7B05铝合金平板对接多道焊数值模拟

(1.机械科学研究院 哈尔滨焊接研究院有限公司，哈尔滨 150028；2.东北林业大学 理学院数学系，哈尔滨 150040)

7B05铝合金平板对接多道焊数值模拟

郑红1王文艳2

(1.机械科学研究院 哈尔滨焊接研究院有限公司，哈尔滨 150028；2.东北林业大学 理学院数学系，哈尔滨 150040)

针对7B05铝合金平板对接多道焊，开展基准性研究，其目的是为复杂焊接结构数值模拟提供可靠的数值模拟方法。文中建立7B05铝合金焊接热源模型和材料软化模型，采用三维热弹塑性有限元法模拟焊接过程，数值模拟结果与焊接试验测试结果比较，验证焊接数值模拟方法的可靠性。结果表明，焊接数值模拟的温度场、残余应力和焊接变形与实测值非常吻合，验证了数值模拟模型的准确性。

铝合金数值模拟软化模型热源模型

0 序 言

铝合金材料具有密度小、强度高以及良好的加工性能，已被广泛地应用于高速列车、航天航空、汽车工业等领域，可以显著地降低结构的自身重量。然而，铝合金材料的熔点低、热膨胀系数大、弹性模量小，焊接变形非常大。

焊接变形导致零部件装配困难，结构形状尺寸很难满足设计要求；另一方面，焊接残余应力不仅降低结构的承载能力，影响结构尺寸的稳定性，而且降低结构的疲劳寿命，甚至会导致焊接裂纹的产生。因此，掌握焊接残余应力和变形的分布规律和控制方法对提高焊接技术水平和生产效率具有十分重要的工程意义。

文中针对7B05铝合金平板对接多道焊，开展基准性研究，其目的是为复杂焊接结构数值模拟提供可靠的数值模拟方法。建立7B05铝合金焊接热源模型和材料软化模型，基于SYSWELD软件，采用三维热弹塑性有限元法模拟焊接过程，数值模拟结果与焊接试验测试结果比较，验证焊接数值模拟方法的可靠性。

1 试验方法

试验材料为7B05铝合金，具有良好的挤压性和焊接性，因添加了MgZn2强化相而具有较好的强度，是最为理想的中强焊接结构材料。

对接试样单块试板的尺寸为500 mm×180 mm×16 mm，V形坡口，坡口角度60°，钝边2 mm。焊丝选用φ1.6 mm的AlMg5，焊接方法为MIG脉冲焊，保护气体为99.999%的氩气，焊接电源为SAF-FRO DIGI@WAVE500。焊接过程使用Motoman焊接机器人进行焊接。表1是焊接工艺参数。

表1 平板对接焊接工艺参数

焊接过程中采用热电偶温度传感器测量焊接温度，测点共2个，温度测点分布如图1所示，表2是测点坐标值，以焊接方向为z轴，起焊位置为z轴零点。

在焊缝中心两侧取4对测点，测点间距为100 mm，每道焊缝焊完后测量各对测点的距离，计算横向收缩变形。

图1 平板对接温度测点分布图

编号x轴y轴z轴141.85260282.05240

焊后冷却至室温，采用盲孔法测量焊缝上表面的焊接残余应力，测点分布如图2所示。测点数共8点，其中焊缝中心2点，熔合线2点，热影响区2点，距离焊缝中心40 mm和60 mm的位置各1点。

图2 残余应力测点分布

2 焊接数值模拟

焊接数值模拟软件为SYSWELD，数值模拟方法为间接耦合的三维热弹塑性有限元法。

2.1 几何模型的建立

由于几何结构的对称性，取模型的一半建模。单元选择六面体单元，焊缝及其附近区域网格较细，远离焊缝的网格逐渐变大。图3是平板对接的有限元模型，三维单元数为27 750个，节点数为31 547个。

