羅洪義，唐 顯，羅志福

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

0Cr18Ni10Ti不銹鋼源殼TIG焊接溫度場數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證

羅洪義，唐 顯，羅志福

（中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413）

針對0Cr18Ni10Ti不銹鋼放射源源殼鎢極氬弧焊（TIG）焊接過程，采用ANSYS有限元軟件對焊接溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，建立了非穩(wěn)態(tài)TIG焊接熔池形態(tài)的數(shù)值分析模型，分析中引入了熱焓和表面分布高斯電弧熱源模型，初步計(jì)算了焊接電流和焊接速度對焊接溫度場分布的影響。通過比較焊縫有效熔深的測量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了所建模型的正確性和可靠性。以計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立了0Cr18Ni10Ti不銹鋼放射源源殼的焊接工藝路線。

放射源；0Cr18Ni10Ti不銹鋼；鎢極氬弧焊；溫度場；數(shù)值模擬

0Cr18Ni10Ti不銹鋼具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻照、較好的高溫強(qiáng)度和焊接性能等優(yōu)點(diǎn)［1］，是放射源源殼的首選材料之一?？紤]到放射源焊接操作環(huán)境及源殼厚度，源殼密封采用鎢極氬弧焊（TIG）的焊接方式［2］，因放射源本身的輻射特性，需采用焊接冷試驗(yàn)獲取可靠的工藝參數(shù)，以應(yīng)用于實(shí)際焊接過程。傳統(tǒng)焊接工藝研究主要依靠一系列的經(jīng)驗(yàn)或大量的試驗(yàn)來獲得可靠的焊接結(jié)構(gòu)，這必將導(dǎo)致研究工作具有一定盲目性，而且大量的焊接試驗(yàn)增加了試驗(yàn)成本，耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，借助大型模擬軟件來探究和優(yōu)化焊接工藝已成為科研工作者的一種重要手段［3］。焊接模擬主要包括溫度場、流場和應(yīng)力、應(yīng)變場的模擬，而溫度場的模擬又是應(yīng)力、應(yīng)變場模擬的基礎(chǔ)，因此模擬溫度場具有非常重要的意義。

本研究采用ANSYS有限元分析軟件對0Cr18Ni10Ti不銹鋼源殼TIG焊接溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)模擬結(jié)果來分析和預(yù)測熔池和焊縫形貌，并采用焊接試驗(yàn)對模擬結(jié)果加以驗(yàn)證。以計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立0Cr18Ni10Ti不銹鋼源殼TIG焊接工藝路線。

1 0Cr18Ni10Ti不銹鋼源殼結(jié)構(gòu)

放射源源殼殼體及端蓋結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。殼體結(jié)構(gòu)尺寸為φ10mm×40mm，壁厚為1.5mm。端蓋直徑為7.4mm，有效厚度為0.5mm，端蓋與殼體焊接接頭采用端部TIG環(huán)焊方式。

圖1 放射源源殼結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of radioactive source cladding

2 TIG溫度場數(shù)值模擬

2.1 控制方程

運(yùn)動電弧作用下的TIG焊接過程包括起弧、熔池形成、熔池長大、熔池達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)、熄?。▓D2）。其焊接過程取決于外加電弧熱源形式、工件材料的熱物理性能以及工件與周圍的換熱。為簡化計(jì)算，數(shù)值模擬過程中作如下假設(shè)［4］：1）焊接過程中，熔池和電弧都是關(guān)于軸對稱的；2）熔池中液態(tài)金屬為黏性不可壓縮的牛頓流體，其流動為層流；3）不考慮熔池上下表面變形；4）不考慮熔池金屬的蒸發(fā)。

圖2 運(yùn)動電弧下的TIG焊接示意圖Fig.2 TIG welding under moving arc

基于以上假設(shè)，三維瞬態(tài)焊接溫度場滿足的能量守恒方程為：

式中：ρ為密度，kg／m3；cp為比定壓熱容，J／（kg·K）；T為溫度，K；t為時(shí)間，s；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·K）；Q為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生或消耗的熱量。

