（材料加工工程专业论文）等离子mig焊件受热行为分析及相关验证.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 等离子m i g 焊接为一种为新型的焊接方法，在国内从事这方面的研究的还少。 本文应用有限元和传热学的知识对基本的焊接件的焊接过程进行了相关的分析，建 立了一系列与实际情况较为吻合的焊接件热分析三维有限元模型，并采用a n s y s 软件 对其传热过程进行分析，获得焊接件的温度场分布，以及在此基础上对焊接动态过程进 行模拟、分析并得出其温度场的分布情况。以便对实际的实验过程和生产过程提供指 导，尽可能节省时间和避免一些不必要的损失。其中采用点、线、面三种不同形式的热 源。用点热源模拟了不同涮距以及偏弧时的焊接熔合区的形状；用线热源模拟了不同焊 速以及偏弧时的焊接熔合区的形状，由于无法测定瞬态下热流沿线上的分配状态，误差 较大，与实际相差较远。因此考虑了用面热源作用在工件上，根据公式p = l ，7 ，计算 出热源功率，用p a 得到热源的热流密度，用这一热流密度作为面热源作用在工件 上，得到焊接熔合区的形状。 为了验证模拟的结果是否正确，我们对实际的焊件熔合区的形状进行了描绘，从中 得到了：当不偏弧时，模拟的结果与实际的很相似，但是在模拟偏弧时，熔合区的比实 际的在熔宽的要小，这是因为此时的熔合区为焊接过程中的两个热源所形成的熔合区的 叠加。 本文还分析了焊缝的组织的晶粒度的大小。当热输入增加时，焊缝的晶粒度也随着 增加：当热输入基本相同时，m i g 电流大时，晶粒度大一些，以及其它一些方面的比 较。 对程序的改进，使得模拟结果与实际的情况基本相符，说明程序具有一定的应用价 值，以便为以后的工作和研究奠定基础。但是由于没有考虑应力场对温度场的影响，因 此目前的研究阶段正处在初级阶段。 关键词：等离子l v l i g 焊，有限元，温度场 沈阳1 业大学硕士学位论文 m o d e l i n ga n a l y z e s t a t i o no ft h e r m a la c t i o nf o rp l a s m a - m i g w e l d i n ga l - a h o y p a r ta n di t se x p e r i m e n t a l t e s t i n g a b s t r a c t p l a s m a m i gi san e w w e l d i n gm e t h o d s m d y o f i ti sf e wi no l l rc o u n t r y t h i sp a p e ra n a l y z et h ew e l d i n gc o u r s eo f b a s ew e l d i n gw o r k s b yu s i n g t h e r m a lt r a n s f e r r i n ga n di n f i n i t ee l e m e n tt h e o r y ，as e r i e so f t h r e e d i m e n s i o n a li n f i n i t ee l e m e n tm o - d e ld e s c r i b i n gt h et h e r m a l - a n a l y s i so ft h ew e l d i n gw o r k sh a sb e e na l s oe s t a b l i s h e d t h e d i f f e r e n th e a t r e s o u r c e - _ t o t ，l i n ea n d f a c ea r ea p p l i e d t h es h a p e o f w e l d i n g m o l t e nz o n ei ss i m u l a t e dw h e nd o th e a tr e s o u r c ei sd i f f e r e n t s p a c e a n d t w oa r e sa r en o ta x i a l t h ed e p