基于计算机模拟的316LN不锈钢TIG焊接工艺

郁有建，李国燕，郝志鹏

（天津城建大学，天津300384）

基于计算机模拟的316LN不锈钢TIG焊接工艺

郁有建，李国燕，郝志鹏

（天津城建大学，天津300384）

基于计算机模拟技术对316LN不锈钢板的TIG焊接过程进行了热变形分析。利用红外热成像法、X射线衍射法、超声检测等方法对焊接过程中的热循环、残余应力和变形进行测量，以验证计算机模拟结果的准确性。结果表明，红外热成像法是验证焊接接头处温度分布的有效方法。温度场、残余应力以及变形的计算机模拟结果与实验结果吻合度较高。

计算机模拟；TIG焊接；热循环；残余应力

0　前言

在熔焊过程中，局部升温和冷却会使焊接区域产生残余应力和变形，进而改变焊接接头的性能[1]。因此，准确预测焊接过程中接头的热循环、残余应力和变形对于控制给定热输入条件下的接头组织和性能具有重要意义。相关研究人员基于计算机模拟技术对TIG焊接工艺进行了大量的研究，但是，关于316LN不锈钢的研究十分有限[2]。同时，利用红外热成像法验证有限元模型预测准确性的也鲜有涉足，使得采用计算机模拟预测残余应力的效果并不理想。为此，本研究基于计算机模拟技术，借助红外热成像法和超声测试法，对焊件的变形和残余应力进行了预测，并通过物理实验对模拟预测结果进行了验证。

1　实验方法

1.1TIG焊接

在原子能工业中，反应堆容器、压力通道、热交换器、冷凝器管等均采用316LN型奥氏体不锈钢制作[3]。316LN钢TIG焊接示意如图1所示，采用自动氩弧焊机，焊接速度100 mm/min、电流100 A、弧隙3 mm、氩气保护气流速10 L/h。红外线摄像机安装在焊炬后面，用于捕捉熔池图像，并存储于计算机。

1.2红外热成像

红外热成像法属于无损检测技术，可分析焊接过程中的温度场。该方法在不发出辐射的条件下，记录材料中发出的辐射，并根据辐射量分析材料温度。

图1　带有红外线摄像机的TIG焊接示意

1.3变形测量

焊接实验前在平板外平面刻画25 mm×20 mm的网格，焊接后将钢板放置在水平花岗岩平面上，利用数字测高仪测量每个网格的形变量，以测试钢板不同部位的变形。

1.4残余应力测量

折射纵波（LCR）对部件产生的残余应力十分敏感，基于应力对弹性波传播的影响，实验采用超声检测（UT）测量残余应力。将2MHZ探针固定在第一临界角28°处，产生LCR波穿透3 mm钢板。利用Snell定律计算临界角[4]

式中θPr为有机玻璃中的入射角；θS为钢板中的折射角；CPr为有机玻璃中入射波的传播速度（2730 m/s），CS为入射波在钢板中的传播速度（5 900 m/s）。根据声弹性理论，给定材料的声弹性常数（AEC）是根据传播时间并依据式（2）得出

式中t为所测超声波传播时间；t0为零载荷时测量的传播时间；B为声弹性常数；σ为残余应力。

根据印度IGCAR研究中心利用超声波探针测量结果，AISI 316LN不锈钢材料AEC为0.588ns MP-1。焊缝的纵向应力分量的远高于横向应力分量，式（2）中的σ值为单轴应力分量。

超声检测装置示意如图2所示。超声波通过探头的传播时间由数据采集系统收集，由示波器进行监控，并通过数字转换器存储在计算机中。

图2　超声检测装置示意

2　计算机模拟

采用SYSWELD软件对316LN不锈钢的TIG焊接过程进行计算机模拟，熔池建模采用的是双椭圆体热源模型[5]。

2.1控制方程

热量从焊缝区开始传播，首先传导至工件的周围材料。热传导与材料的热性能、焊缝几何形状以及周围环境温度有关。热传导可由传热方程描述

式中Q为单位体积内的热源率（单位：W·m-3）；ρ为密度（单位：kg·m-3）；k为导热系数（单位：W·m-1·℃-1）；cp为比热容（单位：J·kg-1·℃-1）；T为瞬时温度（单位：℃）；t为时间（单位：s）。

焊接过程中的对流和热辐射导致的热损失可由Newton冷却定律和Stefan-Boltzmann方程计算，见式（4）、式（5）

式中qc和qr分别为对流散热与辐射散热的热流量（单位：W·m-2）；TW和Ta分别为表面温度与周围环境温度（单位：℃）；h为对流传热系数（单位：W·m-2·℃-1）；σ为Stefan-Boltzmann常数（单位：W·m-2·℃-4）；ε为辐射系数。

在形变场分析中，热变形可用于预测力学行为。材料的塑性变形假设满足von-Mises屈服条件。

2.2材料模型

材料建模是焊接过程模拟的一项重要任务。从IGCAR数据库可以获取到AISI 316LN的材料性能参数。将焊接后材料的热导率适当增加后，本研究认为熔池中的对流流动是平衡的。

2.3有限元模型

采用计算机模拟技术建立的对称有限元模型如图3所示。对从焊缝至两侧20 mm区域的网格进行细化，以提高计算精度，三维实体单元大小为1.9×105。焊件平面建立在xy平面内，保证焊接路径平行于y轴。

