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      薄板焊接溫度場的實驗測量與有限元模擬研究

      薄板焊接溫度場的實驗測量與有限元模擬研究

      M.J. Attarha?, I. Sattari-Far

      摘要:采用K型熱電偶對單程GTAW焊接過程中的相似和異種薄對接焊接頭的焊接溫度分布進行了測量。此外,還進行了三維有限元模擬,以預測整個平板的溫度分布通過實驗和模擬結果的比較,發現很好的一致性。研究結果為熱影響區組織預測提供了依據,考慮到熱電偶與焊縫的緊密結合,并提供了客觀的冷卻斜率。焊接接頭中無填充材料有助于觀察峰值溫度和冷卻斜率與材料性能差異的關系。

      正文

      介紹

      焊接是最可靠、最有效、最實用的金屬連接工藝,廣泛應用于核工業、航空航天、汽車、交通運輸、近海等行業。盡管它們有許多優點,但也有一些限制影響這一過程。焊接缺陷影響焊接接頭的預期性能。熱循環顯著影響殘余應力、變形、焊接組織、熱影響區等參數因為堅硬對于焊接過程中的局部加熱,控制熱循環至關重要。

      Murugan等人。(1998)測量304型不銹鋼焊接板的溫度分布熱電偶。他們的結果表明,測量點的溫度分布明顯依賴于焊接條件。鄧甘德Murakawa(2006)利用熱電偶實驗獲得了對接焊接管接頭的溫度分布并與有限元模擬結果進行了比較。結果表明,當焊炬在管道周圍移動時,熱源周圍的溫度分布非常穩定。在另一項工作中,den和Murakawa(2008)測量了裝有固態相變的2.25Cr–1Mo鋼管的溫度循環和殘余應力-克爾曼普爾信息等等。(2008)研究了因科鎳合金800焊管不同焊接順序和焊接參數引起的溫度循環。他們表明體積熱源在整個溫度循環中提供了最好的結果管??ㄌK亞特艾爾。(2000)提出了一種預測短焊道雙向多道焊試樣溫度歷程的熱傳導解析模型,并用實驗結果驗證了該模型的正確性熱電偶,李Wu(2009)研究了峰值溫度和冷卻速率對晶間腐蝕敏感性的影響采用激光束和鎢極氣體保護焊。在他們的焊接過程中,連續記錄了焊接過程中的各個溫度點,并將得到的熱輪廓與試樣的顯微組織觀察結果進行關聯,以研究峰值溫度和冷卻速度對GTAW和LBW焊件IGC敏感性的影響。Ericsson和Nylen(2007)將機器人仿真與有限元仿真相結合,以優化機器人速度,從而在保持關節完全穿透的同時最小化變形。他們為機器人速度優化提供了一種迭代方法。所提出的方法允許對組件的熱輸入進行優化,從而使PA的最小mizesComponentDeformation得到優化rtswithcomplexshapes。它們與溫度分布預測相比,已經過驗證實驗測量。在另一篇文章中,朱安超(2004)測量了304L不銹鋼摩擦焊接板的瞬態溫度和殘余應力的變化。采用三維非線性熱力和熱力數值模擬方法對焊接過程進行了數值模擬預測溫度和殘余應力分布。結果表明,由于過程中輸入的熱量未知,用解析法計算溫度是唯一有效的田野。梁袁(2008)利用非接觸測溫技術對AZ31B鎂合金焊接過程中的焊接溫度場進行了研究,得出了焊接冷卻曲線熱電偶。朱和Chao(2002)在另一項工作中,試圖在焊接過程的計算模擬中研究每種溫度相關材料特性對瞬態溫度、殘余應力和變形的影響。結果表明,熱導率對焊接過程中瞬態溫度場的分布有一定的影響。

      本文研究了焊接板內部溫度場的計算。選擇兩個相似的和一個不同的GATW單程接頭來測量整個焊接過程中的溫度循環。K型熱電偶用于此目的?;贏BAQUS軟件,建立了三維有限元模型,以預測溫度循環。然后對實驗結果進行驗證。

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      圖1.三個對接焊接接頭的規格和熱電偶在整個焊接件和焊接件上的位置