t h so f w e l d i n gm o l t e np o o la r es m a l l i t sd i f f e r e n tc o m p a r e d w i t hf a c t s s oi te x p l a i n st h a tt h ee r r o ri sl a - r g ew h e n d o tr e s o u r c ei sa l l i e d t h es h a p e o f w e l d i n g m o l t e nz o n ei ss i m u l a t e d b yu s i n gl i n eh e a tr e s o u r c eo f d i f f e r e n c ew e l d i n g s p e e d b e c a u s et i l ee v a n e s c e n c ed i s t r i b u t es t a t u so f t e m p e r a - t u r ea l o n gt h el i n ei sn o tm e n s t r u a t e d t h ee r r o ri sl a r g e ，a n di ti sd i f f e r e n tf r o mf a c t s f a c eh e a t r e s o u r c ei sc o n s i d e r e d b a s e do nf o r m u l a t ep 2 u i 町，t h eh e a tr e s o u r c ep o w e ri sc a l c - u l a t e dt b e f l u xd e n s i t yo f h e a tr e s o u r c eo f h e a tr e s o u r c ec a nb eo b t a i n e db y u s i n g p a i tc a nb eu s e da sf a - c eh e a tr e s o u r c ed e n s i t y i no r d e rt op r o v ei tc o r r e c t ，t h em o l t e nz o n eo f r e a lw e l d i n gw o r k p i e c e sh a s b e e n d e s c r i p t t h e a n a l y s i sr e s u l t sa r es i m i l a r t ot h ef a c t sw h e nt w oa r c sa r ea x i a l w h e nt w oa r c sa r en o ta x i a l t h ea n a l y s i sr e s u l t sa r es m a l l e rt h a nt h ef a c t s b e c a u s ei tf o r m e db yt h ea d do f t w oa r c s p r o d u c i n g m o l t e nz o n e t h e c r y s t a l - s i z ei sa n a l y z e di nt h i sp a p e r w h e nh e a ti n p u t i si n c r e a s e d ，t h ec r y s t a l s i z ei s b i g g e r w h e n h e a t i n p u ti se q u a l ，t h em o r e c u r r e n to f m i g ，t h e b i g g e rc r y s t a l - s i z ea n d o t h e r s a r ec o m p a r e d t oc o r r e c tp r o g r a m ，t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h er e s u l to f p r o g r a mi sc