異種鋼激光-電弧焊復合焊接數值模擬

許新猴,趙小強,華鵬,李先芬,周偉,2

(1.合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009; 2.新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院,新加坡639798)

異種鋼激光-電弧焊復合焊接數值模擬

許新猴1,趙小強1,華鵬1,李先芬1,周偉1,2

(1.合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009; 2.新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院,新加坡639798)

目的 研究異種鋼激光-GMAW復合焊接溫度場以及應力場變化。方法 運用ANSYS有限元分析軟件,以5 mm厚D500鋼和A514鋼為研究對象,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,對異種鋼激光電弧復合焊接過程進行了模擬計算,并與實驗所得的焊縫形狀以及焊后殘余應力進行了對比。結果 結果表明,異種鋼激光電弧復合焊接過程焊接變形以及殘余應力實驗結果與數值計算結果吻合較好。結論 驗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復合焊接溫度場及應力場模擬中的適用性,從而為不同焊接工藝條件下異種鋼激光-GMAW復合焊接的焊縫形狀和尺寸預測,提供了一種有效的途徑。

異種鋼;熱源模型;激光-GMAW復合焊;應力場;數值模擬

激光電弧復合焊接通過激光和電弧兩熱源之間的相互作用,彌補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、易于集成等特點[1—4]。隨著社會的進步和科學技術的發展,人們越來越重視焊接質量和焊接生產效率。有限元技術和焊接技術的飛速發展,為數值模擬技術提供了有力的工具,焊接溫度場的研究和殘余應力的分布情況可以采用數值模擬方法進行分析,這樣就可以省去大量的實驗,從而可以大大節省人力、物力和時間,具有很大的經濟效益[5—7]。D500鋼與A514鋼作為一種低合金高強鋼,具有高強度、高韌性的特點,被廣泛應用于船舶工業、橋梁鋼構、航空航天等領域。低合金鋼在世界范圍內需求的不斷提高使得其在焊接結構件上的應用越來越普遍,焊接質量和焊接效率要求也越來越高。目前,針對異種鋼激光電弧復合焊接數值模擬研究較少,因此,異種鋼焊接過程殘余應力及變形的模擬研究對實際生產具有一定的指導意義。文中以厚度均為5 mm的D500鋼與A514鋼為研究對象,借助ANSYS有限元分析軟件,對異種鋼激光-GMAW復合焊接溫度場及應力場進行模擬計算,并與實驗所得的焊縫形狀以及焊后殘余應力進行對比。

1 激光-電弧焊(GMAW)復合焊接試驗

試驗選用厚度均為5 mm的D500鋼板和A514鋼板,使用激光+GMAW復合熱源焊機頭焊接,復合焊接裝置如圖1所示,其中,激光器為額定功率3.8 kW的Nd:YAG固體激光器,激光波長為1.06μm,聚焦透鏡焦距為300 mm,焦點直徑為0.3 mm;脈沖GMAW焊接電源為FroniusTPSS000數字化電源,對于一定材料和直徑的焊絲,焊接電流、電弧電壓、送絲速度等焊接規范參數可實現一體化調節。焊接時,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。焊接試驗結束后,對試樣進行線切割、打磨、拋光、腐蝕,獲取接頭截面宏觀試樣,測量焊縫表面尺寸,并利用X射線法對焊接接頭殘余應力進行測定。

圖1 激光-GMAW復合焊接裝置Fig.1 Set-up for Laser-GMAW welding

2 激光-GMAW復合焊接模型

2.1 控制方程及邊界條件

由焊接過程的特點可知,焊接溫度場分析屬于典型的非線性瞬態熱傳導問題,非線性瞬態熱傳導問題的控制方程[8]為:

式中:Cρ為定壓比熱容;λ是溫度的函數;Hr為熔化潛熱。

異種鋼激光-GMAW復合焊接有限元模型如圖2所示。

圖2 復合焊接有限元模型Fig.2 The finite elementmodel for hybrid welding

對流邊界條件的處理比較復雜,施加的氣體保護焊接過程包括4種對流現象,即熔池中液態金屬的對流,遠離熔池區域的自然對流,噴嘴下方區域的保護氣體強制對流,以及噴嘴鄰近區域的保護氣體流散所造成的強制對流。在數值模擬中,熔池內的對流損失一般采用人為的提高導熱系數來處理。為簡化整個計算過程,采用一個總傳熱系數,即20 W/(m2·K),試樣初始溫度設為環境溫度(20℃)。

2.2 激光-GMAW復合焊接熱源模型

激光-GMAW復合熱源焊接過程中,由于激光和電弧的相互作用,形成一個溫度極高的熱源(約有11 000 K),對工件有強烈的加熱作用。對于激光-GMAW復合焊接,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部分布較為復雜。基于激光-電弧能量耦合機理,復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之上,通過調整相應的分布參數,模擬激光和電弧的耦合作用。組合式熱源模型對于復合焊而言,相當于有一個橢球分布的體熱源模擬電弧的熱輸入作用,運用錐體熱源及柱體熱源來體現激光焊接典型的“釘頭”和“深熔”的現象。各熱源模型公式見參考文獻[9—12]。