      實驗程序

      溫度測量采用K型熱電偶。將該方法應用于304不銹鋼和St37碳鋼的兩個相似接頭和一個不同材料的異種接頭的鎢極氣體保護焊(GTAW),并與有限元法進行了比較。這些熱電偶位于工件的鉆孔中,固定在中間平面上。在不同的溫度下測量了左右兩側的熔線溫度盤子。圖.1顯示試樣和其他熱電偶位置的示意圖。如前所述,焊接件由200mm×200mm×3mm的鋼板組成。為了記錄測量的溫度,采集的信號被傳輸到數據記錄器和PC機上。數據記錄器被設置為每秒記錄至少10個熱電偶讀數。利用labview軟件顯示熱曲線。

      當熱電偶連接到板上時,還必須考慮以下因素。溫度記錄在熱電偶上兩根導線接觸的第一個點。如果由于任何原因,沿著熱電偶有任何其他接頭,則熱循環測量將不準確。

      這些工件一次性焊接我不在機場。期間焊接時,采用氬背襯氣體保護熱裂焊縫。在焊接過程中用焊接設備記錄了電壓和電流。此外,還記錄了焊道的持續時間,計算了焊接速度。表1給出了各接頭的電壓(V)、電流(I)和焊道的移動速度(V)??紤]到GTAW工藝的電弧效率為0.5()時(Zhu和Chao,2002),采用以下公式計算每mm焊縫長度的熱輸入(Qw):

      image.png 

      下文詳細介紹了上述各接頭的瞬態溫度分布。此外,還考慮了溫度與離熔線距離的變化。S304和St37鋼的化學成分見表2。

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      image.png  

      圖2.3D焊接模擬中的三維有限元模型和網格劃分

      數值程序

      基于ABAQUS軟件,開發了熱有限元計算程序,對三種單程對接焊接頭焊接溫度場進行了計算。通過熱傳導分析得到溫度歷程,解決了熱傳導問題。該公式考慮了瞬態溫度場的貢獻,以及與溫度有關的熱物理性質。

      在有限元模擬中,考慮了AISI 304不銹鋼和St37碳鋼三種對接焊接頭的無填充GTAW工藝,如圖所示。2.所含材料特性見表3。由于兩個相似節理的對稱性條件,對一個板進行了建模,而在不同的節理中,則對兩個板進行了建模。模型網格如圖所示。2仿真模型的尺寸與實驗相同樣本。英寸在焊接區及其附近,有一個細密的網格考慮過了節點數9999個,元素數6400個。熱分析程序中采用了DC3D8型八節點磚單元。采用malik等人提出的方法,研究了網格尺寸的影響。(2008年)。在該方法中,峰值溫度是網格尺寸靈敏度分析中研究的參數。在這項工作中使用更細的網格可以使峰值溫度相差不到2%。因此,使用了presentedmesh。采用FORTRAN語言,在模型中調用DFLUX用戶子程序計算熱流密度。在goldak等人提出的雙橢球分布的基礎上,考慮了移動體積熱源對焊接電弧的模擬。(1984),由以下方程式表示。對于前熱源:

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      對于后部熱源:

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      其中x′、y′和z′是與焊縫對齊的雙橢球模型的局部坐標線.ffandfrare分別定義焊接電弧前部和后部沉積的熱量份額的參數,FF+fr=2.0。在這項研究中,ffs被認為是1.4,fr是0.6。值得注意的是,弧前的溫度梯度比罕見的。Qwis焊接熱源電源。這個參數的計算已經在第2節中提到。參數sa1、a2、b、c與焊接熱源的特性有關。這些參數可以通過對熔池的實驗研究來確定,并且可以根據焊接條件進行調整,以獲得所需的熔化區。

      由于在這項工作中,一次鎢極氬弧焊是在不使用填充金屬的情況下進行的,因此常規的添加焊接元素的技術,如元素的生滅、元素的移動和元素之間的相互作用,不適用。當焊接電弧施加到工件上時,整個焊縫都存在并經過加熱。因此,上述技術的應用在模擬過程中會產生誤差,而在本工作中,移動熱源會在整個模擬過程中到達包含在模型中的焊接單元。

      焊接過程中,瞬態熱傳遞分析的控制方程如下:

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      式中是材料的密度,是比容量,是當前溫度,—→Qs是熱流矢量,Qi是內部發熱率,x,yandz是參考系中的坐標系,t時間,是空間梯度運算符。

      采用非線性各向同性Fourier熱流本構方程:

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      式中,K為溫度相關的導熱系數。

      表三St37碳鋼和AISI型304不銹鋼的熱物理性能。

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      圖3.焊縫中部的焊接方向和溫度場

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      圖4.實驗E1焊接過程中的溫度歷史,在距焊縫熔線不同距離處

