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1、對接間隙對鉭薄板TIG氦弧焊熔池形態(tài)影響的數(shù)值分析(圖)
2、第1...第1摘 要:為了研究焊接過程中對接間隙對熔池形態(tài)的影響,本文基于有限元分析軟件ANSYS,針對鉭薄板微間隙TIG氦弧焊接方法,用數(shù)值模擬的方法計算了鉭薄板TIG氦弧對接焊過程中對接間隙存在時溫度場的分布以及不同對接間隙時熔池表面形態(tài)的變化。分析了對接間隙的變化對熔池表面形狀的影響,并對間隙存在時焊槍偏離焊縫中心的溫度場進行了分析。計算了由于邊緣效應(yīng)和焊接熱源有效作用范圍帶來的熱傳遞效應(yīng)不同時工件內(nèi)溫度場的分布。計算結(jié)果表明間隙的存在造
3、成溫度場分布不均,是熔池表面形態(tài)呈現(xiàn)橢圓形的一個決定性因素,這種影響隨焊接時間的增加更為明顯。研究結(jié)果對制定TIG焊工藝具有實際指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:鉭;熔池;對接焊;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?，F(xiàn)有
4、的資料顯示,鉭的焊接成形方面的研究還非常缺乏,因此開展對鉭焊接工藝的研究具有實際意義。焊接過程是個局部快速加熱到高溫并隨后冷卻的過程,整個焊件的溫度隨時間和空間急劇變化,易形成在時間和空間域內(nèi)梯度都很大的不均勻溫度場,溫度場的分布決定著焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的范圍,對焊接接頭的質(zhì)量有著直接影響。實際工業(yè)中的平板對接焊工藝,由于固定夾具的機械誤差以及一些人為因素,極易使對接工件產(chǎn)生微小的間隙,而微小的間隙對工件溫度場有著極大的影響。目前對焊接溫度場計算的研究僅限于單板重熔和無間隙對接焊[4],而間隙的存在是影
5、響焊縫成形和焊接質(zhì)量的一個重要因素,因此開展這方面的研究有著重大意義。1計算模型與邊界條件 1.1計算模型 本文采用了有限元分析軟件ANSYS710,對模型進行了相應(yīng)的數(shù)值化處理,在計算過程中使用了實體單元so1id70和表面單元surf152相結(jié)合,除了施加整體與外界的對流散熱條件外還考慮了工件與夾具和保護胎具之間的傳熱。因為模型的對稱性,本次計算只選取了對接焊實驗中的一塊試板進行建模計算。為保證對接間隙,在工藝性能試驗中采用專用夾具將工件固定于工作平臺,工件尺寸為20mm×50mm×015mm
6、的鉭薄板。焊接試驗過程中采用自制反面保護胎具,對工件進行雙面氣體保護:正面保護氣體為氦氣,氣流量7L/min;反面保護氣體為氬氣,氣流量5L/min。焊接電流I=75A,焊接電壓U=1714V,弧長2mm?；贏NSYS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,對工件和夾具進行不同單元形狀的網(wǎng)格劃分。模型采用非均勻網(wǎng)格的方法來進行單元的劃分。如圖1所示,在對接面及近縫區(qū)域,采用較為細密的網(wǎng)格劃分,而在遠離焊縫區(qū),采用較粗略的網(wǎng)格劃分。這樣可以兼顧計算精度與速度。圖1非均勻
7、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際的高斯分布形式,電弧加熱半徑內(nèi)任意一點r(x,y)的熱流量分布見式(1)[6]。式中:η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為電弧加熱斑點區(qū)半徑。 1.3邊界條件的處理 1)引弧時刻的初始條件:T=T0(2)式中:T是工件上的溫度,T0為初始溫度室溫(298K)?！ ?)計算時將間隙處對接面設(shè)為對流邊界,考慮空氣在間隙處流通時與工件的對接面產(chǎn)生對流散熱。工件與空氣熱交換對流邊界條件:式中:表示工件上任
8、意方向的溫度梯度;λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù);h為材料的對流系數(shù)?！ ?計算結(jié)果與分析 2.1對接間隙對工件表面溫度場的影響為了分析對接間隙的存在對工件溫度場的影響,對間隙為0109mm和間隙不存在2種情況進行了建模計算,建模時在工件對接面處分別采用對流和傳導(dǎo)2種邊界條件。計算結(jié)果表明,無對接間隙時,熔池表面形狀呈現(xiàn)圓形即x方向與y方向熔寬相等;對接間隙存在時熔池表面形狀呈現(xiàn)橢圓形即x方向與y方向熔寬不等。這是因為對接間隙存在時,對接面處的對流散熱速度慢,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
9、y方向的熔寬大于x方向上的熔寬,這種影響隨焊接時間的變化更加明顯。圖2表明了x方向與y方向上熔寬隨焊接時間變化的規(guī)律。間隙的存在是熔池形態(tài)變化的一個因素。2種邊界條件下的計算結(jié)果參見表1。表12種邊界條件下熔寬的比較圖2小間隙對接焊熔寬隨焊接時間變化曲線(間隙0.09mm,I=75A,U=17.4V)圖3距電弧中心等距離點的選取方法圖4工件上不同區(qū)域距電弧中心等距離點的升溫曲線(I=75A,U=17.4V) 為了進一步分析間隙對工件上溫度場分布的影響規(guī)
