1、歡迎訪問第1論文網(wǎng)對(duì)接間隙對(duì)鉭薄板TIG氦弧焊熔池形態(tài)影響的數(shù)值分析(圖)歡迎訪問第1論文網(wǎng)    歡迎訪問第1論文網(wǎng)    摘要: 為了研究焊接過程中對(duì)接間隙對(duì)熔池形態(tài)的影響,本文基于有限元分析軟件ANSYS ,針對(duì)鉭薄板微間隙TIG氦弧焊接方法,用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了鉭薄板TIG氦弧對(duì)接焊過程中對(duì)接間隙存在時(shí)溫度場(chǎng)的分布以及不同對(duì)接間隙時(shí)熔池表面形態(tài)的變化。分析了對(duì)接間隙的變化對(duì)熔池表面形狀的影響,并對(duì)間隙存在時(shí)焊槍偏離焊縫中心的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析。計(jì)算了由于邊緣效應(yīng)和焊接熱源有效作用范圍帶來的熱傳遞效應(yīng)不同時(shí)工

2、件內(nèi)溫度場(chǎng)的分布。計(jì)算結(jié)果表明間隙的存在造成溫度場(chǎng)分布不均,是熔池表面形態(tài)呈現(xiàn)橢圓形的一個(gè)決定性因素,這種影響隨焊接時(shí)間的增加更為明顯。研究結(jié)果對(duì)制定TIG焊工藝具有實(shí)際指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞: 鉭; 熔池; 對(duì)接焊; 氦弧; 微間隙; 數(shù)值分析引言鉭是一種塑性較好,容易制作加工的難熔稀有金屬,廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、航天工業(yè)、核能工業(yè)和電子工業(yè)等領(lǐng)域1 。工業(yè)生產(chǎn)中,鉭結(jié)構(gòu)件通常是用焊接的方法來加工制造,但鉭在焊接過程中存在吸氣、晶粒粗大及易形成氣孔和裂紋等問題 2 ,3 ,而且其特殊的應(yīng)用環(huán)境對(duì)焊接質(zhì)量要求很高,所以保證焊接質(zhì)量成為亟待解決的課題。現(xiàn)有的資料顯示,鉭的焊接成形方面的研究還非常缺乏,因

3、此開展對(duì)鉭焊接工藝的研究具有實(shí)際意義。焊接過程是個(gè)局部快速加熱到高溫并隨后冷卻的過程,整個(gè)焊件的溫度隨時(shí)間和空間急劇變化,易形成在時(shí)間和空間域內(nèi)梯度都很大的不均勻溫度場(chǎng),溫度場(chǎng)的分布決定著焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的范圍,對(duì)焊接接頭的質(zhì)量有著直接影響。實(shí)際工業(yè)中的平板對(duì)接焊工藝,由于固定夾具的機(jī)械誤差以及一些人為因素,極易使對(duì)接工件產(chǎn)生微小的間隙,而微小的間隙對(duì)工件溫度場(chǎng)有著極大的影響。目前對(duì)焊接溫度場(chǎng)計(jì)算的研究?jī)H限于單板重熔和無間隙對(duì)接焊4 ,而間隙的存在是影響焊縫成形和焊接質(zhì)量的一個(gè)重要因素,因此開展這方面的研究有著重大意義。1 計(jì)算模型與邊界條件1.1 計(jì)算模型本文采用了有限元分析軟件ANSYS7

4、10 ,對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值化處理,在計(jì)算過程中使用了實(shí)體單元so1id70 和表面單元surf152 相結(jié)合,除了施加整體與外界的對(duì)流散熱條件外還考慮了工件與夾具和保護(hù)胎具之間的傳熱。因?yàn)槟Ｐ偷膶?duì)稱性,本次計(jì)算只選取了對(duì)接焊實(shí)驗(yàn)中的一塊試板進(jìn)行建模計(jì)算。為保證對(duì)接間隙,在工藝性能試驗(yàn)中采用專用夾具將工件固定于工作平臺(tái),工件尺寸為20 mm ×50 mm ×015 mm 的鉭薄板。焊接試驗(yàn)過程中采用自制反面保護(hù)胎具,對(duì)工件進(jìn)行雙面氣體保護(hù):正面保護(hù)氣體為氦氣,氣流量7 L/ min ;反面保護(hù)氣體為氬氣,氣流量5 L/ min 。焊接電流I = 75A ,焊接電壓U =