2.2 定解條件>

控制方程的定解條件如下。

1）初始條件

將引燃電弧的時(shí)刻作為初始時(shí)刻，此時(shí)工件溫度等于環(huán)境溫度，即T＝T0。

2）邊界條件

TIG焊接過程是非穩(wěn)態(tài)過程，在熔池表面存在著電弧熱以及由于焊接邊界的對流和輻射而造成的熱量損失［5］。又由于在焊接速度方向上熔池及溫度場的對稱性，計(jì)算時(shí)只考慮工件的1／2，工件表面的熱邊界條件如下：

式中：q（r）為半徑r處的表面熱流密度，W／m2；h為對流和輻射等效換熱系數(shù)；r為某一點(diǎn)與電弧中心的距離；σq為熱流分布參數(shù)。

2.3 相變潛熱

TIG焊接過程中，金屬熔化時(shí)由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，要吸收能量，反之其熔池凝固時(shí)由液態(tài)變成固態(tài)，要放出熱量，所以在計(jì)算溫度場時(shí)，要考慮熔池相變潛熱對溫度場的影響，否則計(jì)算結(jié)果會出現(xiàn)較大偏差。ANSYS中處理相變潛熱問題的方法是定義不同溫度下的熱焓［6］。其關(guān)系式可表示為：

式中，c為比熱容，J／（kg·K）。

2.4 電弧熱源模型

由于TIG電弧挺度小，對熔池沖擊力也較?。?］，可不考慮電弧吹力和熔池流體傳熱特征，通常采用表面分布的高斯熱源（圖3）即可得到較滿意的結(jié)果［8］。其熱流密度［8－9］為：

式中：I為焊接電流；U為電弧電壓。

圖3 高斯分布的電弧熱源模型Fig.3 Heat source model of Gauss distribution

2.5 網(wǎng)格劃分

利用所建立的模型對TIG焊接熱過程進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，均勻網(wǎng)格劃分方式無法同時(shí)兼顧計(jì)算精度和計(jì)算速度。因此采用非均勻的網(wǎng)格劃分方法，在工件上有較大的溫度梯度處，尤其是在熔池區(qū)域靠近電弧熱源附近和近縫區(qū)域，采用細(xì)密的網(wǎng)格劃分，以獲得較高的單元密度，保證計(jì)算精度；而在遠(yuǎn)離焊接熱源處，由于溫度梯度較小，因而采用較粗的網(wǎng)格劃分，這樣可兼顧計(jì)算精度與速度［10］。網(wǎng)格劃分示意圖如圖4所示。由于放射源源殼結(jié)構(gòu)的對稱性，取模型的1／2進(jìn)行計(jì)算，可節(jié)省計(jì)算時(shí)間，同時(shí)便于觀察計(jì)算結(jié)果。

圖4 非均勻網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Diagram of non－uniform grid

2.6 材料熱物理性能參數(shù)

材料熱物理性能參數(shù)選取是否精確，直接影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。0Cr18Ni10Ti不銹鋼材料的熱物理性能是隨溫度變化呈非線性變化的，因此在有限元計(jì)算中須實(shí)時(shí)加載熱物理參數(shù)。0Cr18Ni10Ti不銹鋼材料的熔點(diǎn)為1 398～1 420℃，λ、ρ及c的取值列于表1［1］。

表1 0Cr18Ni10Ti不銹鋼的熱物理性能參數(shù)Table 1 Thermo physical property parameter of 0Cr18Ni10Ti stainless steel

3 計(jì)算結(jié)果分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

利用所建立的模型對不同TIG焊接工藝下的0Cr18Ni10Ti不銹鋼源殼的溫度場進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬計(jì)算。由于熔池溫度場的實(shí)時(shí)檢測較困難，因此可通過比較環(huán)焊縫有效熔深的計(jì)算值和試驗(yàn)值來驗(yàn)證模型的正確性。

3.1 計(jì)算結(jié)果分析

1）焊接工藝參數(shù)粗選

依據(jù)技術(shù)要求，源殼端蓋與殼體接頭環(huán)焊縫有效熔深≥0.7mm。初步選擇工藝參數(shù)為：焊接電流，10、20、30A；工件轉(zhuǎn)速，6.6s／r；保護(hù)氣流量，9L／min。結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同電流時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布Fig.5 Steady－state temperature field distribution at different currents

