基于COMSOL模擬的T形接頭對接電阻焊與雙面焊的比較

./基于COMSOL模擬的T形接頭對焊與雙面焊的比較摘要：本文利用有限元法對高斯熱源的移動焊接進(jìn)行數(shù)值模擬,通過分析焊接過程中的數(shù)據(jù)圖像,研究了對焊與雙面焊〔同向兩種焊接方法對T形接頭焊接結(jié)果的影響。主要考慮了溫度變化,應(yīng)力變形,總位移等方面的區(qū)別。關(guān)鍵詞：T形接頭,應(yīng)力變形,溫度,數(shù)值模擬ComparisonofTjointbuttweldinganddouble-sidedweldingbasedonCOMSOLsimulationAbstract：Inthispaper,thefiniteelementmethodisusedtosimulatetheweldingmovementofGaussheatsource.Byanalyzingthedataandimagesintheweldingprocess,theinfluenceoftwoweldingmethodsofbuttweldinganddoublesidewelding<syntropy>ontheweldingresultsofTjointsisstudied.Thedifferenceintemperature,stress,deformationandtotaldisplacementismainlyconsidered.Keywords：Tjoint,stressanddeformation,temperature,digitalsimulation1.數(shù)值模型及焊接條件1.1焊件模型及熱物理參數(shù)為了模擬T形接頭對焊與雙面焊的差別,建立的焊件有限元三維模型及網(wǎng)格劃分如圖所示。翼板尺寸〔XYZ為200mm×100mm×10mm,腹板尺寸為10mm×100mm×80mm。為了兼顧計算精度和速度,在溫度變化梯度較大的焊縫<WM>和熱影響區(qū)<HAZ>區(qū)域采用比較密集的網(wǎng)格,固定單元數(shù)目為25,而在遠(yuǎn)離WM區(qū)域劃分較為稀疏的網(wǎng)格。圖1對焊圖2雙面焊有限元模型1表示先焊的一側(cè),2表示后焊的一側(cè)。對焊〔對接電阻焊是利用電阻熱將兩工件沿整個端面同時焊接起來的一類電阻焊方法。對焊的生產(chǎn)率高、易于實現(xiàn)自動化,因而獲得廣泛應(yīng)用。如圖1雙面焊當(dāng)然就是焊完一面,再去另一面焊,焊另一面時,一般需要清根,或刨或磨掉夾渣。如圖2板材都選用Aluminum〔鋁,熔點660℃,材料屬性目錄如圖3所示：圖3鋁材料屬性1.2熱源模型熱源模型的建立與焊接溫度場的模擬是焊接數(shù)值模擬的重要部分。對于手工電弧焊、鎢鎢極氬弧焊等焊接方法,采用高斯分布的函數(shù)就可以得到較滿意度結(jié)果。本文中采用高斯移動熱源。圖4高斯熱源模型圖5實際圖像熱源公式：Q=3×u×I/<π×r3>×exp<-3×<x-x0>2/r2>×exp<-3×<y-y0-v×t>2/r2>×exp<-3×<z-z0>2/r2>。式中Q表示熱源,u、I為焊接電壓、焊接電流,特征參數(shù)r與的焊接電流、電壓及焊速有關(guān),是熱源作用區(qū)域半徑,可由實際焊接工藝參數(shù)下的熔池的前沿、后沿、寬及深度來確定,特征參數(shù)只決定了熱源形狀,不改變熱源功率,因此對HAZ區(qū)熱循環(huán)曲線無影響。1.3焊接參數(shù)及定義單位長度單位mm角度單位deg對焊參數(shù)如表1：表1：對焊焊接參數(shù)名稱表達(dá)式值x095[mm]0.095000mx2105[mm]0.10500my00[mm]0.0000my20[mm]0.0000mz010[mm]0.010000mz210[mm]0.010000mr5[mm]0.0050000mv2[mm/s]0.0020000m/su30[V]30.000VI145[A]115.00A熱源公式如下：Q1=3×u×I/<π×r3>×exp<-3×<x-x0>2/r2>×exp<-3×<y-y0-v×t>2/r2>×exp<-3×<z-z0>2/r2>Q2=3×u×I/<π×r3>×exp<-3×<x-x2>2/r2>×exp<-3×<y-y2-v×t>2/r2>×exp<-3×<z-z2>2/r2>雙面焊參數(shù)如表2：表2：雙面焊焊接參數(shù)名稱表達(dá)式值x095[mm]0.095000mx2105[mm]0.10500my00[mm]0.0000my20[mm]0.0000mz010[mm]0.010000mz210[mm]0.010000mr5[mm]0.0050000mv2[mm/s]0.0020000m/su30[V]32.000VI145[A]145.00Am100[mm]0.10000m熱源公式如下：Q1=3×u×I/<π×r3>×exp<-3×<x-x0>2/r2>×exp<-3×<y-y0-v×t>2/r2>×exp<-3×<z-z0>2/r2>Q2=3×u×I/<π×r3>×exp<-3×<x-x2>2/r2>×exp<-3×<y-y2+m-v×t>2/r2>×exp<-3×<z-z2>2/r2>2.