焊接變形的三維掃描測量及熱彈塑性有限元分析

張騰 陳斌 許丹 朱忠尹

摘要：基于SMA490BW鋼的材料屬性，對兩種典型拘束狀態(tài)下的平板對接的焊接變形進行熱彈塑性有限元分析。為驗證分析的準確性，采用三維掃描對試板的焊后變形進行實測。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與三維掃描實測值的吻合度較高，熱彈塑性模擬計算的結(jié)果符合平板對接變形的基本規(guī)律，證明熱彈塑性有限元法能夠較為準確地預(yù)測焊接變形。

關(guān)鍵詞：焊接變形;熱彈塑性有限元;SYSWELD;三維掃描

中圖分類號：TG404文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2303（2020）11-0055-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.10

0 前言

焊接是一個急速的局部加熱和冷卻過程。在焊接過程中，焊縫及近縫區(qū)在電弧熱的作用下溫度急劇升高，近縫區(qū)的膨脹受到周圍溫度相對較低的金屬約束而產(chǎn)生壓縮塑性變形，并在隨后的冷卻過程中轉(zhuǎn)變成焊接變形和殘余應(yīng)力，相關(guān)的材料屬性包括材料的熱膨脹系數(shù)、屈服強度、切變模量等[1-2]。隨著計算機計算能力的提高及有限元等數(shù)值方法的應(yīng)用，“數(shù)值試驗”方法迅速發(fā)展[3]。焊接過程的模擬，一方面可以大大降低確定工藝參數(shù)所需的實驗成本，縮短新產(chǎn)品生產(chǎn)試制周期;另一方面，可以深入理解焊接現(xiàn)象，為控制焊接變形提供參考。

1 焊接變形的計算及焊接變形的三維掃描測量原理

目前焊接變形的模擬方法主要有熱彈塑性有限元法和固有應(yīng)變法等[4-5]。基于復(fù)雜的焊接過程動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變演變的熱彈塑性模擬，是焊接數(shù)值模擬最重要、準確的方法之一。有限元熱彈塑性法主要包括焊接傳熱分析和應(yīng)力變形分析兩個步驟。先通過焊接傳熱有限元分析得到焊接加熱、冷卻過程中每一時刻的溫度場分布，再將上述溫度數(shù)據(jù)輸入熱彈塑性有限元分析，進行焊接變形和應(yīng)力的分析計算[4-5]。

三維空間掃描是集光、機、電和計算機技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要通過對物體空間外形進行掃描以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。該方法能夠?qū)嵨锏牧Ⅲw信息轉(zhuǎn)換為計算機能直接處理的數(shù)字信號，為實物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。三維掃描技術(shù)作為一種非接觸測量方法，具有測量速度快、精度高的優(yōu)點，并且測量結(jié)果能直接輸入多種CAD軟件中。

2 試驗材料與方法

2.1 材料屬性

通過標(biāo)準室溫和高溫拉伸試驗，測定SMA490BW的屈服強度、抗拉強度以及彈性模量、切變模量、泊松比等力學(xué)性能，結(jié)果如表1所示。采用NETZSCHSTA 449C同步熱分析儀及TCT-416型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測試材料的比熱容、熱擴散率、導(dǎo)熱系數(shù)等熱物理性能，結(jié)果如表2所示。

2.2 焊接試驗

對接接頭工藝試驗如圖1所示，單塊試板的尺寸為350 mm×300 mm×12 mm，分別對試板進行單邊及雙邊固定，采用脈沖MIG焊連接兩塊試板，填充材料為SMA490BW。具體焊接工藝參數(shù)如表3所示。

2.3 有限元模型及邊界條件

采用SYSWELD的VISUAL-MESH模塊建立如圖2所示的兩種對接接頭的模型。為保證計算的準確性，近縫區(qū)采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1 mm。母材區(qū)域的網(wǎng)格尺寸則設(shè)置為4 mm，焊縫區(qū)域和母材區(qū)域之間采取四面體網(wǎng)格均勻過渡，根據(jù)宏觀金相試驗測定每道焊縫的實際寬度及深度。

