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(jìn)行熱彈塑性有限元分析。為驗(yàn)證分析的準(zhǔn)確性，采用三維掃描對試板的焊后變形進(jìn)行實(shí)測。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與三維掃描實(shí)測值的吻合度較高，熱彈塑性模擬計(jì)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(zhǔn)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(xiàn)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(gè)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(qiáng)度、切變模量等[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)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(yàn)”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(shí)驗(yàn)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(jì)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(dòng)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(zhǔn)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(gè)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(shí)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(jìn)行焊接變形和應(yīng)力的分析計(jì)算[4-5]。

三維空間掃描是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要通過對物體空間外形進(jìn)行掃描以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。該方法能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號，為實(shí)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(diǎn)，并且測量結(jié)果能直接輸入多種CAD軟件中。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 材料屬性

通過標(biāo)準(zhǔn)室溫和高溫拉伸試驗(yàn)，測定SMA490BW的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(kuò)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(yàn)

對接接頭工藝試驗(yàn)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(jìn)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(jì)算的準(zhǔn)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(yàn)測定每道焊縫的實(shí)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(diǎn)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(diǎn)的位移為零）。選用帶生死單元的雙橢球移動(dòng)熱源模型來模擬每道焊縫焊接時(shí)焊料生長及移動(dòng)熱輸入，熱輸入效率取0.8。

3 試驗(yàn)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(shí)測

焊接完成后對平板對接進(jìn)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(shí)測數(shù)據(jù)和計(jì)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(shí)測值與計(jì)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(qiáng)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(jìn)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(zhǔn)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(shí)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(shí)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(xiàn)：

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