秦星 王璞 張歸圣

（萬向通達(dá)股份公司，十堰442000）

1 前言

法蘭是車輛排氣系統(tǒng)中重要的密封連接件，而車輛排氣系統(tǒng)是汽車中內(nèi)部環(huán)境變化最大、最復(fù)雜的部件，需要承受-20～850 ℃以上溫差導(dǎo)致的變形、高溫高速廢氣的高頻振動(dòng)及廢氣的化學(xué)腐蝕。因此排氣系統(tǒng)使用的法蘭必須具備連接的可靠性、高強(qiáng)度、耐腐蝕等特點(diǎn)。雖然法蘭的加工工藝保證了單個(gè)法蘭零件的性能，但在排氣系統(tǒng)的制造過程中，法蘭與排氣管焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的變形，導(dǎo)致焊接后的法蘭平面需要再加工來保證原本的平面度要求。如果法蘭的焊接變形較大，可能會(huì)使其無法矯正或再加工后極大影響強(qiáng)度，直接導(dǎo)致廢品產(chǎn)生。因此法蘭焊接后，必須保證其各項(xiàng)性能依然滿足排氣系統(tǒng)的性能要求。

排氣系統(tǒng)的法蘭焊接變形是當(dāng)排氣管與法蘭焊接過程結(jié)束后法蘭的殘余變形，是由于焊縫和法蘭的近縫區(qū)在焊接過程中產(chǎn)生壓縮塑性變形而產(chǎn)生的。在法蘭自由狀態(tài)下進(jìn)行焊接時(shí)，壓縮塑性變形區(qū)域越大，焊接變形也越大。能夠減小壓縮塑性變形區(qū)的工藝措施，就能有效地預(yù)防和減小法蘭的焊接變形。

高溫停留時(shí)間、冷卻速度、熱循環(huán)參數(shù)均會(huì)對(duì)焊件的組織狀態(tài)、力學(xué)性能、冷裂紋產(chǎn)生重要影響。因此對(duì)焊接溫度場的準(zhǔn)確計(jì)算是焊接冶金分析、殘余應(yīng)力和變形計(jì)算及焊接質(zhì)量控制的前提條件。通過選取移動(dòng)高斯熱源的有限元分析驗(yàn)證能夠簡單高效地減少法蘭在焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余變形的優(yōu)化方案。

2 法蘭焊接模型的確立

2.1 高斯移動(dòng)熱源模型

高斯熱源是一種表面點(diǎn)熱源，熱量是從中心點(diǎn)向四周擴(kuò)散，呈現(xiàn)球狀熱量，對(duì)應(yīng)平面就是圓環(huán)熱源。高斯表面熱源分布假設(shè)焊接熱源具有對(duì)稱分布的特點(diǎn)，因此適合用來模擬低速焊接的過程。移動(dòng)焊接熱源在焊接時(shí)，焊件的溫度隨時(shí)間和位置的變化波動(dòng)劇烈，形成了一個(gè)梯度很大且不均勻的溫度場，此溫度場為非線性的瞬態(tài)傳熱形成，因此選取和建立較為精準(zhǔn)的熱源模型也是考察焊接變形的關(guān)鍵之一。

排氣管與法蘭焊接焊縫的熔寬較大、熔深較小、熔池淺，因此可以選取高斯表面熱源模型模擬，其熱源熱流的功率密度方程如下：

式中：q(r)為熱源半徑r處的表面熱流密度，qmax為熱源中心處最大熱流密度，C為熱流集中系數(shù)，r為焊件上任意點(diǎn)至電弧加熱斑點(diǎn)中心的距離。例如，某一點(diǎn)的熱流密度為qmax的5%時(shí)，該點(diǎn)距離熱源中的距離即為r0，因此，

可得C為:

對(duì)應(yīng)最大熱流值qmax為:

式中：P為熱源的有效功率。

式中：η為焊接熱效率，U為焊接電壓，I為電弧電流。

綜上，式（1）可寫為：

如圖1 所示，焊接電弧沿著x方向低速移動(dòng)，由于電弧對(duì)法蘭的熱能傳輸下形成了熔池，其面積即為焊接時(shí)的加熱斑點(diǎn)。

圖1 高斯分布熱源模型

對(duì)于電弧有效加熱半徑的選取，參考實(shí)際生產(chǎn)中內(nèi)徑為72 mm 排氣管法蘭焊接時(shí)焊縫寬度，經(jīng)測量內(nèi)徑為72 mm 的排氣管的法蘭焊接的焊縫寬度基本控制在5～6 mm，而電弧的有效加熱半徑不會(huì)大于實(shí)際焊縫寬度的一半。因此可以設(shè)定電弧有效加熱半徑的最大值rmax= 3 mm。在使用溫度場仿真分析時(shí)，可以通過仿真結(jié)果的溫度和實(shí)際現(xiàn)場測量的焊接溫度差值，來確定使用3 mm 作為電弧有效加熱半徑是否合理，如差異較大，需要適當(dāng)調(diào)整仿真分析所選取的熱源半徑，使溫度場分析的結(jié)果與實(shí)際測量的溫度場盡量一致。

目前Workbench 中的瞬態(tài)熱分析模塊只能用于定義時(shí)間變化或空間變化的邊界條件。定義一個(gè)在空間上和時(shí)間上都不同的載荷，則需要使用APDL 命令。使用移動(dòng)高斯熱源模型則使用下列方程：

式中：v為焊接熱源的移動(dòng)速度，τ為定義熱源初始位置的時(shí)間因子，t為時(shí)間。

2.2 溫度場的計(jì)算模型

設(shè)定模型中模擬的焊接電弧在焊件上沿紅色虛線方向順時(shí)針移動(dòng)，如圖2 所示。

圖2 模型溫度場計(jì)算模型

焊接初始溫度即環(huán)境溫度為28 ℃。需要考慮除焊接軌跡兩側(cè)表面外的其他面的對(duì)流和輻射散熱，忽略氣流及電弧吹氣的影響，建立如下控制方程：

式中：為內(nèi)部生成熱，kx,ky,kz為導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度場的分布函數(shù)，c為材料的比熱容，ρ為材料密度。

對(duì)流邊界條件利用表面效應(yīng)單元在ANSYS 通過SF 命令中的CONV 選項(xiàng)加載到相應(yīng)的對(duì)流區(qū)域，邊界條件為：

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)，qc和qr分別為表面對(duì)流散熱和輻射散熱，Ta和Tb為熱流附近的溫度與模型的表面溫度，σ和ε為玻爾茲曼常數(shù)與發(fā)射率，σ為5.67×10-8W·m-2·℃-4，ε為0.6。

GUI 操作如下：Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Convection，選取焊接面為加載區(qū)域，并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。

2.3 排氣管法蘭焊接有限元模型的建立

建立有限元仿真模型，在不影響移動(dòng)熱源在焊件內(nèi)部熱傳導(dǎo)的前提下，適當(dāng)簡化CAD 模型后，如圖3 所示。

圖3 CAD模型簡化前后

刪除法蘭遠(yuǎn)端的管件，支架和金屬軟管等無需參與計(jì)算的部分，保留重點(diǎn)考察的熱端法蘭與管件焊接的部分。

2.4 邊界條件

通過2 種約束方式來對(duì)比法蘭焊接變形的情況，如圖4 所示。

圖4 2種約束條件下的模型

3 有限元仿真結(jié)果

3.1 有限元模型

將圖4 的簡化后的CAD 模型導(dǎo)入ANSYS Mechanical 建立排氣管與法蘭焊接的有限元模型，根據(jù)模型中焊件的幾何形狀、尺寸，使用六面體網(wǎng)格，并細(xì)化焊縫區(qū)域和近焊縫區(qū)的網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)使用較大尺寸的網(wǎng)格來提高計(jì)算效率，如圖5 所示。

圖5 有限元網(wǎng)格模型

計(jì)算中采用了單元的激活設(shè)置來模擬移動(dòng)熱源及焊縫的形成過程。設(shè)定模型中移動(dòng)熱源施加的位置、路徑、起點(diǎn)、作用時(shí)間，如圖6 所示。

圖6 ANSYS熱源模擬形式

并結(jié)合實(shí)際法蘭焊接情況在計(jì)算輸入中設(shè)置熱流源的速度v=3 mm/s，熱源半徑rmax=3 mm，焊接電壓V=23 V, 焊接電流為I=180 A，需考慮表面換熱，輻射和對(duì)流為主要換熱方式。圖7 為對(duì)流薄膜系數(shù)隨溫度變化情況。