图3　有限元模型

2.4初始条件和边界条件

计算机模拟温度是在控制条件下进行的，初始温度设置为20℃。yz坐标轴为模型对称轴，除对称平面外，模型表面均发生对流散热与辐射散热。对流散热损失热量为25 W/m2。此外，还设置了自由夹紧力，如图3所示。

3　实验结果及分析

3.1温度分布

垂直于焊接方向上，距离中心线0～20 mm的节点温度如图4所示。由图4可知，沿着传播方向，峰值温度逐渐下降。同时，远离焊缝区域受焊接过程的影响较小，因此温度更低。受热输入的影响，焊板表面温度较高，然而受热传递影响，底部温度较低。温度变化速率随着焊接过程的进行产生变化，最大升温速率与最大冷却速率均发生于准稳态条件下。

图4　传播方向的热循环

由红外热成像法和计算机模拟分析得出的热源温度曲线如图5所示。在准稳态条件下将实验和模拟温度曲线进行比较，可以看出，两者吻合度较高，峰值温度也相差不大。其中的微小偏差是由于建立材料模型时熔点设置不准确，同时由于实际实验条件的限制也会造成一定的误差。考虑熔池对流效应，可通过调整计算机模型的边界条件来降低误差。

图5　50 s时的温度分布曲线

3.2残余应力分析

利用X射线衍射（XRD）和超声波检测（UT）可测量残余应力，通过对焊板中心的纵向的残余应力进行测量验证计算机模拟预测结果。XRD测量结果与FEM模拟结果进行对比，如图6a所示。对于UT法，由于超声波可以穿透3 mm的焊板，因此测量结果不能直接用于比较。如图6b所示，比较UT法测出的残余应力值与模拟平均应力值可知，UT法测得的应力值与模拟结果十分吻合。此外还可以看出，热影响区出现了较高的应力集中，这是由于熔池凝固与集体材料的抗收缩性相平衡。随着热影响区距离的增加，拉伸应力逐渐转变为压缩应力。两实验中，在距中心线15 mm处测出的峰值应力都达到了230 MPa，而焊板边缘的名义应力仍为受压。

3.3变形分析

焊接过程均会涉及热分布问题和相应的塑性变形问题。制造用薄板材料一般采用高强度钢及其合金，因此，其焊接过程会产生屈曲的变形模式。通常采用几何非线性大变形理论来预测焊接过程中的变形。

图7a、图7b给出了实验和计算机模拟得到的变形焊板。焊接结束后，夹紧装置松开，焊接过程中的残余应力释放，焊板就会发生变形。纵向收缩受到焊点的限制，同时引入板和引出板也会导致焊件变形。如图7c、图7d所示，计算机模拟获得的焊板左、右边缘的变形情况与实验测量结果基本一致，而且焊接过程中的热积累，右板边缘的变形更严重。

图6　残余应力比较

图7　变形比较

4　结论

（1）将实验测得的热源应用到计算机模拟参数设定中，可提高计算结果的准确性。

（2）准稳态情况下，采用红外温度观察和计算机模拟可忽略温度变化，测得稳定的温度为1 686℃。此外，热循环的预测结果与实验结果也十分吻合。

（3）红外热成像法是验证计算机模拟热循环预测结果的有效方法。

（4）数值模拟对残余应力的预测结果与实验结果十分吻合，表明采用热变形分析可以准确预测焊接工艺的残余应力。

[1]董长富，刘黎明，赵旭.变形镁合金填丝TIG焊接工艺及组织性能分析[J].焊接学报，2005（2）：33-36.

[2]何小东，张建勋，裴怡，等.钛合金薄板激光焊接和TIG焊接残余应力数值模拟[J].机械工程材料，2005（3）：25-28.

[3]陆善平，李冬杰，李殿中，等.双层气流保护TIG焊接方法[J].焊接学报，2010（2）：21-24，114.

[4]范阳阳，孙清洁，杨春利，等.基于超声振动的304不锈钢TIG焊接[J].焊接学报，2009（2）：91-94，157-158.

[5]雷玉成，李彩辉，郁雯霞，等.氮氩气体保护TIG焊接电弧数值分析[J].焊接学报，2006（11）：25-28，114.

TIG welding technology of 316 LN stainless steel based on computer simulation

YU Youjian，LI Guoyan，HAO Zhipeng
（Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China）

Based on computer simulation technology,this paper studies the TIG welding process of 316 LN stainless steel plate.Using infrared thermal imaging method，the method of X-ray diffraction（XRD），ultrasonic testing technique to measure the thermal cycle of welding process，residual stress and deformation，and to verify the accuracy of the computer simulation results.The results show that the infrared thermal imaging method is an effective method to verify the welding temperature distribution in the joint.Temperature field，residual stress and deformation of the computer simulation results coincide well with the experimental results.

computer simulation；TIG welding；thermal cycle；residual stress

TG441+.74

A

1001－2303（2016）04－0088-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.19

2015－03－15；

2015－06－26

天津市智能机器人科技重大专项项目

郁有建（1976—），男，黑龙江哈尔滨人，讲师，硕士，主要从事机器人、智能信息处理方面的研究工作。