o i n c i d e n tw i t ht h er e s u l to f e x p e r i m e n t ，w h i c h s h o w st h a tt h ep r o g r a mh a sd e f i n i t ea p p l y i n gv a l u e ，i no r d e rt ol a ya f o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n gw o r ka n d i n v e s t i g a t i o n b u tw i t h o u tc o n s i d e r i n g t h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r e f i e l db y s t r e s s - f i e l d t h ei n v e s t i g a t i o ni st h ef i r s ts t e pn o w k e y w o r d s ：p l a s m a m i g w e l d i n g ，i n f i n i t ee l e m e n t ，t e m p e r a t u r e - f i e l d 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：弓舛日期：上! 垒旦 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 1 1 铝及常用铝合金的焊接性 由于铝及其合金的化学活泼性很强，表面极易形成氧化膜，且多具有难熔性质( 如 a 1 2 0 3 的熔点约为2 0 5 0 0 c ，m g o 熔点约为2 5 0 0 0 c ) ，加之铝及其合金导热性强，焊接 时容易造成不熔合现象。由于氧化膜密度同铝的密度极其接近，所以也容易成为焊缝金 属的夹渣物。 同时，氧化膜( 特别是有m g o 存在着不很致密的氧化膜) 可以吸收较多 水分而常常成为焊缝气孔的重要原因之一。此外，铝及其合金的线膨胀系数大，导热性 又强，焊接时容易产生翘曲变形。这些也都是焊接生产中颇感困难的问题 1 11 焊缝的气子l 铝及铝合金熔焊时最常见的缺陷就是焊缝气孔，尤其是防锈铝和纯铝。 氢是铝及其合金熔焊时产生气孔的主要原因，已为实践证明。弧柱气氛中的水分、 焊接材料以及母材所吸附的水分，对焊接气孔的产生，常常占有突出的地位。 弧柱气氛巾水分的影响，弧柱空间总是或多或少存在一定的水分，而弧柱气氛中的 氢之所以能使焊缝形成气7 l ，是和它在铝及铝合盒中溶解度变化特性有关的。氢的溶解 度在凝固点时可从o 6 9 突降到o 0 3 6 m l 1 0 0 9 ，相差2 0 倍， 这就是氢很容易使铝焊缝产 生气孔的原因。况且铝的导热性很强，在同样的工艺条件下，铝合金的冷却速度可为高 强钢的4 7 倍，不利于气泡的浮出，更容易形成气孔。 不同的合会系统，对弧柱气氛中的水分的敏感性是不同的。所有的铝合金焊缝可形 成气泡的扩散氢含量及其吸收速率与不同气氛中氢分压的平方根成正比关系；但不同的 合金的焊缝，其吸氢速率以及氢以气泡形式促使产生气孔的临界的氢分压平方根值却是 不同的 2 - 3 1 。 氧化膜中水分的影响在正常的焊接条件下，对于气氛中的水分应当尽量限制，因 为焊丝或工件的氧化膜中所吸附的水分将是生成焊缝气孔的主要原因。而氧化膜l i 致 密、吸水性强的铝合金，要比氧化膜致密的纯铝具有更大的气孔倾向。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 1 2 焊接热裂纹 铝及其合金焊接时，焊缝金属和近缝区所发现的热裂纹主要是焊缝金属凝固裂纹， 也可在近缝区见到液化裂纹。 铝合金属于典型的共晶型合金，最大的裂纹倾向f 好同合金的“最大”凝固区间相 对应。但是由平衡状态图的概念得出的结论和实际情况是有较大出入的。由于焊接时的 加热和冷却过程都很迅速，使合金来不及建立平衡状态，在不平衡的凝固条件下，固相 线一般要向左下方移动。