吳飛虎,張鵬飛
(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江西 九江 332007)
焊接是使用加熱或加壓手段,可添加填充材料,將焊件相互連接的加工工藝。由于焊接方法具有經(jīng)濟(jì)、靈活,節(jié)約材料和提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn),因此,我國焊接技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用廣泛[1]。目前工業(yè)產(chǎn)品,如船舶、車輛、橋梁、鍋爐等,以及各類工程和廠房建筑等的結(jié)構(gòu)部件,都使用焊接工藝。不銹鋼材料具有良好的耐腐蝕性能,同時(shí)兼顧焊件生產(chǎn)成本和使用壽命,在我國建設(shè)中十分重要。在不銹鋼加工中,焊接是不可或缺的加工手段。但生產(chǎn)中,不銹鋼焊接變形問題一直存在,焊接變形會(huì)造成焊接結(jié)構(gòu)的外觀尺寸偏差,對(duì)承載能力有較大影響,無法保證焊接結(jié)構(gòu)的使用性,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致無法裝配而報(bào)廢,降低生產(chǎn)效率,增加零件材料成本,同時(shí)增加生產(chǎn)制造成本[2]。不銹鋼零件市場(chǎng)巨大潛力與較高的生產(chǎn)成本,構(gòu)成了極大矛盾,改善這一問題勢(shì)在必行。因此如何降低不銹鋼焊接變形,減少生產(chǎn)成本,提高效率,具有重要研究意義。因此,本文進(jìn)行焊接工藝對(duì)不銹鋼焊接變形的影響研究,為確定最佳焊接工藝法提供依據(jù),有助于實(shí)現(xiàn)焊接變形控制。
選擇WF300型Nd:YAG脈沖激光焊接機(jī),技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 激光焊接機(jī)技術(shù)參數(shù)
實(shí)驗(yàn)焊接選擇單道平板對(duì)接,實(shí)驗(yàn)選擇厚度為1mm的304不銹鋼板,用線切割機(jī)切割成長(zhǎng)50mm、寬30mm的試樣,焊接前,用砂紙打磨,除去氧化膜,用丙酮清洗干凈。304不銹鋼化學(xué)成分如表2所示。
表2 實(shí)驗(yàn)材料化學(xué)成分
實(shí)驗(yàn)選擇電流、脈沖寬度和激光頻率作為參數(shù),具體見表3。
表3 實(shí)驗(yàn)焊接參數(shù)
將萬向節(jié)固定在可以左右移動(dòng)的平臺(tái)上,通過左右移動(dòng)測(cè)量出不銹鋼板縱向垂直高度變化,以垂直方向的偏移量作為衡量角變形的標(biāo)準(zhǔn),這樣就能夠得到不銹鋼焊接變形量。
焊接是局部快速加熱至高溫,然后快速冷卻的過程[3]。在此過程中,焊件溫度不斷變化,形成不均勻、不穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。隨著溫度場(chǎng)變化,焊接材料的物理性能也產(chǎn)生變化。因此,焊接溫度場(chǎng)的模擬,屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。因此對(duì)焊接過程的有限元模擬,可以采用三維瞬態(tài)分析的方式。
三維熱傳導(dǎo)分析的溫度場(chǎng)方程為:
導(dǎo)熱時(shí)分三類邊界條件:
第一類,已知溫度值。
第二類,已知與周圍介質(zhì)熱交換。
第三類,已知熱流密度分布。
式中:qs為每單位面積輸入熱源;aT為表面換熱系數(shù);Ta為介質(zhì)溫度;Ts為邊界溫度;nx、ny、nz分別為邊界外法線方向余弦。
采用有限元法求解時(shí),通常是把求解微分方程,轉(zhuǎn)化為求解函數(shù)極值。但是對(duì)于非線性問題,很難找到相應(yīng)函數(shù).此時(shí)可采用加權(quán)法,使微分方程的余量在加權(quán)下達(dá)到最小。
焊接時(shí),電弧熱源通過加熱斑點(diǎn),將熱能傳遞給焊件,其熱量分布中心多、邊緣少,因此熱源的熱流密度分布,可近似使用高斯函數(shù)表示。熱流密度表示為:
式中:qm為最大熱流密度;R為有效加熱半徑;r為至加熱斑點(diǎn)距離。
?2016年,全國公安機(jī)關(guān)共破獲電信網(wǎng)絡(luò)詐騙案件11.9萬余起,抓獲犯罪嫌疑人8.8萬余名?!豆膊?2016年以來共破獲電信網(wǎng)絡(luò)詐騙案件11.9萬余起 上半年電信詐騙案件發(fā)案數(shù)同比下降12.3%》,《中國防偽報(bào)道》2017年第10期。
加熱斑點(diǎn)的最大熱流密度為:
Q為焊接有效熱功率。
