多物理场耦合的厚板焊接熔池...术在钢构件制作中的应用研究_董涛.pdf

第 3 期1技术简介现代焊接工艺技术采用力、热、电、磁、光、声等一切可以利用的能源手段，这些不同形式的能源以不同的方式作用于不同的被焊材料上，通过一系列热力学、冶金学和力学相互作用过程制造出各种工程结构和零件。熔焊时，利用热源对工件的热输入来加热工件，使被焊材料产生局部熔化，形成熔池；熔池中的液态金属凝固之后形成焊缝。靠近焊缝的部位，由于温度也上升到足以引起冶金和力学性能产生变化的程度，形成焊接热影响区。焊接本身是涉及到传热、冶金、力学等多学科、多物理场强耦合的复收稿日期：2022-12-09；修订日期：2023-01-10多物理场耦合的厚板焊接熔池形态数值模拟技术在钢构件制作中的应用研究董 涛，贺俊淏，贺 斌，张文斌，张哲源，王 良，马海洋，刘山山（中建八局新型建造工程有限公司，上海 201799）摘要：焊接是涉及到传热、冶金、力学等多学科、多物理场强耦合的复杂过程，焊接多场耦合模拟对于优化焊接工艺、控制焊后残余应力、节省成本以及提高构件使用寿命和可靠性等具有重要意义。本文从理论研究出发，利用 SYSWELD 软件进行了模拟计算分析，通过实验结果指导焊接工艺评定编写，进而指导钢构件焊接参数的设置。关键词：多物理场耦合；焊接；熔池；数值模拟；制作中图分类号：TG146.2+3；TG113文献标识码：ADOI：10.16316/j.issn.1672-0121.2023.03.030文章编号：1672-0121（2023）03-0127-05第 58 卷 第 3 期Vol.58 No.3CHINA METALFORMING EQUIPMENT&MANUFACTURING TECHNOLOGY2023 年 6 月Jun.2023Numerical Simulation Research on Cold forging of Spur Gear basedby using Method Coupled Inward Flow with Exchanging axlesZHANG Weihai1XU Shubo2LI Zhendong2（1.Weifang Fuyuan Supercharger Co.,Ltd.,Weifang 261206,Shandong China;2.College of Materials Science and Engineering,University of Jianzhu Shandong,Jinan 250101,Shandong China）Abstract:In order to avoid a sharp rise of forming load in the final forging,which can reduce the formingforce of forging spur gear.Based on the inward flow and exchanging axles,the two steps cold forging of spurgear based on the method coupled inward flow with exchanging axles was be proposed.The 3D finite elementmodel and different experimental scheme was be established.Through the DEFORM-3D software to carry onthe numerical simulation analysis,the best forming scheme of the forming process，the metal flow rule anddeformation mechanism are got in the deformation course.The simulation results show that the completed gearis formed and the forming force can be reduced about 50%compared with the traditional closed precisionforging process.Has important guiding significance to the production practice of spur gear.The result provide feasible basis for practice useKey words:Spur gear;Precision forging;Inward flow;Exchanging axles;Numerical simulation127-第 58 卷杂过程，焊接热过程决定了焊缝和焊接热影响区的组织与性能以及焊接接头的应力和变形。焊接熔池形态及其热过程、焊接冶金以及焊接结构的应力与变形等物理化学现象，对焊接质量有着决定性的影响，是焊接过程分析的最重要的理论基础。深入了解复杂多物理场耦合及其相互作用机制，可为研究焊接过程中的熔池形态、应力变形及焊缝控制成形等提供重要的理论依据。通过对复杂焊接过程进行数值模拟，有助于掌握焊接现象的本质特征，通过优化焊接结构设计与工艺设计，进一步提高焊接接头的质量，同时大大减少试验工作量，促进焊接生产从“理论试验生产”模式向“理论数值模拟生产”模式转变。考虑到多物理场作用的焊接模拟技术更加接近实际，计算结果更为精确，对其进行开发和利用将使焊接技术实现从经验走向科学、从定性转向定量的飞跃。2多物理场耦合对厚板焊接熔池形态的影响分析2.1 多物理场耦合关系焊接过程是一个焊接温度场、应力应变场及微观组织场多物理场耦合的复杂过程。