也就是说在固相和液相之问的扩散来不及进行，先凝固的固相 中合金元素含量较少，而液相中却含较多合金元素，以致可在较少的平均浓度下就出现 共晶体。易熔共晶体的存在，是铝合金焊缝产生凝固裂纹的重要原因。 另外，铝合金的线膨胀系数比钢约大1 倍，在拘束条件下焊接时，易产生较大的焊 接应力，也是促使铝合金具有裂纹倾向的原因之一。 溅篷焊缝的合金系统，般都是使主要合金元素含量超过x k ，以便能产生愈合作 用。对于一些裂纹倾向大的硬铝合金，在原合金系统中进行成分调整以改善抗裂性，往 往不见成效。 铝合金焊丝中几乎都有t i 、z r 、v 、b 等微量元素，一般都是作为变质剂加入的。 不仅可以细化晶粒还可以改善塑性、韧性，并可显著提高抗裂性能。 焊接工艺参数影响凝固过程的不平衡性和凝固的组织状态，也影响凝固过程的应 变增长速度，因而影响裂纹的产生 ”。 1 1 3 焊接接头的“等强性” 所有时效强化的铝合金，焊后不论是否经过时效处理，其接头塑性均未能达到母材 的水平。 铝合金焊接时的这种不等强性的表现，说明焊接接头发生了某种程度的软化或存在 某一性能上的薄弱环节。接头的性能上的薄弱环节，可以存在与焊缝、熔合区或热影响 区三个区域中的一个区域之中。 非时效强化铝合金的软化，主要发生在焊前经冷作硬化的合金上。经冷作硬化的铝 合会，热影响区的峰值温度超过再结晶温度的区域就产生明显的软化现象，而且软化区 2 沈阳工业大学硕士学位论文 域越宽，接头强度下降的也越明显。接头的软化主要取决于加热的峰值温度，而冷却速 度的影蛔不很睨显。 时效强化锅合金的软化问题，总的看来，主要是焊接热影响区“过时效”软化问 题，这是熔焊条件下不可避免的现象。其严重程度取决于合金第二相的性质，也与焊接 热循环特性有一定的关系。最根本的是第二相对时效反应的敏感性，第二相越易于脱溶 析出并易于集中长大时，就越是容易发生“过时效”1 1 1 。 1 1 4 焊接接头的耐蚀性 焊接接头的耐蚀性一般都低于母材，热处理强化铝合金接头的耐蚀性的降低尤其明 显。 接头耐蚀性的下降，主要与接头的组织不均匀性有关，它可以使接头各部位的电极 电位产生不均匀性。因此，焊接前后的热处理情况就会对接头的耐蚀性发生影响。 目前，对于铝合金焊接接头的耐蚀性的研究还不够，因此尚缺乏足够有效的措施以 提高接头的耐蚀性【4 _ ”。 l ，2 工程中常用于铝及铝合金的焊接方法 铝及铝合金的焊接法有很多，各种方法有其不同的应用场合。因此，必需根据铝及 铝合金的牌号、焊接厚度、产品结构、生产条件以及焊接接头质量要求等因素加以选 择。常用的焊接方法有：钨极氩弧焊、熔化极脉冲氩弧焊、等离子弧焊、电阻点焊、以 及电渣焊、超声波点焊、储能点焊、真空电子束焊和爆炸焊等特殊方法。 1 2 1 钨极氢弧焊 钨极氩弧焊是气体保护焊的种，通常又叫做“t i g ”焊。它的电极是用难熔的金 属钨或钨的台金棒。 钨极氩弧焊可以使用交流、直流、和脉冲电源三种，采用哪种电源是根据被焊接材 料来选择的。对于直流电源还有极性选择的问题i “。 在钨极氩弧焊中，虽很少应用直流反极性，可是，因为它有一种去除氧化膜的作 用，所以对它还是要进行研究的。铝、镁及其合金的表面存在一层致密难熔的氧化膜覆 盖在焊接熔池表面，如不及时清除，焊接时会造成未熔合，会使焊缝表面形成皱皮或内 部产生气孔、夹渣，直接影响焊缝质量。实践证明，反极性时，被焊金属表面的氧化膜 3 沈阳工业大学硕士学位论文 在电弧的作用下可以被清除掉而获得表面光亮美观、形成良好的焊缝。这种作用就是阴 极斑点有自动寻找金属氧化物的性质所决定的。因为金属氧化物的逸出功小，容易发射 电子，所以，氧化膜上容易形成阴极斑点并产生电弧。这种作用的关键条件是：阴 极斑点的能量密度要很高和被质量很大的正离子撞击，致使氧化膜破碎，形成阴极雾化 作用”。 直流正极性时，工件接正极，阳极斑点没有上述条件，所以它没有去除氧化膜的作 用。因此，在焊接铝、镁及其合金时都不采直流正极陛，因为它们的金属和合金存在产 生高熔点金属氧化物问题。 在生产实践中，焊接铝、镁及其合会时一般都采用交流电，这样在交流负极性的半 波罩( 铝工件为阴极) ，阴极有去除氧化膜的作用，它可以清除熔池表面的氧化膜。在 交流正极性的半波里( 钨极为阴极) 钨极可以得到冷却，同时可以发射足够的电子，有 利于电弧的稳定，使二者都能兼顾，焊接过程又能顺利进行。