2.3 材料熱物理性能參數

材料的熱物理性能對激光-電弧復合焊的溫度場分布及焊縫成形有著非常重要的影響,其物理性能參數直接影響溫度場和應力場的形態和大小[13]。在對異種鋼激光-GMAW復合焊模擬分析時必須確定以下熱物理性能參數:焊件的初始溫度、焊件的熔點(℃)、材料的密度(kg/m3)、導熱系數(W/(m·℃))、對流換熱系數(W/(m2·℃))和比熱容(J/(kg·℃))。除了材料的熔點、工件的初始溫度(20℃)、材料的密度是常數外,材料的其他屬性參數都是溫度的函數。D500鋼與A514鋼物理性能參數[14—16]見表1—3。

表1 A514鋼應力場分析熱物理部分參數Tab le 1 Part therm al param eters of A514 steel

表2 A514鋼應力場分析熱物理部分參數Tab le 2 Part therm al param eters ofA 514 steel

表3 D500鋼應力場分析熱物理性能參數Tab le 3 Part therm al param eters of D500 steel

3 結果及分析

3.1 溫度場結果分析及實驗驗證

圖3所示為2.5 s時焊件上表面溫度場分布以及1.5 s時縱截面方向熱循環曲線圖。

圖3 溫度場分布Fig.3 Temperature distribution on the surface

由圖3a可以看出,激光-GMAW復合焊接過程中熱影響區小,焊縫附近的溫度場梯度大;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,相鄰位置的金屬經歷不同的熱循環史,熱源后方的熔融金屬開始冷卻凝固并逐漸形成焊縫,而恢復彈性對后冷卻的焊縫金屬產生拘束作用,這是誘導殘余應力及焊接變形的一個重要原因。圖3b所示為縱截面方向在1.5 s時刻的熱循環曲線。由圖3可以看出,焊接時試樣經歷了一個快速升溫和緩慢降溫的過程,且最高溫度已經遠遠高于材料的熔點,由于2種材料的熱膨脹系數不同,容易在焊縫周圍產生過大的應力應變,接頭容易產生缺陷。

圖4為模擬焊縫形狀與實驗焊縫形狀的對比。實際焊縫深度為5 mm,上下表面熔寬分別為5.4,1.3 mm,有限元模擬結果分別為5.0,5.0,1.4 mm。

由圖4和數據對比結果可知,組合式熱源模型模擬所得的焊縫形狀與實驗所得的焊縫形狀比較接近,且2種結果的焊縫尺寸在誤差范圍內。

圖4 模擬焊縫形狀與實驗焊縫形狀的對比Fig.4 Comparison of simulated and experimental weld seam shape

3.2 應力場結果分析及實驗驗證

圖5所示為實驗結果與模擬結果縱向殘余應力對比。圖5b中實測的殘余應力分布由X射線法測得。由圖5可以看出,焊縫處數值模擬出的焊接殘余應力基本上能夠與試驗測量的殘余應力結果相對應,曲線變化趨勢基本一致,實測結果與模擬結果中的最大殘余拉應力均出現在焊縫兩側的熱影響區,且縱向殘余應力主要表現為兩端受較小的拉應力,越靠近焊縫中間處拉應力越大,而在焊縫中心處應力略微下降。因為焊縫部分的材料最后冷卻,此時焊縫縱向收縮時受到已經冷卻材料的阻力,焊縫冷卻受阻,焊縫及其附近區域的縱向應力為拉應力。模擬結果與實測結果中,焊縫左側的最大殘余應力大于焊縫右側的殘余應力,這是由于在同一焊接熱循環下,A514鋼的熱膨脹系數比D500鋼的熱膨脹系數要大,在焊縫冷卻時產生的收縮較大,致使A514鋼一側的殘余應力較大。

通過對模擬所得應力曲線和實驗測得的應力曲線進行比較分析可知,模擬的應力分布曲線與實驗測得應力分布曲線形狀相近,但是模擬得出的殘余應力數值比其實驗得出的殘余應力數值要小。引起殘余應力值偏小的原因可能是在進行溫度場及應力場模擬時,對材料的熱物理性能參數選擇不當,建模后的網格劃分疏密程度以及模擬計算時時間載荷步的設置方式等。

圖5 實測殘余應力與模擬所得殘余應力的對比Fig.5 Comparison of experimental and simulated residual stress

4 結論

1)采用錐體-橢球-柱體組合式熱源模型,可以對5 mm厚的A514與D500異種鋼激光-GMAW復合焊的溫度場進行準確模擬,模擬所得焊縫形狀和實際焊縫截面形狀比較接近。