環(huán)境溫度設(shè)置為30 ℃，試板與空氣的自然對流換熱系數(shù)設(shè)置為40 W/（m2·K）。試板底面的換熱系數(shù)設(shè)置為30 W/（m2·K），用于模擬試板與墊板的接觸傳熱，輻射傳熱系數(shù)設(shè)置為0.6（力學(xué)邊界條件的設(shè)置如圖2所示，對于單拘束試板，設(shè)置如圖2a方框區(qū)域節(jié)點的位移為零;對雙拘束試板，設(shè)置如圖2b所示試板兩邊的方框節(jié)點的位移為零）。選用帶生死單元的雙橢球移動熱源模型來模擬每道焊縫焊接時焊料生長及移動熱輸入，熱輸入效率取0.8。

3 試驗結(jié)果

3.1 分析結(jié)果與討論

對接接頭焊接變形云圖如圖3所示，由圖3a可知，單拘束的平板焊后橫向收縮變形為1.05 mm、縱向收縮變形為0.21 mm，角變形0.93°;由圖3b可知，雙拘束的平板焊后橫向收縮變形0.64 mm、縱向收縮變形為0.26 mm，角變形為0.79°。

3.2 焊接變形的三維掃描實測

焊接完成后對平板對接進行三維掃描，將掃描的三維坐標(biāo)生成.stl模型文件，導(dǎo)入相關(guān)后處理軟件中，逐一精確測量得到兩種拘束下平板對接的焊接變形。對接接頭焊接變形三維掃描結(jié)果如圖4所示，由圖4a可知，單拘束平板焊后橫向收縮為0.73 mm、縱向收縮為0.33 mm，焊接角變形為0.77°。由圖4b可知，雙拘束狀態(tài)下平板對接的橫向收縮為0.65 mm、縱向收縮為0.47 mm，焊接角變形為0.63°。

3.3 實測數(shù)據(jù)和計算分析的對比

平板對接的焊接變形是橫向收縮、角變形和縱向收縮共同作用的結(jié)果。三維掃描變形實測值與計算值的比較如圖5所示，由圖5可知，在兩種拘束情況下，橫向收縮與角變形均有較強相關(guān)性。橫向收縮均大于縱向收縮，在相應(yīng)方向上增加拘束可在一定程度上減小該方向的焊接變形。

比較兩種拘束作用下的變形可知：由于拘束的存在，雙拘束的平板對接變形總體上小于單拘束的平板變形。但由于拘束只作用于平板法向，其主要影響橫向收縮和角變形，對縱向變形的影響較小。

4 結(jié)論

文中針對典型拘束狀態(tài)的平板對接變形進行了熱彈塑性有限元分析，考慮了典型的焊接參數(shù)，每一道焊縫的熔池尺寸、試板的幾何尺寸、拘束狀態(tài)等對焊接變形的影響。變形測試值與模擬值的對比表明，在準確的材料數(shù)據(jù)及熱力邊界條件下，熱彈塑性有限元對變形的預(yù)測符合平板對接變形的基本規(guī)律，與實測結(jié)果偏差較小。該方法滿足大部分工程應(yīng)用的需要，對實際生產(chǎn)中焊接變形的預(yù)測、焊接順序的優(yōu)化、加放適當(dāng)?shù)暮附佑嗔恳约霸O(shè)置相應(yīng)的反變形措施等具有重要意義。

參考文獻：

[1] 奧凱爾勃洛姆 HO. 焊接應(yīng)力與變形[M]. 北京：中國工業(yè)出版社，1958.

[2] 庫茲米偌夫CA. 船體結(jié)構(gòu)的焊接變形[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1978.

[3] 汪建華. 焊接變形和殘余應(yīng)力預(yù)測理論與計算—發(fā)展及應(yīng)用前景[C]. 第三屆計算機在焊接中的應(yīng)用技術(shù)交流會，上海，2000.

[4] 薛忠明，曲文卿，柴鵬，等. 焊接變形預(yù)測技術(shù)研究進展[J]. 焊接學(xué)報，2003，24（3）：87-90.

[5] 汪建華. 焊接數(shù)值模擬技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.