從圖5可見，焊接電流為10A時(shí)，焊接接頭處未出現(xiàn)達(dá)到0Cr18Ni10Ti不銹鋼熔點(diǎn)的等溫線，表明此焊接參數(shù)下未形成焊接熔池。焊接電流為20A時(shí)，焊接過程達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)形成了深色熔池區(qū)域，接頭處有效熔深為0.95mm。增大電流至30A時(shí)，接頭處已完全熔透，熔池覆蓋端蓋結(jié)構(gòu)的1／2，且延伸至源殼殼體部分，此時(shí)對放射源源殼力學(xué)結(jié)構(gòu)已造成破壞。

由此可見，焊接電流為20A、有效熔深大于0.7mm時(shí)，滿足有效熔深要求，但小部分熔池延伸至端蓋蓋體，對源殼力學(xué)結(jié)構(gòu)造成一定影響，因此選擇焊接電流低于20A進(jìn)行細(xì)化計(jì)算。

2）焊接電流對溫度場的影響

為保證模擬過程的可比性，除焊接電流外其他的工藝參數(shù)均取相同值。所采用的焊接參數(shù)為保護(hù)氣流量9L／min，工件轉(zhuǎn)速6.6s／r，焊接電流選擇18A和19A進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。

圖6 電流細(xì)化后的穩(wěn)態(tài)溫度場分布Fig.6 Steady－state temperature field distribution at refined current

焊接電流的變化影響著焊接的熱輸入，從計(jì)算結(jié)果可見，焊接電流的減小使得熱流密度載荷變小，熔池溫度降低，熔深減小。焊接電流為18A時(shí)，接頭處有效熔深為0.68mm，小于0.7mm。電流為19A時(shí)，接頭處有效熔深為0.87mm，且熔池未擴(kuò)展至端蓋蓋體和源殼殼體的結(jié)構(gòu)功能部分，不會影響源殼的力學(xué)結(jié)構(gòu)。

由此可見，焊接電流為19A時(shí)得到的環(huán)焊縫結(jié)構(gòu)較20A時(shí)更可靠，因此選擇焊接電流為19A。

3）焊接速度對溫度場的影響

為保證模擬過程的可比性，除焊接轉(zhuǎn)速外其他工藝參數(shù)取相同值。焊接電流為19A，保護(hù)氣流量為9L／min，轉(zhuǎn)速分別為6s／r和7s／r時(shí)的計(jì)算結(jié)果示于圖7。

圖7 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布Fig.7 Steady－state temperature field distribution at different speeds

從計(jì)算結(jié)果可看出，焊接速度的變化同樣影響著焊接的熱輸入，隨著焊接速度的增大，熔寬和熔深均減小。這是由于單位時(shí)間的熱輸入不變的情況下，焊接速度的增大使得電弧與工件各部分的作用時(shí)間變短，工件每點(diǎn)的焊接熱輸入量減少，從而導(dǎo)致熔池的熔深變小。

轉(zhuǎn)速為6s／r時(shí)，焊接接頭處有效熔深為0.65mm，低于有效熔深0.7mm的要求。減慢轉(zhuǎn)速至7s／r時(shí)，接頭處有效熔深增加至0.96mm，但此時(shí)熔池已覆蓋部分端蓋主體結(jié)構(gòu)，對源殼的整體力學(xué)結(jié)構(gòu)造成影響。

因此，焊接電流為19A時(shí)，工件轉(zhuǎn)速選擇6.6s／r，經(jīng)計(jì)算此工藝參數(shù)下接頭處有效熔深為0.87mm，端蓋蓋體最大熔深為0.98mm（接近焊接接頭厚度1mm），未影響源殼的力學(xué)結(jié)構(gòu)。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過采用焊接試驗(yàn)，測量焊縫的幾何尺寸與計(jì)算值進(jìn)行比較，來驗(yàn)證TIG焊接溫度場的計(jì)算結(jié)果。焊縫幾何尺寸的測定是在焊接之后，在焊縫長度方向的不同位置，分別截取焊縫的橫截面試樣，制成宏觀金相試樣后，利用金相顯微鏡測定焊縫有效熔深。

焊接驗(yàn)證試驗(yàn)采用經(jīng)有限元模擬計(jì)算篩選、優(yōu)化后的工藝參數(shù)，即焊接電流為19A時(shí)，工件轉(zhuǎn)速選擇6.6s／r，保護(hù)氣流量為9L／min。焊接試驗(yàn)工藝流程如圖8［2］所示。

圖8 TIG焊接工藝流程Fig.8 Process of TIG welding

1）焊縫形貌

將焊接試驗(yàn)金相分析得到的環(huán)焊縫形貌與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示。