2)通過應力場模擬結果可以看出,實測結果與模擬結果中的最大殘余拉應力均出現在焊縫兩側的熱影響區,且縱向殘余應力主要表現為兩端受較小的拉應力,越靠近焊縫中間處拉應力越大,而在焊縫中心處應力略微下降,且A514鋼一側的殘余應力大于D500鋼一側的殘余應力。

3)由試驗結果與模擬結果對比分析可知,數值模擬結果與測量的焊接殘余應力分布規律曲線形狀基本一致,但模擬結果數值偏小。

[1]田川,聞義.激光電弧復合焊接——一種新型焊接方法[J].機車車輛工藝,2005,4(2):5—10. TIAN Chuan,WEN Yi.A New Welding Process:Laser—Arc Hybrid Welding[J].Locomotive&Rolling Stock Technology,2005,4(2):5—10.

[2]盧振洋,劉建,黃鵬飛,等.基于ANSYS薄板GTAW焊接溫度場數值模擬[J].微計算機信息,2007,23(4):291—292. LU Zhen-yang,LIU Jian,HUANG Peng-fei,etal.Simulation on Welding Temperature Field of GTAW on ANSYS[J]. Microcomputer Information,2007,23(4):291—292.

[3]FENG Gao,QIAN Yi-yu.Micromechanical Properties of Heterogeneous Aluminum-silicon Brazed Joint[J].Materials Letters,2004(58):2861—2866.

[4]KELVIIWei Guo.Influence of In Situ Reaction on the Microstructure of SiCp/AlSi7Mg Welded by Nd:YAG Laser with Ti Filler[J].JMEPEG,2010(19):52—58.

[5]崔旭明,李劉合,張彥華.激光-電弧復合熱源焊接[J].焊接技術,2003,32(2):19—21. CUIXu-min,LILiu-he,ZHANG Yan-hua.Laser-arc Hybrid Welding[J].Welding Technology,2003,32(2):19—21.

[6]武傳松.焊接熱過程與熔池形狀[M].北京:機械工業出版社,2007. WU Chuan-song.Welding Thermal Process and Pool Shape [M].Beijing:Machinery Industry Press,2007.

[7]LEEW B,YEON Y M,JUNG SB.The ImprovementofMechanical Properties of Friction Stir Welded A356 Al Alloy [J].Materials Science and Engineering,2003(355):154—159.

[8]李冬林.基于ANSYS軟件焊接溫度場應力場模擬研究[J].湖北工業大學學報,2005,20(5):81—83. LIDong-lin.Simulation Research for Welding Temperature and Stress Field Based on ANSYS[J].Journal of Hubei U-niversity of Technology,2005,20(5):81—83.

[9]張旭東.CO2激光-MIG同軸復合焊方法及鋁合金焊接的研究[J].應用激光,2005,25(1):1—3. ZHANG Xu-dong.Coaxial Hybrid CO2Laser-MIGWelding System and Its Application in Welding of Aluminum[J]. Applied Laser,2005,25(1):1—3.

[10]AMIRIZADM,KOKABIA H,GHARACHEH MA,etal.E-valuation of Microstructure and Mechanical Properties in Friction Stir Welded A356+15%SiCp Cast Composite[J]. Materials Letters,2006(60):565—568.

[11]XU C L,JIANG Q C.Morphologies of Primary Silicon in Hypereutectic Al—Sialloyswith MeltOverheating Temperature and Cooling Rate[J].Materials Science and Engineering A,2006(437):451—455.

[12]張春平,李萌盛,秦琳.基于ANSYS的異種鋼焊接殘余應力的數值模擬[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2003,26(3):460—463. ZHANG Chun-ping,LI Meng-sheng,QIN Lin.Numerical Simulation of Residual Stress in Dissimilar Steel Based on ANSYS[J].Journal of Hefei University of Technology (Natural Science),2003,26(3):460—463.

[13]CHEN Ming-hua,LI Chen-bin,LIU Li-ming.Research of Discharge Status of Arc Plasma Enhanced by Laser Enhanced Research[J].High Voltage Engineering,2013,39 (7).

[14]吳圣川,劉建華.鋁合金激光-電弧復合焊的有限元數值[J].模擬航空制造技術,2005(12):74—76. WU Shen-chuang,LIU Jian-hua.Finite Element Simulation on Laser-arc Hybrid Welding of Aluminum Alloy[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2005(12):74—76.

[15]GHOSH M,KUMAR K,KAILASS V,et al.Optimization of Friction Stir Welding Parameters for Dissimilar Aluminum Alloys[J].Materials and Design,2010(31):3033—3037.

[16]MA Zhi-hua,CHEN Dong-gao,TAN Bin.Effect of Laser-MIG Hybrid Welding of5052 Alloy on Weld Forming[J]. Material Science and Engineering,2012,2(35):76—80.

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,主要研究方向為激光電弧復合焊接技術。

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