实践证明，用交流焊接 铝、镁及其合金是完全可行的，同时，又产生如下的问题：一是会产生直流分量这是有 害的，必须消除它：另一点是交流电源每秒有1 0 0 次经过零点，必须采取稳弧措施。 钨极脉冲氩弧焊是近2 0 多年来发展起来的一种新的焊接方法。它可以明显地改善 小电流焊接过程的稳定性，便于通过调节各种工艺参数来控制电弧功率和焊缝成型。用 这种方法焊成的焊件，变形量小，接头质量高。它特别适合于薄板、全位鬻焊接、装配 焊接等场合以及对热敏感性强的铝焊和超硬铝合金的焊接。 1 2 2 熔化极氩弧焊 熔化极氩弧焊用焊丝做电极及填充金属。和t i g 焊一样，几乎可焊接所有的金 属，尤其适合焊接铝及其合金、铜及其合金以及不锈钢等材料，由于用焊丝做电极，可 采用高密度电流，因而母材熔深大，填充金属熔敷速度快，用于焊接厚板铝、铜等金属 时生产率比t i g 高，焊接变形比t i g 小。熔化时可以直流反接，焊接铝及铝合金时有 良好的阴极雾化作用，亚射流电弧的固有自调节作用较为明显。自动、半自动熔化极氩 弧焊的电弧功率大，热量集中，热影响区小，生产效率比手工钨极氩弧焊可提高2 3 倍。半自动熔化极氩弧焊法适用于定位焊缝、断续的短小焊缝及结构形状不规则的焊 件，用半自动氩弧焊矩可方便灵活的进行操作【7 。”。 4 沈阳_ t 业大学硕士学位论文 1 2 3 气焊 氧一乙炔气焊火焰的热功率低，热量较分散，因此焊件变形大、生产率低，用气焊 焊接较厚的焊件时需预热，焊后的焊缝金属不但晶粒粗大、组织疏松，而且容易产生氧 化铝夹杂及裂纹等缺陷。这种方法只用于厚度在0 5 1 0 m m 的不重要结构和铸件的焊补 j 二。 1 2 4 等离子弧焊接 借助水冷喷嘴的外部拘束条件使电弧的弧柱区横截面受到限制时，电弧的温度、能 量密度、等离子流速都显著增大。这种用外部拘束条件使弧柱受到压缩的电弧就是通常 所说的等离子弧。 利用等离子弧能量密度和等离子流力大的特点，可在适当参数条件下实现熔化穿孔 型焊接。这时等离子弧把工件完全熔透并在等离子流力作用下形成一个穿透工件的小 孔，熔化的金属被排挤在小孔的周围，随着等离子弧在焊接方向移动，熔池壁向熔池后 方移动，于是小孔也就跟着等离子弧向前移动。稳定的小孔焊接过程是不采用衬垫实现 单面焊双面一次成型的好方法，因此受到特别重视。 应该指出的是，穿孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成。板厚增加时所 需能量密度也增加。由于等离子弧的能量密度难以进一步提高，因此穿孔型等离子弧 焊接只能在有限的板厚内进行。目前生产应用的板厚范围为：碳钢7 m m ，不锈钢 8 。1 0 m m ，钛1 0 1 2 n 瑚【8 叫。 1 3m i g 焊与等离子焊接的比较 普通的等离子焊接方法是一种高能量密度的焊接方法，这种方法的优点是能量密度 集中，热影响区窄，能防止接头过热和晶粒严重长大。同时，由于电弧温度高，能量高 度集中，对金属表面的氧化膜有很强的破碎作用，可以防止焊接缺陷的形成。 等离子焊接是利用建立在电极和工件( 转移电弧) 之间或电极与压缩喷嘴( 非转移 弧) 之间的压缩电弧进行加热生产连接的一种电弧焊方法。普通的等离子焊接方法是一 种高能量密度的焊接方法，这种方法的优点是能量密度集中，热影响区宽度窄，能防止 接头过热和晶粒严重长大。同时，由于电弧温度高，能量高度集中，对金属表面的氧化 膜有很强的破碎作用，可以防止焊接缺陷的形成。另外，焊道数少，用于填充金属的费 5 沈阳工业大学硕士学位论文 用低，因操作不良造成的人为误差的可能性最小。由于变形倾向降低，所以切削加工比 较简单而费用低1 ”。”。 等离子采用小孔法焊接时，能够用i 型坡口，代替其它焊接方法需要的u 形或v 形坡1 3 ，所以机械加工量小了，等离子弧的挺直形状是这种方法对弧长变化不敏感的主 要原因。电弧的横断面面积与电弧的总电流决定了电弧在任何部位的平均电流密度当工 作电流给定时，电流密度决定了向焊接熔池或工件表面单位面积上传送热量的效率。