復合鋁合金薄壁管在高頻感應焊中溫度場的模擬

劉小東，王志偉，陳 洪，潘戀戀

（湖北工業大學綠色輕工材料湖北省重點實驗室，湖北武漢430068）

復合鋁合金薄壁管在高頻感應焊中溫度場的模擬

劉小東，王志偉，陳 洪，潘戀戀

（湖北工業大學綠色輕工材料湖北省重點實驗室，湖北武漢430068）

復合鋁合金薄壁管高頻感應焊接過程中，焊接溫度是影響焊接質量的主要因素。采用有限元分析軟件ANSYS模擬其溫度場，考慮薄管一次焊透和熱計算的邊界條件，利用線熱源模型加載計算，得出焊接過程的溫度分布和熱循環曲線，這為進一步分析焊接應力應變提供了相應的理論依據。

薄壁管；有限元；溫度場

0 前言

高頻焊管是利用高頻電流的集膚效應和鄰近效應，將待焊管坯的邊緣迅速加熱到熔融狀態，并在擠壓輥的作用力下形成焊縫[1]。焊接溫度和擠壓力是影響焊縫質量的重要工藝參數，而擠壓力由一對擠壓輥調節控制，相對穩定，故控制焊接溫度是保證焊接質量的核心。生產實踐表明，焊接溫度過高會浪費焊接功率，使待焊邊緣部分熔化過多，甚至發生焊縫燒穿現象，影響焊縫的表面質量和焊管的合格率；焊接溫度過低則會使待焊處熱輸入不足，引起冷焊，降低焊管質量[2]。因此分析焊管的溫度場及焊縫周圍的溫度分布十分重要。

目前受技術條件的限制，無法準確實時測量焊管的溫度場，而主要依靠經驗判斷和解析進行計算，隨著計算機和有限元技術的發展，數值解法成為當前研究的熱點[3-5]。通過有限元軟件ANSYS模擬焊管焊接過程的溫度場，可以得出任意時刻任意截面的溫度分布圖，也可以觀察其溫度的等值面、等值線隨時間變化的情況，以及任意點的溫度-時間曲線[6]，為實際焊管焊接提供一定的理論依據。

1 高頻焊接過程數學模型的建立

1.1 控制方程

高頻感應焊焊接過程是高度非線性的瞬態問題，焊接材料的熱物理性能隨著溫度的變化而變化，它的溫度場控制方程為

1.2 熱源模型

高頻焊管焊接是一次焊透，可以把熱源看成沿管子厚度的一條線，故采用線熱源模型進行熱計算，其加熱體內部熱源強度函數[7]為

式中Cr為熱容量或體積熱容[單位：J/（m3·℃）]；ρ為電阻率（單位：Ω·m）；η為效率；J0為表面電流密度（單位：A/m2）[J0=I/Δh0，I為焊接電流；h0為管子厚度（單位：mm）；電流滲透厚度單位：mm）；f為電流頻率（單位：Hz）]。

1.3 邊界條件

1.3.1對流換熱

對流作為面邊界條件施加，工件與空氣的熱對流可用牛頓冷卻方程

式中qn為熱流密度（單位：W/m2）；h為對流換熱系數；TS為工件表面的溫度（單位：℃）；TB為周圍空氣的溫度（單位：℃）。

1.3.2輻射

工件表面輻射的影響式為

式中q為邊界熱流密度（單位：W/m）；σ0為熱輻射系數（單位：W·K/m2）；ε為熱輻射率（黑度）。由式（4）可知，輻射產生的熱流與物體表面絕對溫度的四次方成正比，是高度非線性的，容易引起計算的不收斂，因此通過放大高溫時的對流系數來間接考慮輻射的影響[8]。

1.3.3相變潛熱

焊接過程中熔池區域存在熔化、凝固等相變，伴隨相變過程有吸熱和放熱的能量變化，采用熱焓法來考慮潛熱，焓值的變化ΔH描述為密度ρ、c比熱容以及溫度T的函數[9]，存在如下的關系式

2 建立模型和劃分網格

以某公司16 mm×2.0 mm×0.3 mm型號的扁平焊管為研究對象，其厚度為0.3 mm，材料為7072/ 3003/4343三層復合鋁合金，焊接參數為：焊接電壓185 V，焊接電流81.5 A，頻率250.4 kHz，焊接速度2 mm/s，焊接熱效率0.85。選取高頻焊管建立有限元模型，如圖1所示，另一半焊管和圖示焊管對稱，其相應的溫度場也對稱。為減少劃分單元網格總數，重點分析焊縫區域的溫度分布，即扁平管焊接部分的區域，可將模型簡化為如圖2所示的1/4圓筒模型，模型長為100 mm，內圓半徑0.7 mm，外圓半徑1 mm。

圖1 半個焊管模型Fig.1Half of welded pipe model

圖2 1/4圓筒簡化模型Fig.2A quarter of the cylinder simplified model

選用熱分析實體單元SOLID70進行熱計算，采用拉伸單元方法，因此還要使用平面熱單元PLANE55。熱源載荷以熱流密度的形式加載在焊管表面上。由于焊管焊縫的熱影響區寬度為管坯厚度的1/4～ 1/3[10]，約為0.1 mm，不必要進行細化分網格，故選用網格大小為0.15 mm，網格劃分結果放大后如圖3所示，劃分后得到13 527個節點和8 016個單元。

