基于計(jì)算機(jī)模擬的316LN不銹鋼TIG焊接工藝

郁有建，李國(guó)燕，郝志鵬

（天津城建大學(xué)，天津300384）

基于計(jì)算機(jī)模擬的316LN不銹鋼TIG焊接工藝

郁有建，李國(guó)燕，郝志鵬

（天津城建大學(xué)，天津300384）

基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)316LN不銹鋼板的TIG焊接過(guò)程進(jìn)行了熱變形分析。利用紅外熱成像法、X射線衍射法、超聲檢測(cè)等方法對(duì)焊接過(guò)程中的熱循環(huán)、殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，紅外熱成像法是驗(yàn)證焊接接頭處溫度分布的有效方法。溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力以及變形的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。

計(jì)算機(jī)模擬；TIG焊接；熱循環(huán)；殘余應(yīng)力

0　前言

在熔焊過(guò)程中，局部升溫和冷卻會(huì)使焊接區(qū)域產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，進(jìn)而改變焊接接頭的性能[1]。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接過(guò)程中接頭的熱循環(huán)、殘余應(yīng)力和變形對(duì)于控制給定熱輸入條件下的接頭組織和性能具有重要意義。相關(guān)研究人員基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)TIG焊接工藝進(jìn)行了大量的研究，但是，關(guān)于316LN不銹鋼的研究十分有限[2]。同時(shí)，利用紅外熱成像法驗(yàn)證有限元模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的也鮮有涉足，使得采用計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力的效果并不理想。為此，本研究基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，借助紅外熱成像法和超聲測(cè)試法，對(duì)焊件的變形和殘余應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　實(shí)驗(yàn)方法

1.1TIG焊接

在原子能工業(yè)中，反應(yīng)堆容器、壓力通道、熱交換器、冷凝器管等均采用316LN型奧氏體不銹鋼制作[3]。316LN鋼TIG焊接示意如圖1所示，采用自動(dòng)氬弧焊機(jī)，焊接速度100 mm/min、電流100 A、弧隙3 mm、氬氣保護(hù)氣流速10 L/h。紅外線攝像機(jī)安裝在焊炬后面，用于捕捉熔池圖像，并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)。

1.2紅外熱成像

紅外熱成像法屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可分析焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)。該方法在不發(fā)出輻射的條件下，記錄材料中發(fā)出的輻射，并根據(jù)輻射量分析材料溫度。

圖1　帶有紅外線攝像機(jī)的TIG焊接示意

1.3變形測(cè)量

焊接實(shí)驗(yàn)前在平板外平面刻畫(huà)25 mm×20 mm的網(wǎng)格，焊接后將鋼板放置在水平花崗巖平面上，利用數(shù)字測(cè)高儀測(cè)量每個(gè)網(wǎng)格的形變量，以測(cè)試鋼板不同部位的變形。

1.4殘余應(yīng)力測(cè)量

折射縱波（LCR）對(duì)部件產(chǎn)生的殘余應(yīng)力十分敏感，基于應(yīng)力對(duì)彈性波傳播的影響，實(shí)驗(yàn)采用超聲檢測(cè)（UT）測(cè)量殘余應(yīng)力。將2MHZ探針固定在第一臨界角28°處，產(chǎn)生LCR波穿透3 mm鋼板。利用Snell定律計(jì)算臨界角[4]

式中θPr為有機(jī)玻璃中的入射角；θS為鋼板中的折射角；CPr為有機(jī)玻璃中入射波的傳播速度（2730 m/s），CS為入射波在鋼板中的傳播速度（5 900 m/s）。根據(jù)聲彈性理論，給定材料的聲彈性常數(shù)（AEC）是根據(jù)傳播時(shí)間并依據(jù)式（2）得出

式中t為所測(cè)超聲波傳播時(shí)間；t0為零載荷時(shí)測(cè)量的傳播時(shí)間；B為聲彈性常數(shù)；σ為殘余應(yīng)力。

根據(jù)印度IGCAR研究中心利用超聲波探針測(cè)量結(jié)果，AISI 316LN不銹鋼材料AEC為0.588ns MP-1。焊縫的縱向應(yīng)力分量的遠(yuǎn)高于橫向應(yīng)力分量，式（2）中的σ值為單軸應(yīng)力分量。