研究結(jié)果與比較2.1應(yīng)力<solid>比較VonMises是一種屈服準(zhǔn)則,屈服準(zhǔn)則的值我們通常叫等效應(yīng)力。"VonMisesStress"我們習(xí)慣稱Mises等效應(yīng)力,它遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論<形狀改變比能理論。米塞斯屈服準(zhǔn)則是在一定的變形條件下,當(dāng)受力物體一點的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時,該點就開始進(jìn)入塑性狀態(tài)。米塞斯屈服準(zhǔn)則的物理意義。在一定的變形條件下,當(dāng)材料的單位體積形狀改變的彈性位能〔又稱彈性形變能達(dá)到某一常數(shù)時,材料就屈服。圖6對焊三維截點圖7雙面焊三維截點1比較圖6對焊三維截點和圖7雙面焊三維截點1與圖8雙面焊三維截點2,可以看出在同一位置的截點,最后冷卻穩(wěn)定至平衡溫度后,雙面焊較對焊時米塞斯等效應(yīng)力還大出約0.1×109N/m2。說明對焊完成后的鋁材部米塞斯等效應(yīng)力較雙面焊后較小一些,等到冷卻至室溫以后,對焊后鋁材的部殘余應(yīng)力集中較小,鋁材也就不易發(fā)生開裂現(xiàn)象。主要是對焊時,冷卻速度較快,而雙面焊時先焊的部分會對后一道焊縫有一定的預(yù)熱作用,同時,后焊時也會對前一道焊縫有一定的熱處理效果,導(dǎo)致雙面焊時冷卻速度比較的慢,部應(yīng)力也大一些。所以對焊冷卻速度較快的話,有效防止了一些缺陷的介入,使部應(yīng)力增大,以免降低綜合力學(xué)性能。圖8雙面焊三維截點22.2溫度〔ht比較由于對焊是兩電弧同時并且在各自對稱位置相互作業(yè),所以三維截點處的最高溫度要比雙面焊相同位置的三維截點的溫度要高出幾百攝氏度。我們再看雙圖9對焊三維截點圖10雙面焊三維截點1面焊三維截點1,因為先是由一個電弧的獨自焊接,前50s只能達(dá)到最高750攝氏度,前50s圖像與對焊時基本一致,但是就溫度上升的速度而言,雙面焊要相對慢一點,但是由于第二個電弧的影響,還來不及冷至平衡溫度,溫度又再次上升并且超過熔點,實現(xiàn)二次熔透,所以同時應(yīng)力也達(dá)到最大。從三維截點2,可以很直觀地看出,一開始由于熱源1的預(yù)熱影響,溫度一路飆升,但是仍然圖11雙面焊三維截點2在熔點以下并保持一段時間的相對穩(wěn)定,之后又因為電弧2的臨近,三維截點2的溫度再次飆升并達(dá)到990攝氏度左右,實現(xiàn)了兩塊鋁材接觸面的熔化并被焊在一起。同時,可以看出對焊時的峰值比雙面焊的高許多,但是冷卻平衡溫度卻比雙面焊的要低,說明對焊冷卻速度快些。論時間,論效率,對焊都更勝一籌。2.3總位移比較圖12對焊三維截點圖13雙面焊三維截點1圖14雙面焊三維截點2從這三三維截點總位移點圖中,我們可以得到這樣兩個直觀的信息：〔1對焊時的總位移峰值大于雙面焊的；〔2對焊的最終平衡總位移小于雙面焊的。結(jié)合上述應(yīng)力比較,從中我得出結(jié)論：最終的焊接工件,對焊T形接頭焊縫的殘余應(yīng)力和應(yīng)力變形以及角變形都小于雙面焊的T形接頭焊縫。3.結(jié)論利用有限元法對高斯熱源的移動焊接進(jìn)行數(shù)值模擬,通過分析焊接過程中的數(shù)據(jù)比較,研究出對焊與雙面焊〔同向兩種焊接方法對T形接頭焊接結(jié)果的影響如下：對于T形接頭,焊接時在底板厚度方向<z軸>上的溫度分布是不均勻的,會產(chǎn)生了較大的橫向壓縮塑性變形,在焊后冷卻時就在焊縫厚度方向上出現(xiàn)收縮不均勻的現(xiàn)象,通過數(shù)據(jù)分析比較可知,對焊時T形接頭的角變形和焊縫部殘余應(yīng)力較小,且費時少,效率高些,焊縫綜合力學(xué)性能優(yōu)于雙面焊T形接頭焊縫。[1]董利明,宇,王納,小寶基于FEM模擬的中厚板焊接熱影響區(qū)冷速預(yù)測省<沙鋼>鋼鐵研究院,家港[2]薛小龍,王志亮,桑芝富,等．

T形焊接接頭的三維有限元模擬［J］．

中國機(jī)械工程,2005,16<9>:811－815．

[3]利國,姬書得,方洪淵,等．焊接順序?qū)形接頭焊接殘余應(yīng)力場的影響［J