圖9 金相分析（a）及有限元模擬（b）結(jié)果Fig.9 Results of metallographic analysis（a）and finite element simulation（b）

經(jīng)對比可見，兩者環(huán)焊縫底部形貌基本一致，但頂部輪廓存在較大的差異：金相分析結(jié)果（圖9a）中焊縫頂部為弧形輪廓，而模擬得到的焊縫頂部未發(fā)生變形（圖9b）。實(shí)際焊接過程中，焊縫頂部金屬熔化后，液態(tài)金屬在表面張力、自身重力、電弧和保護(hù)氣流的吹力等因素作用下形成弧形輪廓，而有限元模擬結(jié)果為溫度場分布，未考慮熔池變形。

2）焊縫熔深

焊接試驗(yàn)兩個(gè)試樣的金相分析熔深測量結(jié)果如圖10所示。

圖10 一號（a）及二號（b）焊縫Fig.10 No.1（a）and No.2（b）weld joints

從圖10可見，環(huán)焊縫的有效熔深值分別為0.82mm、0.87mm，該工藝參數(shù)下的有效熔深有限元計(jì)算結(jié)果為0.87mm，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量值吻合非常好，驗(yàn)證了所建模型和計(jì)算方法的正確性和可靠性。

4 0Cr18Ni10Ti不銹鋼源殼焊接工藝建立

以計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立0Cr18Ni10Ti不銹鋼源殼TIG焊接工藝參數(shù)。經(jīng)優(yōu)化后0Cr18Ni10Ti不銹鋼源殼TIG焊接工藝參數(shù)如下：焊接電流為19A，焊接轉(zhuǎn)速為6.6s／r，保護(hù)氣流量為9L／min，此焊接工藝下的焊縫表觀光滑光亮，周邊組織均勻，無氣孔、夾渣等缺陷，接頭處有效熔深為0.87mm，滿足技術(shù)要求。焊接樣品如圖11所示。

5 結(jié)論

1）根據(jù)能量守恒的基本原理和TIG焊接工藝的特點(diǎn)，建立了運(yùn)動電弧作用下0Cr18Ni10Ti不銹鋼源殼非穩(wěn)態(tài)TIG焊接熔池形態(tài)的數(shù)值分析模型。

2）根據(jù)模型的特點(diǎn)，采用了非均勻網(wǎng)格對單元進(jìn)行控制，兼顧計(jì)算精度與速度。

圖11 TIG焊接樣品Fig.11 TIG welding sample

3）電弧熱源采用表面高斯分布的熱源模型，在計(jì)算中考慮了相變潛熱問題。

4）對不同工藝參數(shù)下TIG焊接溫度場進(jìn)行了模擬計(jì)算，經(jīng)焊接試驗(yàn)驗(yàn)證了所建模型及計(jì)算方法的正確性及可靠性。

5）以計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行篩選、優(yōu)化，建立了0Cr18Ni10Ti不銹鋼源殼TIG焊接工藝參數(shù)。

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Numerical Simulation on Temperature Field of TIG Welding for 0Cr18Ni10Ti Stainless Steel Cladding and Experimental Verification

LUO Hong－yi，TANG Xian，LUO Zhi－fu
（China Institute of Atomic Energy，Beijing102413，China）

Aiming at tungsten inert gas（TIG）for 0Cr18Ni10Ti stainless steel cladding for radioactive source，the numerical calculation of welding pool temperature field was carried out through adopting ANSYS software.The numerical model of non－steady TIG welding pool shape was established，the heat enthalpy and Gaussian electric arc heat source model of surface distribution were introduced，and the effects of welding current and welding speed to temperature field distribution were calculated.Comparing the experimental data and the calculation results under different welding currents and speeds，the reliability and correctness of the model were proved.The welding technological parameters of 0Cr18Ni10Ti stainless steel were optimized based on the calculation results and the welding procedure was established.

radioactive source；0Cr18Ni10Ti stainless steel；tungsten inert gas；temperature field；numerical simulation

TG402

：A

1000－6931（2015）02－0224－06

10.7538／yzk.2015.49.02.0224

2014－10－09；

2014－12－02

羅洪義（1980—），男，湖南長沙人，高級工程師，從事放射源焊接過程數(shù)值模擬技術(shù)及焊接工藝研究