温度场对应力场的影响表现为产生热应力，由于焊接过程中，焊件的实际变形量不超过 2%3%，塑性功耗散可忽略不计；温度是相变的驱动力，同时由于相变过程伴随潜热的释放与吸收进而影响温度场；相变过程中，各组成相的比容差异将造成相变应力以及应力作用下相变过程产生的相变塑性应变，同时相变也会引起材料性能参数的变化，进而影响材料的力学行为。其耦合关系如图 1 所示。2.2焊接温度场影响因素焊接线能量是指焊接的时候由焊接热源输入给单位长度焊缝上的热量，是焊接工程中温度场变化的主要影响因素。焊接热源输入对温度场的影响可以从焊接线能量的的方面分析，焊接电流、电弧电压和焊接速度是决定焊接线能量的主要因素，焊接电流越大，电弧电压越大，焊接热输入量越大，得到的线能量越大，焊接速度越小，线能量越大。在焊接过程中金属会发生量变和形变，变形过程中伴随着热传导、热辐射和热弹性效应,变形热即塑性应变能转变的热量与弹性应变功相反,塑性应变功在卸载后会保留在工件中，塑性应变功的部分会转变为变形热,但此部分热量相对于焊接热源输入热量过小，可不考虑。在焊接过程中，焊缝区域和母材热影响区会发生金相组织转变，金相组织转化的潜热以及金属局部温升,由于焊接时板材相变潜热与焊接热输入相比差距较大,因此潜热带来的影响可忽略不计。2.3焊接温度场对熔池形态影响熔焊是指焊接过程中，将母材和填充材料在温度场等的作用下熔化至液态，两个工件熔化的融液会发生混合现象。待温度降低后，熔化部分凝结，两个工件就被牢固的焊在一起，完成焊接的方法。焊接接头是由焊缝、熔合区和热影响区三个部分组成的。在焊接热循环作用下，焊缝两侧处于固态的母材发生明显的组织和性能变化。如图 2 所示。焊接温度场分析属于典型的非瞬态热传导问题。其三维温度场控制方程为：热应力变量引起的热量应力-应变场焊接温度场微观组织应力引起的相变相变应力组织转变相变潜热图 1焊接温度应力相变三者之间的耦合关系熔池热影响区焊缝工件图 1熔焊示意图焊条图 2熔焊焊缝、热影响区、母材示意图128-第 3 期董 涛，等：多物理场耦合的厚板焊接熔池形态数值模拟技术在钢构件制作中的应用研究cTt=x（Tx）+y（Ty）+z（Tz）+Q式中：Q（x,y,z,t）为求解区域 V 中的内热源强度；T 为温度场分布函数；为导热系数；和 c 分别为材料的密度和比热容。上式为泛定方程，为了获得定解，需要给出定解条件，即微分方程的边界条件及初值条件。已知边界上的温度值时方程方程为：Txnx+Tyny+Tznz=Ts（x，y，z，t）式中：qx 为单位面积上的外部输入热源；为表面换热系数；T 为物体表面温度；Ts 为周围介质温度；nx、ny、nz分别为边界外法线的方向余弦。采用单一变量原则，保证其他焊接参数相同的前提下，改变焊接电流，电弧电压和焊接速度分别进行实验分析。在焊接过程中，焊接速度及电弧电压一定的情况下，焊接电流的增加会导致热输入的增加，进而影响焊接过程中熔池深度、宽度和液态金属的积累程度，最终导致焊缝熔深余高增加，熔宽略有增加；而在焊接电流及速度一定的情况下，对焊接电压进行增加会导致焊接熔池形态发生变化，从而使焊缝成型宽度出现相应的增加；而焊接电流及电压一定的情况下，随着焊接速度的变化，焊接线能量增加，焊接熔池的体积也会出现相应的变化，进而导致热影响区宽度变化，影响焊缝成形质量。2.4结论焊接工程中的温度场会影响焊缝成形，焊接电流、电弧电压以及焊接速度的变化会影响焊接线能量，导致焊接温度场变化，进而影响焊接过程中熔池深度、宽度和液态金属，最终导致焊缝熔深和熔宽的变化。3厚板焊接熔池形态数值模拟项目采用 SYSWELD 软件进行了模拟计算，对焊接温度场分布情形进行了计算分析，为生产中改善焊接温度场，提高产品质量提供了理论依据。3.1有限元模型及网格划分模型尺寸为 200mm200mm80mm，模型的网格划分及约束条件如图 3 所示。划分网格时，为保证计算精度在焊缝中心及热影响区采用较细小的网格，在远离焊接中心的区域内采用较粗大的网格。这是因为在焊缝中心区域将出现较大的温度及应力场梯度，需要较细小的网格来保证计算结果的准确性。远离焊缝区域的位置由于温度及应力的变化较小，即使采用较大的网格也能保证足够的计算精度，而粗大的网格将大大较少计算时间，提高计算的效率。3.2热源模型的校核模拟仿真常用的热源模型有高斯热源模型、双椭球热源模型，根据热输入不同，选择不同的热源模型。项目采用 Goldak 高斯分布的双椭球热源模型来模拟弧焊过程的热输入，其热源模型如下图所示。前后两半椭球的热流分布式如公式（3）、（4）所示。前半椭球（Frond half ellipsoid）热流分布公式（3）：qf（x，y，z，t）=63ffQa1bce-3（x-vt-x0）2/a12e-3y2/b2e-3z2后半椭球（Rear half ellipsoid）热流分布公式（4）：qr（x，y，z，t）=63frQa2bce-3（x-vt-x0）2/a22e-3y2/b2e-3z式中：Q 为电弧热输入功率；ff、fr 分别表示总输入功率在熔池的前半部和后半部的分配系数，ff+fr=2.0；v 表示焊接速度；t 为焊接时间；x0表示当焊接时图 3单道焊有限元模型XYZ前半椭球后半椭球q=（x,y,z）a2zcxa1by图 4双椭球热原模型热源分布129-第 58 卷间 t 为 0 时热源在 x 方向所在的位置；a1为前半椭球半长，a2为后半椭球半长，b 和 c 是双椭球体热源宽度和深度，单位均为 mm。3.3焊接过程中温度场分布如图 5 所示为冷却过程中的温度场分布，与实验的结果比较可知，温度场在焊接过程中围绕着热源中心呈准稳态分布，离热源的中心越近等温度线越密，节点的热循环与实际情况相符。选取 Q460 高强钢对接焊平板模型焊接过程中不同时刻模型的表面温度，如图 6 所示。图中圆圈中心黑色区域为温度高于 1450的区域，即熔池部分。图中可以看出，除焊接开始和结束阶段外，焊接过程中的高温区比较稳定，焊接过程可以看作为一个准稳态过程。随着焊接热源的移动，高温区域也随着移动。t=50s 时焊接加热过程结束，冷却阶段开始，