圖7 對(duì)流薄膜系數(shù)

3.2 溫度場結(jié)果

按初始設(shè)定的焊接熱源半徑r，焊接速度v，焊接電壓U和焊接電流I的輸入下，得到模型的溫度場結(jié)果，如圖8 所示。

圖8 4個(gè)時(shí)刻下的溫度場

圖8 展示了焊接過程中0.4 s、12.6 s、21.7 s、31.6 s 時(shí)刻的溫度分布。如圖9 所示，在加熱過程中，隨著熱源的移動(dòng)，焊件各點(diǎn)的溫度迅速升高，經(jīng)過一段時(shí)間后形成一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的溫度場；在隨后的冷卻過程中，由于受到后部熔池的再熱作用，各位值的冷卻速度互不相同，隨時(shí)間變化，最終焊件上的溫度逐漸趨于穩(wěn)定，最終降至室溫。

圖9 溫度場熱源中心點(diǎn)溫度變化

將此4 個(gè)時(shí)刻的溫度最大值與實(shí)際焊接時(shí)的測量結(jié)果對(duì)比，結(jié)果如表1 所示。

表1 溫度場仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比

實(shí)測焊接溫度，使用的是紅外熱成像儀的實(shí)時(shí)測量，其準(zhǔn)確度和效率優(yōu)于傳統(tǒng)的熱電偶測溫方法。其可以在不影響焊接法蘭溫度場的情況下對(duì)熔池位置的溫度快速和準(zhǔn)確的測量。

仿真溫度場結(jié)果與實(shí)測的溫度的誤差在3.1%～10%之間，其產(chǎn)生的主要原因如下：

a.手工焊接的速度無法均勻的保持在3 mm/s的狀態(tài)；

b.仿真的材料高溫屬性1 000 ℃以采用外推法的影響；

c.使用紅外攝像儀取點(diǎn)時(shí)刻與仿真的時(shí)刻會(huì)有一定的偏差。

將求解得到的溫度場結(jié)果作為輸入分別耦合到確定的2 種不同約束的模型中進(jìn)行瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。

3.3 焊接應(yīng)力/應(yīng)變結(jié)果

實(shí)際法蘭焊接過程中，對(duì)法蘭的不均勻加熱，會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。焊接時(shí)焊縫和近縫區(qū)的金屬處于高溫狀態(tài)，焊接后，金屬冷卻沿著焊縫產(chǎn)生縱向收縮時(shí)，會(huì)受到焊件低溫區(qū)域部分的阻礙，因此焊縫和近縫區(qū)縱向受拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)受壓應(yīng)力，于是整個(gè)法蘭縱向和橫向尺寸均會(huì)有一定的收縮率。焊接過程中，如果焊件可以自由地伸縮，則焊接后的變形較大而焊接應(yīng)力較??；反之，焊件較厚或剛度很強(qiáng)，自由伸縮率有限，則焊接后焊件的變形較小，但焊接應(yīng)力較大。

通過ANSYS 瞬態(tài)結(jié)構(gòu)模塊求解得到焊接后的應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果，如圖10 所示。

圖10 焊接后的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果

通過圖10 可以得出，在法蘭端無任何約束的情況下，焊接后法蘭連接斷面的殘余應(yīng)力最大值為17.2 MPa，應(yīng)變最大值為0.3%。而厚板約束法蘭的情況下，焊接后法蘭的殘余應(yīng)力最大值主要集中在法蘭的4 個(gè)螺栓孔內(nèi)側(cè)，法蘭連接端面上的殘余應(yīng)力最大值在178 MPa，應(yīng)變最大為0.05%。

由此判斷，排氣管法蘭焊接時(shí)，使用厚板約束法蘭這種剛性約束的焊接方式，可以有效地降低法蘭連接面上的殘余變形，降低法蘭密封性差的風(fēng)險(xiǎn)。但要注意，以此種方式法蘭焊接，去除約束后殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形。對(duì)仿真結(jié)果分析，根據(jù)其殘余應(yīng)力最大值與彈性極限的差值，判斷是否需要調(diào)整焊接參數(shù)來降低焊接后法蘭上的殘余應(yīng)力。