3 熱物性參數的確定

材料的熱物性參數主要包括導熱系數、比熱容、密度、換熱系數、線膨脹系數、彈性模量、泊松比等，其中密度ρ隨溫度變化不明顯，其余參數均為溫度的函數，呈非線性變化，查文獻[11]得到不同溫度下熱物性參數，并用分段線性擬合法來離散，得到的參數如表1所示。

圖3 網格劃分模型Fig.3Grid Partition Model

表1 焊接材料的熱物性參數和溫度的關系Tab.1Relationship between thermal physical property parameters and temperature of welding material

4 溫度場的數值模擬及分析

通過ANSYS模擬計算可得出任意時刻的溫度分布圖，圖4～圖6分別為焊接過程中0.005 s、0.025 s、0.05 s時的溫度場。由圖4、圖5可知，熱源移動速度很快，瞬間形成準穩定溫度場。由圖5、圖6可知，焊接熔池的形狀類似為扁圓柱狀，與采用的線性熱源模型相符合，在熱源移動方向被拉成扁平狀，在管子厚度方向呈柱狀。熱源中心溫度很高，等溫線密集，離熱源中心較遠處等溫線稀疏。

同一圓周線上不同節點的熱循環曲線如圖7所示，A節點位于焊縫，B節點位于熱影響區，C節點與焊縫夾角45°，D節點與焊縫夾角90°。由圖7可知，焊縫處的溫度最高，達到441℃，熱影響區次之，與焊縫距離越遠溫度越低。焊接時各點的溫度先上升后下降，并且升溫快降溫慢，與焊縫距離越遠溫度變化速度越慢，最后各點溫度趨于參考溫度。

圖4 0.005 s時的溫度場Fig.4Grid Partition Model

圖5 0.025 s時的溫度場Fig.50.025 s temperature field

圖6 0.05 s時的溫度場Fig.60.05 s temperature field

圖7 A、B、C、D節點的熱循環曲線Fig.7Thermal cycle curves of A、B、C、D node

5 結論

（1）建立高頻焊管溫度場有限元模型，考慮對流和相變因素，采用線熱源模型并以熱流密度的形式加載，熱源的移動通過加載函數來實現。分析不同時間段的焊管溫度分布，發現高頻感應焊接過程形成準穩定溫度場的時間極短，并且熱影響區很窄。

（2）焊接時溫度先急劇升高然后緩慢下降，最后趨于參考溫度，這個過程中產生的熱應力會影響焊接質量，該研究對進一步分析高頻焊管的應力應變具有參考價值。

[1]范群波，貴大勇，張淑玲，等.ANSYS 8.0熱分析教材和與實例解析[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[2]賴明道.直縫焊管機力能參數實驗研究[J].東北重型機械學院學報，1982（2）：13-21.

[3]Ko S H，Choi S H，Yoo C D.Effect of surface depression on pool convection and geometry in stationary GTAW[J]. Weld Journal，2001，80（2）：39-45.

[4]Wu Chuansong.Computer simulation of three-dimensional convectionintraveling MIG weld pool[J].Engineering Computations，1992，9（5）：529-537.

[5]HyunJung Kim，SungKie Youn.A Computational Study on the High Frequency Induction Welding Phenomena[A].第一屆工程科學與力學中的計算方法國際會議論文集[C]. [C].吉林：2006.

[6]陳洪，劉勇，楊賢鏞.森吉米爾中間輥淬火溫度場的有限元模擬[J].材料熱處理學報，2006，27（4）：126-129.

[7]王海儒，賴明道.高頻直縫焊管加熱區溫度場的一維解析[J].太原重型機械學院學報，1985，6（1）：60-66.

[8]何世權，林建，石玙，等.基于ANSYS有限元對高頻焊接的三維溫度場模擬[J].蘭州理工大學學報，2010，36（5）：27-30.

[9]張朝暉.ANSYS12.0熱分析工程應用[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[10]史福忠，馬建國，陳燕軍.ERW焊管焊縫熱影響區性狀與焊管質量的相關性初探[J].焊管，2007，30（3）：60-62.

[11]譚真.工程合金熱物性[M].北京：冶金工業出版社，1994：54-56.

Simulation of temperature field in high frequency induction welding process of composite aluminum alloy thin-walled tube

LIU Xiaodong，WANG Zhiwei，CHEN Hong，PAN Lianlian
（Hubei Provincial Key Laboratory of Green Materials for Light Industry，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China）

Welding temperature is the main factor that influences the welding quality in high frequency induction welding process of composite aluminum alloy thin-walled tube.The finite element analysis software ANSYS was used to simulate the temperature field. One complete penetration of thin-walled tube and boundary conditions of thermal calculation were taken into account.Then a linear thermal model was used to load and calculate to draw the temperature distribution and thermal cycle curves of welding process. Research results provide the corresponding theoretical basis for further analysis of welding stress and strain.

thin-walled tubes；finite element；temperature field

TG456.9

A

1001－2303（2016）06－0085-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.17

2016-02-12；

2016-03-20

劉小東（1989—），男，湖北隨州人，碩士，主要從事焊接數值模擬方面的研究工作。