允 许弧长有较大的变化，允许焊枪工件有较长的距离，可为焊工提供良好的可见度，因为 等离子弧焊枪的电极是缩在压缩喷嘴内，电极不可能与工件接触，这种特殊性大大降低 在焊缝产生夹钨现象，并大大地延长了修整电极的间隔周期，惰性等离子气体流量的恒 定乜极的熔蚀减到最小，因此电极的使用寿命也得到改善。其优点是低的线能量，可保 持焊接热影响区的金属的强度，并限制晶粒长大而取得较好的塑性。与i v l i o 比具有较 大的深宽比，等离子为1 ：1 ，m i g 为i ：3 。这样大的深宽比，有助于均衡焊缝横截面 上的收缩应力，从而焊接接头产生较小的变形m j 。 但是，这种方法也有许多难以克服的缺点，首先是采用“小孔”焊法，虽然，这可 以实现单面焊双面成型，但是，同时也导致焊接效率很低，一般气焊速度仅为m i g 焊 接的l ，3 左右，而且，对工件的装配质量要求很高。另一个明显的缺点是所焊接的工件 厚度通常都不能太厚。目前，国产的等离子焊接设备所能焊接的工件厚度限制一般是 6 m m 的碳钢件、8 m m 的不锈钢件，如果焊接铜合金或铝合金，其可焊接的厚度还要远 低于这个厚度。 以氩气或氩气和氦气作保护气体时，称为i v l i o 焊接。熔化极氩弧焊用焊丝作电极 及填充金属，与手工电弧焊、埋弧焊等其它熔化极电弧焊不同之处是在氩气保护下进行 焊接。丽普通的m i g 焊接方法是采用熔化的焊丝作为一个电极，由于填充焊丝的熔 化，焊接效率较高。但是，由于其电弧能量不够集中，电弧的穿透能力较差，一般都需 要丌坡口焊接。而且，由于电弧发散，去除铝合金表面氧化膜的能力不够强，焊缝中容 易出现夹杂等缺陷。有时，在采用较大规范时，还可能导致接头处晶粒严重长大，使焊 接接头韧性下降。 - 6 沈阳工业大学硕士学位论文 m i g 焊接电流一般希望超过“i 临界电流”值，以便获得稳定的电弧。熔化极氩弧焊 主要优点之一是一般情况下这种方法不要求操作者具有进行钨极气体保护电弧焊时那样 高的技巧。技巧和适当的培训是优质熔化极气体保护焊必备的先决条件，但是焊工不必 参与控制电弧长度这个重要参数，熔化极气体保护半自动电弧焊，配合采用平特性电 源，可产生几乎是恒定的电弧长度。焊枪与工件距离变化极小的理想条件。这种特点在 采用手工电弧焊或钨极气体保护焊时是没有的，因为操作者定位焊丝的位置直接关系到 电弧长度和电压。熔化极氩弧焊可直流反接，焊接铝及铝合金时有良好的阴极雾化作 用。此外，亚射流电弧的固有自调节作用较为改善 1 3 - 1 5 j 。 通过等离子焊接与m i g 焊接的比较可以得到如下几种不同： 等离子的熔宽与熔深比为l ：l ，而m i g 焊接的熔宽与熔深的比为3 ：1 ；m i g 焊接 速度可以在很大的范围内变动，一般为0 1 5 1 5 0 m m i n ，等离子的焊速为m i g 焊接速 度的l 3 左右；国产的等离子焊接设备所能焊接的工件厚度限制般是6 m m 的碳钢 件、8 m m 的不锈钢件，如果焊接铜合金或铝合金，其可焊接的厚度还要远低于这个厚 度而m i g 焊接的厚度可以是它的2 倍左右m 。”。 1 4 双弧焊接方法发展现状 近年来，航空航天、交通运输、海洋工程等工业的发展，极大地推动了焊接技术的 发展。从而，提高焊接效率和焊接质量，减少焊接缺陷存在的高效焊接方法已成为实际 生产的迫切要求。提高焊接效率，一方面是为了降低焊接成本。焊接效率，从某种角度 上讲，主要是由单位时间内填充金属的熔化量熔敷速度来衡量的。但提高熔敷速 度意味着热输入的增加，对于采用单一电弧焊接而言，为了防止热输入的增加而引起的 焊接变形，一般采用提高焊接速度。但因焊接速度的提高易产生未焊透、焊道不连续、 咬边等缺陷，应用双弧焊可避免上述缺陷的产生。 双弧焊一般而言就是指双丝焊接，它提高了焊接速度，减小了单位时间内焊缝成形 的热输入，因而热影响区小，接头的力学性能提高。对于双弧焊的研究，是基于双弧埋 弧焊丌始的。 近年来，铝合金等有色金属及复合材料应用在焊接生产中越来越广泛，日本开发 了f i g 2 y g 和m i g i y ，t i g 2 y g 焊接方法，是在钨极的后端加上用于控制电弧的磁 7 沈阳工业大学硕士学位论文 控制器，两根丝同时送迸，间距为2 m m 。这种方法与普通t i g 焊相比，在相同的电流 情况下，具有较高的熔敷余属和浅的熔池。