FBCA焊接T形接頭熱量集中作用于面板部位，所開發(fā)的有限元模型可以為后期FBCA焊接T形接頭的工藝參數(shù)優(yōu)化及預(yù)測(cè)不同區(qū)域的焊后組織狀態(tài)奠定基礎(chǔ).

圖11 T形接頭熱影響區(qū)分布圖

4 結(jié)論

1)基于ABAQUS非線性有限元軟件，建立了適用于求解T形接頭FBCA焊接溫度場(chǎng)的三維有限元計(jì)算模型，結(jié)果表明，所開發(fā)的有限元模型可以很好地還原FBCA焊接T形接頭的溫度場(chǎng)變化情況.

2)通過(guò)焊縫及焊接熱影響區(qū)處的溫度演化試驗(yàn)測(cè)試及有限元計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，焊接過(guò)程中面板熱影響區(qū)寬度遠(yuǎn)大于芯板處，F(xiàn)BCA焊接T形接頭熱量分布主要集中作用于面板部位.

3)采用復(fù)合式移動(dòng)熱源模型計(jì)算所得接頭形貌與實(shí)際FBCA焊接T形接頭截面形貌相一致，同時(shí)測(cè)量點(diǎn)熱循環(huán)曲線與計(jì)算結(jié)果基本吻合，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所開發(fā)的有限元計(jì)算模型在求解T形接頭FBCA焊接溫度場(chǎng)是可靠的.

致謝：本文得到省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合基金培育項(xiàng)目(18LHPY007)的資助，在此表示感謝.