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      圖5.溫度歷史,實驗E1與有限元模擬結果在距離熔線不同距離處(a)3mm,(b)8mm,(c)13mm,(d)18mm,(e)23mm的比較。

       

      表四 依賴溫度的組合對流系數模型(Salonitis等,2007)。

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      為了考慮熱損失,同時考慮了焊縫表面的熱輻射和傳熱。輻射損失主要是焊接區域附近和內部較高的溫度,以及遠離焊接區域的較低溫度下的對流損失(Deng和Murakawa,2006)。通常使用組合熱邊界條件來避免輻射建模的困難。同樣,溫度相關的復合對流系數也被用來模擬冷卻條件表4表示與溫度有關的對流系數。

      結果與討論

      1. St37碳鋼的類似對接焊縫

      圖3給出了該接頭有限元仿真模型中的溫度等值線和焊接方向。英菲格。4、給出了在離熔線一定距離的不同點處整個焊縫的溫度分布。在距熔化線3mm處的最高溫度約為550℃。需要注意的是,溫度隨距離的降低呈非線性趨勢。其原因與焊炬的局部加熱以及材料的熱性能隨溫度的非線性變化有關。對上述距離的實驗結果和有限元模擬結果進行了比較。5.很明顯,結果總體上具有良好的一致性,但在溫度升高時,結果之間的差異是明顯的。這可能是由于熔焊過程中熔滴飛濺和熱源模型的選擇造成的。圖6顯示了峰值溫度隨焊縫熔線距離的分布

      2 ISI 304型不銹鋼類似對接焊縫

      文中給出了由實驗測量得到的左焊縫各點的溫度歷程。7,這個接頭。最高溫度約為470攝氏度。很明顯,st37的冷卻斜率比S304陡,這是由于材料的熱學性質,特別是熱導率的不同。從實驗結果和有限元結果中提取的峰值溫度分布如圖8所示.

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      圖片6實驗E1和有限元模擬結果的峰值溫度與焊縫熔線距離的關系

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      圖7.實驗E2在焊接過程中的溫度歷史,在距離熔線不同距離的點處。

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      圖8實驗E2和有限元模擬結果的峰值溫度與焊縫熔線距離的關系

      3 異種金屬對接焊縫

      在本節中,研究了由St37碳鋼和AISI 304型不銹鋼組成的異種對接焊接接頭的溫度分布(圖。9–11)。文中給出了實驗過程。St37和S304分別為9和11??梢钥闯?,S304的截齒溫度高于St37。對兩種材料的實驗測量結果和有限元結果進行了比較。10和12。兩種材質的冷卻坡度都顯示在圖中。13可以觀察到,T37的斜率比304稍低。應注意,由于不相似的焊接工件中沒有消耗性填充材料,并且考慮到焊接過程中的對稱性,峰值溫度和冷卻液之間的差異最符合材料的熱性能,特別是熱傳導。低于峰值溫度的其他原因-這可能與相轉變對St37碳鋼的影響有關。St37碳鋼發生固態相變吸收了一定比例的熱源能量

      image.png。

      圖10。St37碳鋼焊接件(a)3mm,(b)8mm,(c)13mm處,試驗E3和有限元模擬結果在不同距離處的溫度歷史對比

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      圖11.實驗E3焊接過程中的溫度歷史,在距AISI 304型不銹鋼焊接件的熔線不同距離處,(F)3mm,(G)8mm,(H)13mm。

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      圖12.AISI 304型不銹鋼焊接件(f)3mm,(g)8mm,(h)13mm中,溫度歷史,實驗E3與有限元模擬結果之間的比較

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      圖13。試驗E3和有限元模擬結果的St37和S304峰值溫度與焊縫熔線距離的關系。

      結論

      對AISI 304型不銹鋼和St37碳鋼薄板組成的三個接頭(兩個相似和一個不同)的GTAW焊接進行了三維有限元模擬,并與實驗結果進行了比較。有限元與實驗結果的比較表明,所建立的模型對焊接全過程的溫度循環具有良好的預測能力??梢缘贸鲆韵陆Y論:(1) 焊縫中峰值溫度分布與距離的關系表明,溫度下降行為具有非線性性質。通過對st37碳鋼和304不銹鋼異種接頭的峰值溫度的比較,發現304焊縫附近的峰值溫度高于st37。熱導系數之間的差異可以證明這種行為是正確的。


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