图3 有限元模型

2.2 热源模型的建立

焊接过程的有限元计算首先进行温度场的计算。热源模型的选择及散热边界条件对温度场的计算结果具有重要的影响。热源模型选择双椭球体热源模型，双椭球体热源模型分为前半球和后半球，分别用式(1)和式(2)表示[1],即

(1)

(2)

式中,a,b,c1,c2为双椭球体热源模型的尺寸参数。f1和f2为前后半球能量分布比例；f1+f2=2；Q为有效功率。

双椭球体热源模型参数拟合采用SYSWELD中的热源拟合工具进行矫正。热源拟合工具以焊缝的横截面形貌作为参考目标，如果预测的焊缝横截面形貌与实测的焊缝形貌接近，则热源参数满足要求[2-3]。

焊接热模拟所需要的材料热物理性能(比热、导热率和密度)通过试验测试获得，填充材料的热物理性能与母材的相同。

2.3 力学模型的建立

铝合金由于自身强度低，需要进行强化技术处理以提高其强度。但是焊后热影响区发生软化，接头强度低于母材。为了准确模拟焊接残余应力，需要建立铝合金软化模型[4-5]。

为了确定铝合金软化温度及软化系数，在GLEEBLE3500热模拟试验机上模拟不同热循环过程，并在不同温度下进行拉伸试验，测量屈服强度。图4是加热冷却过程中屈服强度与温度的关系，冷却过程中，由于铝合金发生软化，屈服强度发生了明显的降低，约为母材屈服强度的70%。因此，7B05的软化系数取0.7。材料的硬化模型选择随动硬化模型，可以表征多层多道焊过程中材料的塑性恢复效应[6]。

图4 屈服强度与温度的关系

填充材料在焊接过程中只有冷却过程，数值模拟中的屈服强度采用母材冷却过程的屈服强度。其它热力学性能(弹性模量、热膨胀系数、泊松比)采用试验测试获得，填充材料的热力学性能与母材的相同。

由于焊接过程中，试样完全处于自由状态，施加的边界拘束条件保证焊接结构在空间的稳定性。

3 结果及讨论

3.1 热模拟结果

图5是预测的焊缝横截面形貌与实测的焊缝横截面形貌的比较，从图5中可以看出，预测的横截面形貌与实测的横截面形貌比较吻合。

图5 预测的焊缝横截面形貌与实测的比较

图6是温度测点模拟值与实测值的比较。从图6中可以看出，温度曲线模拟值与实测值比较吻合，温度曲线可以明显地区分3道焊接过程，当焊接热源移动到测点位置时，焊接温度快速上升，当焊接热源逐渐远离温度测点时，温度先快速冷却，然后冷却速度逐步降低。

图6 测点温度模拟值与测量值比较

3.2 残余应力模拟结果

图7是平板对接残余应力模拟值与测试值的比较。从图7中可以看出，残余应力模拟值与实测值比较吻合，最大残余纵向应力分布在焊缝熔合线附近。纵向残余应力在焊缝及其附近区域为拉应力，远离焊缝，逐步过渡为压应力。

图7 残余应力模拟值与测试值的比较

3.3 焊接变形模拟结果

图8是3道焊缝模拟的横向收缩变形分布云图，由于模型取一半进行计算，因此，图8中显示的横向收缩变形只是实际变形的一半。

图8 3道焊缝模拟的横向收缩变形分布云图

表3比较了平板对接横向收缩变形量模拟值与测试值，从表中可以看出，实测值和模拟值非常吻合。

表3 横向收缩变形模拟值与实测值比较 mm

4 结 论

(1) 建立了7B05铝合金平板对接多道焊数值模拟的热源模型和材料软化模型。

(2) 采用三维热弹塑性有限元法模拟的多道焊焊接过程，模拟的温度场、残余应力和焊接变形与实测值非常吻合，验证了数值模拟模型的准确性。

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TG404

2016-11-14

国家自然科学基金——青年科学基金(11401 086)

郑 红，1968年出生，学士，高级工程师。主要从事新材料的焊接工艺性的研究工作，已发表论文5篇。