v l i g 一1 y g 焊接方法，是由m i g 焊枪、磁 控装置及填丝装置组的焊接工艺方法，在实际生产中具有良好的应用前景。这种方法由 于电极焊丝和填充焊丝同时融化，在相同的焊接电流的条件下比通常的m i g 焊熔敷金 属量提高1 5 倍。同时，由于磁控制器改善了焊道的凸起及咬边现象，提高了焊接效率 和焊缝质量。 等离子m i g 焊是2 0 世纪7 0 年代出现的一种双弧电弧焊方法。荷兰菲力普公司焊 接研究所对等离子弧 g 焊进行了深入的研究，等离子m i g 焊丝和m i g 电弧被电离 气体包围，它是通过等离子钨极与工件电弧形成的。该方法电弧燃烧稳定，保护效果 好，因而气孔倾向比m i g 焊接的要小，等离子的阴极雾化清除了氧化膜，并且将熔滴 和熔池的浅端与空气隔离，因而有助于获得优质焊缝， 适合于a 1 、m g 及其合金的焊 接。 随着焊接技术的发展，双弧焊接技术必将得以完善和发展，同时还会出现新的电 弧组合焊接工艺方法。双弧焊接的应用范围也将扩大，并促进焊接技术的更大发展 1 1 9 - 2 2 。 1 5 等离子m i g 焊的产生与发展 等离子m i g 焊是利用等离子弧和m i g 电弧在同一焊枪中燃烧，以获得焊缝熔深和熔 宽合理分配并且具有高的焊接质量和焊接效率的一种先进的焊接方法。 等离子m i g 焊又称为等离子g m a 焊接。1 9 7 2 年4 月，由荷兰的p h i l i p s 公司研究 实验中心w g e s s e r s 和a c l i e f k e n 等人首次在p h i l i p sw e l d i n gr e p o r t e r 中提出这 一新的焊接方法，之后得到了广大的焊接科研人员的关注。同年8 月，英国著名的 w d l d i n 6j o u r n a l 杂志撰写专文，对这一新型的焊接方法进行了介绍，并做了高度的评 论。而在此之前，p h i l i p s 公司已经为这种焊接方法申请了专利( a c l i e f k e n sa n d w g e s s e r s u s p a t e n t 3 6 t 2 8 0 7 1 9 6 9 ) ，并推出了定型的专用焊接设各 2 3 - 2 5 】。 同时，这一方法的发明者w g e s s e r s 等人在7 0 年代中期又在旌弘lc o n s f r c - u f i o nw e l d f n gj o u r n a l 等杂志上发表了多篇文章，介绍了这种方法的电弧特性、熔滴 过渡特性等。并在1 9 7 4 年到1 9 7 6 年间，分别在美国、英国、日本等召开的国际会议 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 上，对这种方法做了介绍。由于这种焊接方法特别适合于铝及其合金的焊接，在美 国焊接学会主编的焊接手册( 第四卷) 中，也把这种方法编入了关于铝及其合金 焊接的相关章节中，并且对其特点进行了分析，大力推广使用这一新的焊接方法 1 2 6 - 2 9 1 。 由于国内工业技术发展水平的限制，我国的铝及铝合金焊接发展较慢，并且现有的 常规t i g 焊、m 1 g 焊方法也能满足一般焊接铝及其合金的要求，因此对等离子及其相 关的焊接方法、设备等方面的研究始终没能受到重视m j 。目前，国内所用的电焊机厂 商都还不能生产这一设备，国内三机部6 2 5 所的范嘉苏曾做过等离子m i g 焊的主要规 范参数对焊缝成形过程热效率的影响的研究，对等离子m i g 焊的不同焊接工艺规范进 行了细致的分析口0 】：而此之外或由于专利技术的限制，以及国内企业管理的一些问题， 导致在国内少有人或单位进行过研究，开展的非常之少。 等离子m i g 焊接方法结合了普通的等离子焊接方法和m i g 焊接方法的优点。是一种 特别适合于铝及铝合金、铜及铜合金等有色金属高质量焊接的新型焊接方法。等离子 m i g 焊接采用的是双弧工作方式，其特点与单一的等离子弧或单一的m i g 电弧又有不 同之处。 单一的等离子弧的特点具有电弧温度高，能量集中且密度大，可达2 0 0 0 0 5 0 0 0 0 k 左右；焊缝熔深大，熔宽小，焊接热影响区窄：焊接材料可选取范围广等特点。 