4 焊接熱源參數(shù)調(diào)整

4.1 模型方案的確定

按選定厚板固定法蘭的焊接方案，調(diào)整模擬焊接熱源的電流和焊接速度。為保證產(chǎn)品對(duì)焊縫寬度要求，對(duì)焊接電壓和熱源有效半徑不做變動(dòng)。具體驗(yàn)證對(duì)比方案的焊接參數(shù)如表2 所示。

表2 熱源參數(shù)調(diào)整方案

焊接時(shí)，熱影響區(qū)各點(diǎn)的最高溫度不同，因此其組織變化也不同，焊接接頭處各區(qū)域的最高加熱溫度和碳鋼相圖，如圖11 所示。

圖11 焊縫熱影響區(qū)組織變化示意

焊接熱影響區(qū)是影響焊接接頭性能的關(guān)鍵部位，焊件失效的部位往往不是發(fā)生在焊縫區(qū)域，而是熱影響區(qū)。因此在調(diào)整焊接參數(shù)后必須仔細(xì)分析熱源中心附近溫度場的狀態(tài)變化，降低對(duì)焊縫熱影響區(qū)的影響。

4.2 溫度場結(jié)果對(duì)比分析

4 種方案的溫度場最高溫度對(duì)比如圖12 所示。

圖12 4種熱源方案的最高溫度

實(shí)際焊接工藝中，在焊接電流和焊接電弧電壓一定的情況下，焊接速度增加時(shí)，焊縫的熔深，熔寬和余高均會(huì)減小。如果速度過快，容易出現(xiàn)咬邊和未熔合的現(xiàn)象，速度減小時(shí)，焊縫變寬，變形量增大，效率降低。焊接電流的大小調(diào)整主要根據(jù)使用的焊條直徑來確定，焊接電流太小，焊接生產(chǎn)效率低，電弧也不穩(wěn)定，焊接電流過大，會(huì)引起融化金屬的飛濺，嚴(yán)重時(shí)可能燒穿焊件。

因此，要在合理范圍內(nèi)降低電流，適當(dāng)加快焊接速度，才能有效地降低焊接時(shí)熱源中心的溫度，減少對(duì)焊接熱影響區(qū)的影響，同時(shí)減少焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形。

4.3 應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果的對(duì)比分析

選取焊接電流160 A，焊接電壓23 V，熱源的有效半徑為3 mm，焊接速度5 mm/s 的移動(dòng)熱源分析得到結(jié)果如圖13 所示。

圖13 160 A，v=5 mm/s 應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果

厚板約束法蘭的情況下，降低焊接電流，加快焊接速度后，法蘭連接端面上的殘余應(yīng)力最大值在98 MPa，應(yīng)變最大為0.02%。

4.4 終選的法蘭焊接參數(shù)

通過以上的驗(yàn)證，對(duì)比主要3 種焊接方式與參數(shù)的結(jié)果，如表3 所示。

表3 主要3種方案的結(jié)果對(duì)比

因此，在排氣管生產(chǎn)中，建議法蘭焊接時(shí)采用厚板固定法蘭，焊接電流160 A，電壓23 V，焊接速度5 mm/s 的方式進(jìn)行排氣管與法蘭的焊接。

5 結(jié)論

a.法蘭焊接在手工電弧焊的實(shí)際熱源特點(diǎn)和其形成焊縫特征使用高斯移動(dòng)平面熱源能夠較好地模擬實(shí)際焊接的情況，并且模擬得到的熔池區(qū)域與實(shí)際焊縫熔合線相符。

b.法蘭與排氣管焊接時(shí)，建議使用法蘭端平板約束的方式進(jìn)行焊接。通過剛性約束增加法蘭的整體剛度從而減小其焊接變形。但需要注意這種剛性約束帶來的法蘭焊接后的殘余應(yīng)力，如果熱分析后，發(fā)現(xiàn)法蘭殘余應(yīng)力值很大，我們需要在后續(xù)調(diào)整焊接熱源參數(shù)時(shí)考慮到殘余應(yīng)力的消除。

c.在選定熱源加熱半徑后，在合理范圍內(nèi)適當(dāng)降低焊接的電流并增加焊接速度，可以降低焊接時(shí)的最高溫度，降低法蘭剛性約束產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，最終有效減少法蘭焊接后的殘余變形，進(jìn)一步保證法蘭裝配后的密封性。