利用ANSYS軟件進(jìn)行瞬態(tài)熱分析,主要有三個(gè)步驟:
(1)前處理,包括建立模型、定義單元、材料屬性材料、設(shè)置網(wǎng)格和生成有限元模型。
(2)施加載荷和求解,包括定義類型、初始條件、設(shè)定選項(xiàng)、邊界條件和運(yùn)算。
(3)后處理,有兩種方式,通用方式可以查看某一時(shí)刻計(jì)算值,時(shí)間歷程方式可以查看隨時(shí)間變化的狀態(tài)。
進(jìn)行焊接應(yīng)力場(chǎng)模擬,要重新進(jìn)入前處理,把熱單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元,定義彈性模量、熱擴(kuò)散率和泊松比等隨溫度變化的材料力學(xué)性能;接著讀入熱分析節(jié)點(diǎn)溫度,設(shè)置構(gòu)件加熱初始均勻溫度;最后進(jìn)行求解和后處理。
通過ANSYS有限元分析,對(duì)焊接過程模擬,研究激光焊接變形。模擬結(jié)果表明激光焊接的瞬時(shí)溫度場(chǎng)比較穩(wěn)定,熱源中心溫度高,周圍溫度逐漸降低;應(yīng)力場(chǎng)熱源中心處產(chǎn)生壓應(yīng)力,遠(yuǎn)離中心出現(xiàn)拉應(yīng)力,冷卻后中心產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,遠(yuǎn)離中心產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。
對(duì)1mm厚度的304不銹鋼板分別進(jìn)行焊接電流、激光脈寬和頻率的單因素控制實(shí)驗(yàn),測(cè)量變形量,研究這三個(gè)參數(shù)對(duì)焊接變形的影響。
對(duì)1mm厚度的304不銹鋼板在脈寬10ms,頻率3Hz條件下進(jìn)行電流對(duì)焊接變形的影響實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖1所示,可以看出:焊接電流越大,變形越大。造成這種現(xiàn)象的原因是焊接電流與激光功率成正比,在其他條件不變的情況下,隨著電流增大,激光功率也隨之增大,不銹鋼材料吸收熱量增加,加快熔化成液態(tài),隨后冷卻時(shí)會(huì)有更多液態(tài)物質(zhì)凝固成固態(tài)焊縫,收縮量也變多,因此導(dǎo)致焊接變形增大。
圖1 焊接電流對(duì)焊接變形的影響
對(duì)1mm厚度的304不銹鋼板在電流160A,頻率3Hz條件下進(jìn)行脈寬對(duì)焊接變形的影響實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖2所示,可以看出:隨脈寬增大,焊接變形先減小后增大,中間存在極小值。這是因?yàn)槊}寬與激光功率成反比,在其他條件不變時(shí),一方面,隨脈寬增大,激光功率減小,不銹鋼材料熔化體積縮減,因此變形量減小;另一方面,隨脈寬增大,激光加熱時(shí)間增加,不銹鋼材料熔化體積增大,因此使變形量增大。所以在激光功率和加熱時(shí)間共同作用下,隨脈寬增大,焊接變形先減小后增大。因此,應(yīng)選擇極小值范圍脈寬,來減少變形量。
圖2 脈寬對(duì)焊接變形的影響
對(duì)1mm厚度的304不銹鋼板在電流160A,脈寬10 ms條件下進(jìn)行激光頻率對(duì)焊接變形的影響實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖3所示,可以看出:隨頻率增大,焊接變形先減小后增大,中間存在極小值。激光頻率影響相鄰兩點(diǎn)間距離,隨頻率增大,焊縫重疊率增大。頻率較低時(shí),焊縫間距大,隨頻率增加,焊縫重合率增大,因此變形隨之減小;但頻率過快時(shí),出現(xiàn)灼燒現(xiàn)象,變形反而很大。因此,應(yīng)選擇極小值范圍激光頻率,來減少變形量。
圖3 激光頻率對(duì)焊接變形的影響
通過以上實(shí)驗(yàn),分析得出在其他條件不變的情況下,隨焊接電流增大,焊接變形增大;脈沖寬度和頻率都存在一個(gè)最佳值使變形達(dá)到最小。
本文選擇焊接電流、脈沖寬度和激光頻率為研究參數(shù),通過實(shí)驗(yàn)分析,驗(yàn)證不同參數(shù)對(duì)不銹鋼焊接變形的影響。本文研究還存在一定不足,影響焊件變形的焊接工藝參數(shù)還有很多,本文只選取了其中三個(gè)進(jìn)行研究,存在一定局限性,此外本文只采用激光方式進(jìn)行焊接,還有其他焊接方式可供實(shí)驗(yàn)使用,后續(xù)應(yīng)進(jìn)行更加深入的研究,進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù),以減小焊接變形,改善不銹鋼焊接工藝。