基于Sysweld的6061鋁合金T型接頭熱力耦合模擬

供稿|李志強

作者單位：青海高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海 海東 810700

內(nèi)容導(dǎo)讀

采用雙橢球體熱源分布模型，基于Sysweld仿真軟件，對6061鋁合金T型接頭焊接過程進行熱力耦合數(shù)值模擬仿真。首先通過SolidWorks建立三維模型并導(dǎo)入Visual-Mesh進行網(wǎng)格劃分，之后在Visual-Weld中對焊接過程進行模擬仿真，獲得了溫度場及應(yīng)力應(yīng)變的分布情況，然后對焊接過程溫度云圖及焊件整體形變進行分析。結(jié)果表明：熔池金屬在焊縫邊緣且體積較小，加熱面積小、功率密度大，對周圍金屬的熱影響較小，位移誤差最大處2.64 mm，焊接應(yīng)力在夾具處最大，熱源選擇誤差不大，仿真結(jié)果可信，可以為后續(xù)實驗提供指導(dǎo)。

6061鋁合金是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)而成的一種高品質(zhì)合金材料，主要合金元素是鎂與硅，并形成Mg2Si相。因其具有中等的強度、氧化效果較好、同時抗腐蝕性和可焊接性良好，使其具有良好的加工性能且加工后不變形、材料致密、易于拋光及上色膜等眾多優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、建筑裝飾、電子家電、板帶、包裝、印刷等領(lǐng)域[1]。

目前，大部分企業(yè)仍然采用MIG焊來焊接鋁合金材料，但是在焊接過程中，因其在高溫焊接環(huán)境下強度非常低，不足以使熔化形成的熔池金屬得到支撐，從而會出現(xiàn)一些焊接缺陷，如焊縫成形不良、塌陷和燒穿等缺陷[2]。另外在焊接中由于鋁合金表面的氧化膜極易吸收氣體水分，在焊縫金屬一次結(jié)晶過程中來不及逸出而形成氣孔[3]。Javier等[4]比較了不同熱輸入對6061 鋁合金力學(xué)性能的影響，母材由于熱輸入的作用形成不同的區(qū)域，熱影響區(qū)中存在一個硬度最低區(qū)域。

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，焊接質(zhì)量主要由焊工熟練的焊接技能來保證，而焊接時的線能量多少、焊件溫度分布及應(yīng)力影響難以掌握，需要大量實驗。采用數(shù)值模擬的方法，利用有限元對溫度分布及應(yīng)力應(yīng)變進行預(yù)測，確定合適的焊接工藝參數(shù)。

本文采用雙橢球熱源模型，利用Sysweld軟件，對6061鋁合金T型接頭焊接過程進行熱力耦合數(shù)值模擬仿真，計算求解在焊接過程中的焊接溫度場、位移及變形、應(yīng)力應(yīng)變，分析所選焊接參數(shù)的可行性，為后續(xù)實驗提供參數(shù)依據(jù)。

T型接頭的有限元分析建模

有限元模型建立

焊接件為6061鋁合金，翼板尺寸為200 mm×100 mm×4 mm，腹板尺寸為200 mm×50 mm×4 mm，焊腳高4 mm。通過Solidworks進行建模并以IGES格式導(dǎo)出。

網(wǎng)格劃分

將由Solidworks導(dǎo)出的IGES格式模型導(dǎo)入到Visual-Mesh進行網(wǎng)格的劃分，為保證焊縫及其附近高溫區(qū)域得到較為精確的溫度分布，焊縫區(qū)及附近區(qū)域劃分為密網(wǎng)格，其他區(qū)域為疏網(wǎng)格。采用8節(jié)點6面體單元對幾何模型進行網(wǎng)格劃分。整個模型中共有3D單元16974個，22610個節(jié)點。根據(jù)實際焊接工況，設(shè)置了邊界條件合約束，其中紅色節(jié)點限制了z方向位移，為了消除剛體位移，底部選取3節(jié)點分別限制x、xy、xyz方向位移，具體網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格的劃分

組的創(chuàng)建

由于Sysweld數(shù)值模擬是模擬焊接過程中焊槍沿固定軌跡進行起弧焊接，因此采用Visual-Weld軟件對焊接件進行分組處理。因?qū)嶒炘O(shè)備局限，用FNUAC弧焊機器人進行實際焊接操作，焊槍一次性焊接完成一條角焊縫。焊接過程中所需焊接軌跡線、焊接參考線、焊接起始點、焊接終止點、焊接開始單元等條件(見圖2)由Visual-Weld完成。

圖2 焊接件分組

材料性能參數(shù)

為提高模擬仿真結(jié)果準確性，鑒于6061熱導(dǎo)率大，因而在構(gòu)件的焊接過程中需了解6061鋁合金的熱物理性能和機械力學(xué)性能參數(shù)隨溫度的變化[5]。在Sysweld仿真軟件的材料數(shù)據(jù)庫中，熱導(dǎo)率、比熱容等熱物理性能和楊氏模量、屈服強度等機械力學(xué)性能都可以根據(jù)材料的變化特征在Sysweld中加載圖表。其中，比熱容、熱導(dǎo)率隨溫度的變化曲線如圖3所示，楊氏模量、屈服強度參數(shù)如圖4所示。

Sysweld求解

熱源數(shù)字模型的建立

在MIG焊接的數(shù)值模擬中，雙橢球熱源模型是最為通用的三維模型[5]，因在焊接方向上，熱源前后能量密度不一致，而橢球形呈幾何體狀，有著不同的軸長，可以準確反映出焊接方向上的能量密度不對稱。在Sysweld模擬軟件中，直接調(diào)用雙橢球模型的熱源擬合模型。