5、1714 V ,弧長(zhǎng)2 mm。基于ANSYS 自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù),本次研究采用四面體和六面體單元相結(jié)合的網(wǎng)格劃分原則,對(duì)工件和夾具進(jìn)行不同單元形狀的網(wǎng)格劃分。模型采用非均勻網(wǎng)格的方法來進(jìn)行單元的劃分。如圖1 所示,在對(duì)接面及近縫區(qū)域,采用較為細(xì)密的網(wǎng)格劃分,而在遠(yuǎn)離焊縫區(qū),采用較粗略的網(wǎng)格劃分。這樣可以兼顧計(jì)算精度與速度。圖1 非均勻網(wǎng)格劃分型式1.2 熱源加載形式電弧加熱區(qū)的熱能分布按照接近實(shí)際的高斯分布形式,電弧加熱半徑內(nèi)任意一點(diǎn)r(x, y) 的熱流量分布見式(1)6 。式中:表示加熱效率,在本文中取017 ;U 為電弧電壓; I 為焊接電流; rH 為電弧加熱斑點(diǎn)區(qū)半徑。1.3 邊界條

6、件的處理1) 引弧時(shí)刻的初始條件:T = T0 ( 2 )式中: T 是工件上的溫度, T0 為初始溫度室溫(298 K) 。2) 計(jì)算時(shí)將間隙處對(duì)接面設(shè)為對(duì)流邊界, 考慮空氣在間隙處流通時(shí)與工件的對(duì)接面產(chǎn)生對(duì)流散熱。工件與空氣熱交換對(duì)流邊界條件:式中:表示工件上任意方向的溫度梯度;為材料的導(dǎo)熱系數(shù); h 為材料的對(duì)流系數(shù)。2 計(jì)算結(jié)果與分析2.1 對(duì)接間隙對(duì)工件表面溫度場(chǎng)的影響為了分析對(duì)接間隙的存在對(duì)工件溫度場(chǎng)的影響,對(duì)間隙為0109 mm和間隙不存在2 種情況進(jìn)行了建模計(jì)算,建模時(shí)在工件對(duì)接面處分別采用對(duì)流和傳導(dǎo)2 種邊界條件。計(jì)算結(jié)果表明,無對(duì)接間隙時(shí),熔池表面形狀呈現(xiàn)圓形即x 方向與y

7、 方向熔寬相等;對(duì)接間隙存在時(shí)熔池表面形狀呈現(xiàn)橢圓形即x 方向與y 方向熔寬不等。這是因?yàn)閷?duì)接間隙存在時(shí),對(duì)接面處的對(duì)流散熱速度慢,使得等溫線在x 方向上分布較密而y 方向上分布稀疏,因此y 方向的熔寬大于x 方向上的熔寬,這種影響隨焊接時(shí)間的變化更加明顯。圖2 表明了x 方向與y 方向上熔寬隨焊接時(shí)間變化的規(guī)律。間隙的存在是熔池形態(tài)變化的一個(gè)因素。2 種邊界條件下的計(jì)算結(jié)果參見表1 。表1 2 種邊界條件下熔寬的比較圖2 小間隙對(duì)接焊熔寬隨焊接時(shí)間變化曲線(間隙0.09 mm ,I =75A ,U = 17.4V)圖3 距電弧中心等距離點(diǎn)的選取方法圖4 工件上不同區(qū)域距電弧中心等距離點(diǎn)的升溫