超聲檢測(cè)裝置示意如圖2所示。超聲波通過(guò)探頭的傳播時(shí)間由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集，由示波器進(jìn)行監(jiān)控，并通過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

圖2　超聲檢測(cè)裝置示意

2　計(jì)算機(jī)模擬

采用SYSWELD軟件對(duì)316LN不銹鋼的TIG焊接過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，熔池建模采用的是雙橢圓體熱源模型[5]。

2.1控制方程

熱量從焊縫區(qū)開(kāi)始傳播，首先傳導(dǎo)至工件的周?chē)牧稀醾鲗?dǎo)與材料的熱性能、焊縫幾何形狀以及周?chē)h(huán)境溫度有關(guān)。熱傳導(dǎo)可由傳熱方程描述

式中Q為單位體積內(nèi)的熱源率（單位：W·m-3）；ρ為密度（單位：kg·m-3）；k為導(dǎo)熱系數(shù)（單位：W·m-1·℃-1）；cp為比熱容（單位：J·kg-1·℃-1）；T為瞬時(shí)溫度（單位：℃）；t為時(shí)間（單位：s）。

焊接過(guò)程中的對(duì)流和熱輻射導(dǎo)致的熱損失可由Newton冷卻定律和Stefan-Boltzmann方程計(jì)算，見(jiàn)式（4）、式（5）

式中qc和qr分別為對(duì)流散熱與輻射散熱的熱流量（單位：W·m-2）；TW和Ta分別為表面溫度與周?chē)h(huán)境溫度（單位：℃）；h為對(duì)流傳熱系數(shù)（單位：W·m-2·℃-1）；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)（單位：W·m-2·℃-4）；ε為輻射系數(shù)。

在形變場(chǎng)分析中，熱變形可用于預(yù)測(cè)力學(xué)行為。材料的塑性變形假設(shè)滿足von-Mises屈服條件。

2.2材料模型

材料建模是焊接過(guò)程模擬的一項(xiàng)重要任務(wù)。從IGCAR數(shù)據(jù)庫(kù)可以獲取到AISI 316LN的材料性能參數(shù)。將焊接后材料的熱導(dǎo)率適當(dāng)增加后，本研究認(rèn)為熔池中的對(duì)流流動(dòng)是平衡的。

2.3有限元模型

采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)建立的對(duì)稱有限元模型如圖3所示。對(duì)從焊縫至兩側(cè)20 mm區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以提高計(jì)算精度，三維實(shí)體單元大小為1.9×105。焊件平面建立在xy平面內(nèi)，保證焊接路徑平行于y軸。

圖3　有限元模型

2.4初始條件和邊界條件

計(jì)算機(jī)模擬溫度是在控制條件下進(jìn)行的，初始溫度設(shè)置為20℃。yz坐標(biāo)軸為模型對(duì)稱軸，除對(duì)稱平面外，模型表面均發(fā)生對(duì)流散熱與輻射散熱。對(duì)流散熱損失熱量為25 W/m2。此外，還設(shè)置了自由夾緊力，如圖3所示。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1溫度分布

垂直于焊接方向上，距離中心線0～20 mm的節(jié)點(diǎn)溫度如圖4所示。由圖4可知，沿著傳播方向，峰值溫度逐漸下降。同時(shí)，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域受焊接過(guò)程的影響較小，因此溫度更低。受熱輸入的影響，焊板表面溫度較高，然而受熱傳遞影響，底部溫度較低。溫度變化速率隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行產(chǎn)生變化，最大升溫速率與最大冷卻速率均發(fā)生于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下。

圖4　傳播方向的熱循環(huán)

