薄壁铝合金T形结构MIG焊接热源复合模型的构建与模拟_王传财.pdf

Electric Welding MachineVol.53 No.1Jan.2023第 53 卷 第 1 期2023 年1 月薄壁铝合金T形结构MIG焊接热源复合模型的构建与模拟王传财1，高作文2，权力伟31.天津中德应用技术大学 机械工程学院，天津 3003552.中铝瑞敏股份有限公司，福建 福州 3500153.河北工业大学 材料科学与工程学院，天津 300401摘要：针对薄壁铝合金材料焊接变形有限元模拟精度低的问题，以2 mm厚6082-T6铝合金型材T形接头为研究对象，通过有限元模拟和实际样件校核结合的方法，开展了铝合金MIG焊专属热源模型的研究。计算了2D高斯、3D高斯、双椭球三种典型焊接热源模型的熔池形貌和变形量。校核对比发现，三种典型热源模型计算的熔池尺寸和变形量与实际样件均存在差距：2D高斯热源热流过小，焊缝区熔池宽度和深度明显小于实际熔池尺寸；3D高斯热源可体现热流在厚度方向上的作用，但熔池深度和宽度略大；双椭球热源在熔池上半部的形状及宽度与实际接近，但熔池较浅。综合三种模型特点，通过反求法获得基于典型热源模型基础上的“双椭球+3D高斯”的优化复合热源模型，熔池尺寸及偏移量与实际工件吻合度达90%，模型可靠，可用于薄壁6082铝合金T形接头MIG焊接的精准模拟。关键词：薄壁铝合金；有限元模拟；热源模型；偏移量；熔池形貌中图分类号：TG457.14 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2023）01-0025-06Construction and Simulation of Heat Source Composite Model for MIG Welding of T-shaped Thin Wall Aluminum AlloyWANG Chuancai1,GAO Zuowen2,QUAN Liwei31.School of Mechanical and Engineering,Tianjin Sino-German University of Applied Sciences,Tianjin 300355,China2.Chalco Ruimin Co.,Ltd.,Fuzhou 350015,China3.School of Materials Science and Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,ChinaAbstract:Aiming at the problem of low accuracy of finite element simulation of welding deformation of thin-wall aluminum alloy,taking 2 mm profile T-joint of 6082-T6 aluminum alloy as the research object,the special heat source model of aluminum alloy MIG welding was studied by combining finite element simulation and actual sample checking.The morphology and deformation of weld pool of 2D Gaussian,double ellipsoid and 3D Gaussian are calculated.It is found that there is a gap between the size and deformation of molten pool calculated by the three typical heat source models and the actual sample.The heat flow of 2D Gaussian heat source is too small,and the width and depth of molten pool in the weld zone are significantly smaller than the actual molten pool size.The 3D Gauss heat source can reflect the effect of heat flow in the thickness direction,but the depth and width of the molten pool are slightly larger.The shape and width of the double ellipsoid heat source in the upper part of the pool are close to the actual ones,but the pool is shallow.Based on the characteristics of the three models,the optimized composite heat source model of double ellipsoid+3D Gaussian based on the typical heat source model is obtained by inverse calculation method.The weld pool size and offset are 90%consistent with the actual workpiece.The model is reliable and can be used for accurate simulation of MIG welding of thin-wall 6082 aluminum *收稿日期：2022-08-01基金项目：国家自然科学基金项目（52001106）；天津科技计划项目（20YDTPJC01890）作者简介：王传财（1982），男，硕士，高级工程师，主要从事金属材料变形及微观组织的研究工作。DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2023.01.042023 年alloy T-joint.Keywords:thin-wall aluminum alloy;finite element simulation;heat source model;offset;molten pool shape引用格式：王传财，高作文，权力伟.薄壁铝合金T形结构MIG焊接热源复合模型的构建与模拟 J.电焊机，2023，53（1）：25-30.Citation:WANG Chuancai,GAO Zuowen,QUAN Liwei.Construction and Simulation of Heat Source Composite Model for MIG Welding of T-shaped Thin Wall Aluminum AlloyJ.Electric Welding Machine,2023,53(1):25-30.0前言铝合金具有较好的比强度、比刚度、高吸能性、型材断面设计自由度大等优点，成为汽车轻量化的理想材料。但铝基白车身在推广低成本的弧焊连接方式时，焊接接头存在气孔、夹杂等冶金缺陷，以及焊缝接头软化、焊接变形大等问题。尤其在采用熔化极惰性气体保护焊（MIG）进行薄壁车身件的焊接过程中，因热输入大、热源在接头各部位分布不均，且铝合金热导率和膨胀系数大，导致铝材焊后收缩大且收缩不均匀，薄壁白车身弧焊后变形严重，无法满足汽车行业严格的形位公差要求，限制了铝合金材料在汽车领域的规模应用1-2。为解决变形问题，各汽车制造商往往采用试错法或矫形调修法等，但因焊接涉及电弧物理、传热、冶金和力学，涉及到温度场、应力场和变形场、显微组织状态等多场耦合问题，过程非常复杂，仅凭试验无法从根本上解决问题，且大量的试验增加了生产成本3。为快速找到焊接变形问题的解决方案，科研工作者开始进行有限元模拟在焊接过程的应用研究。Rykalin对焊接传热进行了系统研究，提出了点线面三种焊接热源，Adames等根据热传导微分方程建立了不同情况的传热公式，1975年加拿大Paley等人利用有限元研究焊接温度场，至20世纪末焊接热模拟得到快速发展4-6。国内西安交通大学唐慕尧等人在1981年编制热传导分析程序并开展薄板准稳态温度场的计算，上海交大陈楚等人建立了温度场计算模型，蔡洪能等人建立了双椭圆热源模型7-9。综合这些研究成果可以看出，焊接温度场的准确计算是模拟分析的基础，而对温度场影响较大的因素是焊接热源模型，精准的热源模型是测量焊接过程残余应力的关键。热源模型是作用在焊件空间域和时间域上的热输入的数学表达，钢铁领域常见的热源模型有高斯热源模型和双椭球热源模型，其中高斯热源模型中的电弧热源是通过加热斑点形成一定作用面积给工件传递热量，该加热面上热量分布极不均匀，中心多、边缘少，一般用于模拟热流密度比较集中的焊接方式；双椭球热源模型考虑了电弧前进过程中前进侧与后侧电流密度的区别，根据熔池前半部分温度梯度较陡、后半部分较缓的分布特点，将热源设计成双半椭球形，焊接前方加热区域的热能小于后方，在熔池宽度上与MIG、TIG等弧焊接近。但因铝合金熔化潜热大、表面氧化膜吸热多、膨胀系数大等特点，这两种模型并不能完全匹配铝合金的焊接过程。因此为提高铝合金焊接模拟精度，以2 mm厚6082-T6铝合金T形接头为对象，采用模拟与试验相结合的方法进行铝合金MIG焊专属热源模型研究。通过单一典型热源模型的参数对比，优化迭代设计铝合金的专属热源模型，为6系薄壁铝合金MIG焊变形的精准模拟提供参考。1试验材料与方法1.1材料与设备试验材料为6082-T6铝合金型材。腹板及翼板尺寸为200 mm300 mm2 mm、100 mm300 mm2 mm，焊脚 5 mm。焊丝为 ER5356，直径 1.2 mm。母材屈服强度299 MPa，抗拉强度331 MPa，延伸率6%。焊接试验采用自动MIG焊接，焊机及送丝装置为福尼斯系统，焊接过程对试样进行刚性夹持，焊接装置如图1所示。典型焊接参数及工艺条件为：100%Ar气保护，气体流量20 L/min，环境和工件初始温度20，焊接电流100 A、电压18.1 V、焊接速度50 cm/min，焊接热输入1 737 J/cm（有效系数=0.8）。为验证焊后变形，使用游标卡尺测量工件翼板4个端点的位移。26第 1 期王传财，等：薄壁铝合金 T 形结构 MIG 焊接热源复合模型的构建与模拟1.2有限元模型的建立及网格划分按图2的流程开展6082-T6型材T形接头MIG焊的有限元模拟和验证。1.2.1 建立焊接模型模拟中将焊接看作准静态的热弹塑性问题，假定材料各向同性，材料变形遵循体积不变原则，假定高温熔池是固体，散热为工件与空气热对流和热辐射10。以 T 形接头为例，通过 VE-MESH 软件建模。建模时各输入条件：材料参数取自6082-T6实际测得的参数，焊接参数、工件尺寸、边界条件与试验工件相同，热源模型采用2D高斯、3D高斯、双椭球及优化模型，网格模型为三维实体疏密过渡的方式，网格划分尺寸：焊缝及其附近尺寸为1 mm1 mm1 mm，其他区域按热输入分布不同分别为2 mm2 mm2 mm和4 mm4 mm4 mm。1.2.2 求解及验证通过Sysweld运算求解得到焊接的温度场、应力场及位移场，通过VE-view展示模拟结果的数据信息。将模拟得到的熔池截面形貌、焊后变形量与实际的焊接结果进行对比。2典型单一热源模型的模拟分析结果2.1热源校核与验证计算了2D高斯、3D高斯、双椭球三种典型热源模型的熔池形貌，并与实际T形接头熔池形貌校核对比，结果如图3所示，三种模型计算结果都与实际熔池形貌不一致。2D高斯热源热流过小，难以达到MIG焊热