8、曲線(I=75A ,U=17.4V)為了進(jìn)一步分析間隙對(duì)工件上溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律,分別在間隙的對(duì)接面上和工件內(nèi)部選取了距離電弧加熱中心為5 mm 的節(jié)點(diǎn),選取方法示意圖參見圖3 。為了排除夾具導(dǎo)熱對(duì)工件上不同位置溫度場(chǎng)的影響,在有無對(duì)接間隙2 種情況下對(duì)A、B 兩點(diǎn)溫度差值的變化進(jìn)行了計(jì)算,在相同時(shí)間內(nèi)2 種條件下A、B 兩點(diǎn)的溫度差值的變化曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出由于夾具導(dǎo)熱的影響,A 、B兩點(diǎn)的溫度有著一定的差值;當(dāng)間隙存在時(shí),由于間隙的影響,工件對(duì)接面溫度上升速度快,且在相同時(shí)間內(nèi)溫度值高出工件內(nèi)等距離位置很多,A、B 兩點(diǎn)的溫度差值較無對(duì)接間隙時(shí)大得多。2.2 不同對(duì)接間

9、隙對(duì)工件表面溫度場(chǎng)的影響當(dāng)兩焊接板間存在間隙時(shí),對(duì)接板與周圍環(huán)境產(chǎn)生了熱對(duì)流,帶走了一部分熱量,從而降低了板內(nèi)溫度。對(duì)接間隙的大小直接影響著電弧的有效作用范圍,在焊接間隙允許范圍內(nèi)對(duì)不同間隙時(shí)x 方向和y 方向的熔寬進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明由于電弧有效作用范圍的改變?nèi)蹖挻笮‰S間隙的變大而逐漸減小, x 方向與y 方向的熔寬差距隨對(duì)接間隙的變大而增大,圖5 為熱源作用0125 s 時(shí)熔寬隨對(duì)接間隙變化的曲線。焊槍位置偏離焊縫中心時(shí),使得焊縫成形不良而影響焊接質(zhì)量。據(jù)此對(duì)間隙為011 mm 焊槍距兩對(duì)接面分別為0102 mm 和0108 mm 時(shí)及相對(duì)應(yīng)的無對(duì)接間隙情況下焊槍位置在兩對(duì)接板上的相同

10、的偏差時(shí)工件上的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算,焊接熱源作用1s 后兩對(duì)接板上的溫度差值變化曲線參見圖6 。計(jì)算結(jié)果表明焊槍偏離焊縫中心時(shí),若兩板間不存在對(duì)接間隙,由于兩對(duì)接板間存在強(qiáng)烈的傳導(dǎo)換熱,使得兩板內(nèi)的溫度分布差異不明顯,對(duì)接間隙存在時(shí), 對(duì)接間隙帶來的邊緣效應(yīng)及焊接熱源有效作用范圍帶來的熱傳遞效應(yīng)不同,使得兩板上溫度分布差異很大,特別是溫度峰值差異會(huì)更大,本次計(jì)算中焊槍偏離0106 mm 時(shí),溫度峰值差值就有200 K左右,不過這種溫度差異在遠(yuǎn)離焊接熱源處不明顯。圖5 不同間隙時(shí)熔寬變化曲線(I=75A ,U=17.4V ,t = 0.25 s)圖6 焊槍偏離焊縫中心時(shí)工件上溫度變化曲線(I = 75A ,U = 17.4V ,t = 1s)3 結(jié)論本文分析了不同對(duì)接間隙對(duì)焊接溫度場(chǎng)的影響。通過焊接工藝試驗(yàn)對(duì)本文所建立的模型進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明所建立的模型是正確的,所采用的數(shù)值計(jì)算方法是可行的,計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近。并得到如下規(guī)律:1) 間隙的存在使得溫度場(chǎng)分布不均,是熔池表面形狀呈現(xiàn)橢圓形的一個(gè)決定性的因素,這種影響隨焊接時(shí)間的增加更為明顯。2) 在其他焊接工藝參數(shù)相同的情況下,對(duì)接間隙的大小決定著電弧的有效作用范圍,隨著對(duì)接間隙的增大熔寬尺