在實驗過程中，設(shè)置了電流和焊接速度兩個變量進行嘗試性實驗，考慮到焊接過程的穩(wěn)定性、焊縫成形、焊接熱影響等因素，最終確定參數(shù)為焊接電壓：18.75 V，焊接電流：120 A，焊接速度：5 mm/s，焊接線能量：450 J/mm。

焊接向?qū)Ъ扒蠼?/h3>

圖3 材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度變化曲線：(a) 比熱容；(b) 熱導(dǎo)率

圖4 材料的力學(xué)性能參數(shù)隨溫度變化曲線：(a) 楊氏模量；(b) 屈服強度

按照所需焊接條件，根據(jù)Sysweld焊接向?qū)б约扒捌谒龉ぷ鲗附蛹M行焊接前處理，具體焊接向?qū)Я鞒倘绫?所示。檢查所有工藝過程數(shù)據(jù)、邊界條件，保證焊接求解過程的準確性，完成所有檢查工作，進行計算求解。

表1 焊接向?qū)Я鞒?/p>

數(shù)值模擬及分析結(jié)果

焊接瞬時溫度場分析

6061鋁合金熱導(dǎo)率大，試件內(nèi)部熱量傳遞較快，圖5為在焊接模擬過程中15 s時刻的瞬時溫度場分布云圖。從圖中可以看出，粉紅色部分區(qū)域呈現(xiàn)橢球狀，黃色、黃綠色、綠色等等溫區(qū)域也呈現(xiàn)橢球狀，整個熱源的溫度場在構(gòu)件上呈現(xiàn)橢球分布。熱源前段等溫線密集，溫度梯度大，溫度變化劇烈，熱源后端等溫線稀疏，溫度梯度較小，變化較慢，焊縫處金屬最高溫度達到800 ℃左右。隨著熱源的運動，焊接溫度場處于動態(tài)變化過程，其中粉色、紅色區(qū)域基本上達到焊縫邊緣且體積較小，說明此熱源在6061鋁合金T型接頭焊接時滿足加熱面積小、功率密度大等理想熱源的特征，對周圍金屬的熱影響較小，適合焊接。

圖5 15 s時T型接頭瞬時溫度場分布云圖

圖6 焊縫截面上3節(jié)點的熱循環(huán)曲線

在焊縫橫截面上，選取熱源及其鄰近的3個節(jié)點，繪制每個節(jié)點的熱循環(huán)曲線，如圖6所示。由圖可知，在熱源作用下，需要焊接部分加熱速度極快，溫度迅速上升到800 ℃左右，其他近縫點溫度也迅速上升并達到材料的熔點，說明焊接所用線能量滿足實際焊接的要求。當(dāng)溫度達到相變溫度之后，在相變溫度以上的停留時間比較短，說明在焊接過程中，發(fā)生相變的時間短，保證了原焊件的性能。當(dāng)溫度達到峰值溫度之后，冷卻速度也非?？?，在5 s內(nèi)就可以從峰值溫度冷卻到300 ℃，隨后緩慢冷卻到室溫。

焊接變形分析

在焊接過程中，選取20 s時刻的xOy截面溫度場云圖，如圖7所示。從圖中可以看出，焊縫在翼板和腹板的上表面且焊縫處溫度處于最高，導(dǎo)致翼板和腹板上下表面靠近焊縫處的節(jié)點受熱的影響不同，所經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)不同；同樣翼板和腹板距離焊縫遠近不同的各點，溫度分布極不均勻。這種溫度極不均勻就導(dǎo)致了焊件在厚度方向上的橫向收縮變形，導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生變形。

圖7 20 s時刻的xOy截面溫度場云圖

焊件變形位移量云圖如圖8所示。從圖可知，在翼板焊縫一端，由于受熱影響大，并且夾具少，焊接變形量大，最大處可達2.64 mm；腹板上最大位移量在起焊段腹板邊緣處，位移量達到1.76 mm，但是只有極少部分，占據(jù)整個腹板的比例很小，從整個T型構(gòu)件尺寸來看，位移量在可控范圍內(nèi)。

圖8 焊接變形位移量

焊接應(yīng)力分析

構(gòu)件焊接時的應(yīng)力云圖如圖9所示。由圖可知，焊縫處存在較大的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力，厚度方向應(yīng)力較小，粉色、黃色區(qū)域為焊接時模擬夾具所在位置，應(yīng)力最大，達到220 MPa。三個方向上的應(yīng)力是由于各個方向上的收縮變形引起的，縱向和橫向應(yīng)力由于構(gòu)件尺寸大，焊縫處收縮變形受到周圍金屬的約束而產(chǎn)生較大的應(yīng)力分布[5]。

圖9 構(gòu)件焊接時的應(yīng)力云圖

結(jié)束語

采用雙橢球體熱源分布模型，基于Sysweld仿真軟件，對6061鋁合金T型接頭焊接過程進行熱力耦合數(shù)值模擬仿真，獲得溫度場、應(yīng)變場的變化規(guī)律，熔池金屬在焊縫邊緣且體積較小，加熱面積小、功率密度大，對周圍金屬的熱影響較小，位移誤差最大處2.64 mm，焊接應(yīng)力在夾具處最大，熱源選擇誤差不大，仿真結(jié)果可信，可以為后續(xù)實驗提供指導(dǎo)。

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