Invar鋼自動MIG焊接的有限元仿真

張新建

摘? 要：Invar鋼低溫膨脹系數很低，而且與復合材料本身極為相近，成為復合材料成型模具的首選材料。而大型模具一次成型困難，較常用的方式是通過焊接技術進行組合制造。本文對Invar鋼MIG焊接試片件進行焊接過程的有限元計算，通過與實驗值的對比驗證模型的準確性，并以此有限元模型為基礎，開展六板拼接的大型Invar鋼焊接過程的有限元分析，獲得大型拼接結構的焊接變形及應力分布，為后續大型Invar鋼模具的焊接制造提供指導。

關鍵詞：Invar鋼? MIG焊接? 多層多道焊? 有限元仿真

中圖分類號：TP15? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（b）-0079-05

Abstract：The low-temperature expansion coefficient of Invar steel is very low， and it is very similar to the composite material， making it the first choice for composite molds.The large-scale mold is difficult to form at one time， and the commonly method is to assemble each part through welding technology.In this paper， the finite element calculation of the welding process of the Invar steel MIG welding test piece is carried out. The accuracy of the model is verified by comparison with the experimental value. Based on the finite element model， the welding process of the large Invar steel welding of six plates is applied. The welding deformation and stress distribution of large scale structure is obtained， which provide guidance for the subsequent welding manufacturing of large Invar steel molds.

Key Words： Invar steel; MIG welding; Multi-layer and multi-pass welding; Finite element simulation

近年來，由于突出的比強度、比剛度和隱身性能，復合材料在航空領域獲得越來越多的應用，并逐漸向大型主結構發展。目前復合材料零件的制備是使用設計制造的模具將材料的復合與成型同時完成，并且固化后型面不再進行加工。因此，成型模具是影響復合材料零件成型優劣的重要因素。Invar鋼材料在低溫下具有極低、且與復材相近的熱膨脹系數，可保證復材成型的尺寸精準度，成為制造復材模具的首選[1-3]。大尺寸的飛機復合材料零件需求大尺寸的成型模具，但大型Invar鋼模具難以一次成型，目前通常采用焊接結構進行其生產制造。傳統的手工電弧焊接生產工序繁瑣、效率低同時質量穩定性差，對焊接技術工人的要求較高，故機器人自動化的焊接方式將成為焊接技術發展的趨勢[4-6]。

厚板因瓦鋼通常需要經過多層多道焊接，通過實驗方式進行焊接工藝優化周期長，且需耗費大量的人力物力。近年來，不斷發展的有限元仿真方法成為解決此問題有效手段。本文首先對60°坡口、1mm鈍邊的19.05mm厚Invar鋼對接結構進行4層共10道焊縫的MIG焊接過程仿真分析，同層多道焊縫采用從兩邊到中間的焊接順序，焊接參數見表1。通過與工藝試驗結果對比驗證模型的可行性，并在此基礎上對多板組合的Invar鋼拼焊過程進行優化。

1? 試片件焊接的有限元分析

1.1 焊接過程的有限元建模

由于近焊縫區域溫度梯度較大，需要較細的網格保證計算的準確性，而完全細化網格將導致計算時間的延長。故綜合處理計算效率和計算精度問題，采用過渡法完成網格模型構建。

焊接溫度場、應力應變場的計算需代入Invar鋼材料的熱物理性能參數、力學性能參數（熱傳導系數、比熱、熱膨脹系數、彈性模量和屈服強度等），這些非線性參數在800℃以下采用實驗測試值，高溫區作線性外推處理。

熱邊界條件包括焊接熱源及表面換熱條件。根據MIG焊接時熱流向厚度方向延伸、同時在焊接速度影響下形成非對稱橢球的特性，焊接熱源選用雙橢球熱源模型。該模型內熱流密度在半橢球體內按高斯函數正態分布，中心有最大值，從中心到邊緣呈指數曲線下降。計算時，焊件表面與周圍介質的換熱作用主要包括對流和輻射。

焊接過程的力學邊界根據實際的四角裝夾情況進行加載。有限元計算的過程除整個多層多道焊接之外，還包括焊接之后在自由狀態下的冷卻和卸載之后對應力釋放。為防止構件發生剛性位移，應力釋放過程的力學邊界對構件三個底部頂角節點進行固定。

1.2 焊接變形與應力仿真結果分析

圖2和圖3所示為焊接過程結束瞬時的溫度場及應力分布情況。

由圖2可知，焊接結束瞬時的最高溫度為2312℃，遠遠超過了Invar合金的熔點，中心達到熔化狀態形成焊接熔池。溫度的分布在焊接后方形成常常的拖尾，符合雙橢球熱源的分布特征。

從圖3可以看出，電弧前端位置為壓應力，這是由于此處材料受熱膨脹，受到周圍材料的擠壓所致。另外，由于采用了四角裝夾方式，在構件的相應位置產生了應力集中，且由于焊縫處的收縮，導致四角受拉，呈現較高的拉應力。

卸載之后的焊接變形情況如圖4所示。由圖4可知，焊接變形表現為焊縫處的收縮下陷和遠離焊縫處的上翹。計算得到的焊接角變形為4.62mm，折算為角度表示為5.31°，實際焊接實驗后測得的變形值為5.24°，準確度98.6%。誤差可能來源于對材料屬性的近似及熔池內部反應等的忽略處理等。

總體來說，焊接過程有限元計算結果基本與實驗吻合。因此，該有限元模型的簡化假設、網格劃分、材料參數、熱力學邊界等設置合理，可用于后續大尺寸件的焊接結果仿真預測。

2? 大型構件拼焊過程的有限元分析

本節采用有限元建模方法進行多板大尺寸件的拼焊效果仿真預測。六塊平板中有兩種尺寸：1400mm×1750mm×19mm板四塊，700mm× 1750mm×19mm板兩塊，均開V型坡口。拼焊后的尺寸為3500mm×3500mm×19mm，構件形式見圖5。

拼接結構存在交叉焊縫，網格劃分時存在相貫線。首先對結構的焊縫交叉處進行網格劃分，找到相鄰兩焊縫對稱面，采用焊縫單元向對稱面投影的方式來解決相貫線處的網格劃分難的問題。最終得到圖3.2所示網格模型，網格模型共含節點192188個，單元165584個。

拼接模型涉及多條焊縫，本文按圖7所示焊接順序進行焊縫設計和有限元分析。

焊接完成后，變形及應力分布情況如圖6和圖7所示。

由圖6可見，中間兩塊板材的亮黃色位置為最大變形處，由多條焊縫的影響復合而成，表現為中間鼓起。正式焊接時應對此處施加強約束，減小變形。

由圖7可知，應力主要集中在各焊縫周圍，在焊接起始端和終止端較為明顯。但應力的最大值分布在裝夾位置和焊縫兩端，交叉位置的應力值并不大。這可能是由于反復的加熱造成了部分的應力釋放所致。但多次加熱會造成交叉焊縫晶粒粗大，產生缺陷的幾率增大，導致性能下降。

3? 結語

本文首先對小尺寸試片件的焊接進行有限元仿真分析，通過焊接變形仿真結果與實際試驗值得對比驗證仿真策略和模型的準確性，并采用此策略進行了大尺寸、多板拼焊的結果預測，獲得焊接變形和應力分布結果，對實際生產的方案制定提供參考。

參考文獻

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