由紅外熱成像法和計(jì)算機(jī)模擬分析得出的熱源溫度曲線如圖5所示。在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下將實(shí)驗(yàn)和模擬溫度曲線進(jìn)行比較，可以看出，兩者吻合度較高，峰值溫度也相差不大。其中的微小偏差是由于建立材料模型時(shí)熔點(diǎn)設(shè)置不準(zhǔn)確，同時(shí)由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件的限制也會(huì)造成一定的誤差。考慮熔池對(duì)流效應(yīng)，可通過(guò)調(diào)整計(jì)算機(jī)模型的邊界條件來(lái)降低誤差。

圖5　50 s時(shí)的溫度分布曲線

3.2殘余應(yīng)力分析

利用X射線衍射（XRD）和超聲波檢測(cè)（UT）可測(cè)量殘余應(yīng)力，通過(guò)對(duì)焊板中心的縱向的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果。XRD測(cè)量結(jié)果與FEM模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖6a所示。對(duì)于UT法，由于超聲波可以穿透3 mm的焊板，因此測(cè)量結(jié)果不能直接用于比較。如圖6b所示，比較UT法測(cè)出的殘余應(yīng)力值與模擬平均應(yīng)力值可知，UT法測(cè)得的應(yīng)力值與模擬結(jié)果十分吻合。此外還可以看出，熱影響區(qū)出現(xiàn)了較高的應(yīng)力集中，這是由于熔池凝固與集體材料的抗收縮性相平衡。隨著熱影響區(qū)距離的增加，拉伸應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s應(yīng)力。兩實(shí)驗(yàn)中，在距中心線15 mm處測(cè)出的峰值應(yīng)力都達(dá)到了230 MPa，而焊板邊緣的名義應(yīng)力仍為受壓。

3.3變形分析

焊接過(guò)程均會(huì)涉及熱分布問(wèn)題和相應(yīng)的塑性變形問(wèn)題。制造用薄板材料一般采用高強(qiáng)度鋼及其合金，因此，其焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生屈曲的變形模式。通常采用幾何非線性大變形理論來(lái)預(yù)測(cè)焊接過(guò)程中的變形。

圖7a、圖7b給出了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬得到的變形焊板。焊接結(jié)束后，夾緊裝置松開(kāi)，焊接過(guò)程中的殘余應(yīng)力釋放，焊板就會(huì)發(fā)生變形。縱向收縮受到焊點(diǎn)的限制，同時(shí)引入板和引出板也會(huì)導(dǎo)致焊件變形。如圖7c、圖7d所示，計(jì)算機(jī)模擬獲得的焊板左、右邊緣的變形情況與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本一致，而且焊接過(guò)程中的熱積累，右板邊緣的變形更嚴(yán)重。

圖6　殘余應(yīng)力比較

圖7　變形比較

4　結(jié)論

（1）將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的熱源應(yīng)用到計(jì)算機(jī)模擬參數(shù)設(shè)定中，可提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)情況下，采用紅外溫度觀察和計(jì)算機(jī)模擬可忽略溫度變化，測(cè)得穩(wěn)定的溫度為1 686℃。此外，熱循環(huán)的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也十分吻合。

（3）紅外熱成像法是驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模擬熱循環(huán)預(yù)測(cè)結(jié)果的有效方法。

（4）數(shù)值模擬對(duì)殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合，表明采用熱變形分析可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接工藝的殘余應(yīng)力。

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TIG welding technology of 316 LN stainless steel based on computer simulation

YU Youjian，LI Guoyan，HAO Zhipeng
（Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China）

Based on computer simulation technology,this paper studies the TIG welding process of 316 LN stainless steel plate.Using infrared thermal imaging method，the method of X-ray diffraction（XRD），ultrasonic testing technique to measure the thermal cycle of welding process，residual stress and deformation，and to verify the accuracy of the computer simulation results.The results show that the infrared thermal imaging method is an effective method to verify the welding temperature distribution in the joint.Temperature field，residual stress and deformation of the computer simulation results coincide well with the experimental results.

computer simulation；TIG welding；thermal cycle；residual stress

TG441+.74

A

1001－2303（2016）04－0088-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.19

2015－03－15；

2015－06－26

天津市智能機(jī)器人科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目

郁有建（1976—），男，黑龍江哈爾濱人，講師，碩士，主要從事機(jī)器人、智能信息處理方面的研究工作。