单的m i g 弧的特点为焊丝作为电极，电流密度高，母材熔深相对较大，填充金 属熔敷速度快，生产效率高：焊接铝及其合金时，电弧的固有自调节作用显著，过程稳 定等特点。而等离子m i g 焊具有以上双弧的共同特点，具有焊丝作为电极，电弧温度 高，能量集中且电流密度高，可达2 0 0 0 0 k 以上；焊丝受等离子弧预热，熔化功率大， 焊接速度高。熔化功率和工件上的输入热量可以单独调节，熔化极直流电源采用直流反 接时有去除氧化膜的阴极破碎作用，焊缝熔深大，填充金属熔敷速度快，生产效率 高；焊接铝及其合金时，具有阴极雾化作用，焊缝质量高；特别适合焊接铝及其合金， 镁及其合金焊接材料等优点 3 1 - 3 2 j 。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 1 6 有限元温度场模拟发展状况 计算机的发展和广泛应用改变了以往耗费大量的时间，也耗费大量的人力和物力的 状况。大大提高了产品开发、设计、分析和靠4 造的效率和产品性链。用计算机较件直接 绘制产品结构，称为计算机辅助设计：用计算机来对设计产品实时或者进行随后的分析 称为计算机辅助工程；用计算机来操纵备种精密机器以生产产品称为计算机辅助制造。 对于许多工程问题，不可能获得解析的数学解。以前，为了得到解析解，人们不得 不做多到难以承受的假设和简化，以至于所得结果只能适用于最简单的情况。现在，对 于材料性质和边界条件较复杂的问题，工程师可以依靠数值方法给出近似的、较令人满 意的答案。有限元就是这样一种数值方法。 把物理结构分割成不同大小、不同类型的区域，这些区域就称为单元。根据不同分 析学科，推导出每一个单元的作用力方程，组集成整个结构的系统方程，最后求解系统 方程，就是有限元法。 简单地说，有限元法是一种离散化的数值方法。离散后的单元与单元间只通过接点 相联系，所有力和位移都通过节点进行计算。对每个单元，选取适当的插值函数，使得 该函数在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分界面上都满足一定的条件。然后把 所有单元的方程组结合起来，就得到了整个结构的方程。求解该方程，就可以得到结构 的近似解 3 7 - 3 9 】。 随着计算机技术的发展，复杂的工程问题可采用离散化的数值计算方法并借助计算 机得到满足工程要求的数值解，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之 一。 在工程领域中应用最广泛的数值模拟方法是有限元法，它不但可以解决工程中的结 构分析问题，也成功地解决了传热学、流体力学、电磁学和声学等问题，有限元计算结 果已成为国内工业产品设计和性能分析的可靠依据 3 3 - 3 6 】。许多通用有限元分析、计算 机图形学与优化技术相结合能形成完整的计算机辅助系统，这些程序可以显著提高产品 设计性能，缩短设计周期，增强产品的竞争能力。 这些有限元分析方法已经大量地应用在焊接温度场的模拟中。1 9 8 4 年g o l d a k 发表 了一篇焊接热源的有限元分析模型。1 9 8 5 年，上海交通大学的陈楚出版了一本数值 1 0 沈1 3 e i a l 业人学硕士学位论文 分析在焊接中的应用，1 9 9 1 年哈尔滨工业大学的吴传松等在焊接学报上发表了 m i g 定点焊射流过渡时的熔池传热模型 3 74 0 1 。1 9 9 5 年西安交通大学的蔡洪能等在 焊管上发表了( ( t r g 焊接温度场的有限分析1 4 1 - 4 q 。通过这些资料，我们看到，以 前对t g 和m i g 焊的温度场的研究是很多的，但是对等离子m i g 焊接温度场的有限元 分析还是很少。因此有必要对此进行研究。 沈阳工业大学硕十学位论文 2 用a n s y s 分析程序对焊缝受热行为分析的初步结合 2 1 等离子m i g 焊接温度场 2 1 1 等离子m 1 g 热源的特点 等离子m i g 焊具有等离子弧和m i g 弧的双弧的共同特点，它是利用等离子弧和 m i g 电弧在同一焊枪中燃烧，以获得焊缝熔深和熔宽合理分配并且具有高的焊接质量和 焊接效率的先进焊接方法。近年来研究焊接热过程的论文几乎都是针对t i g 焊接和 m i g 焊接。由于等离子m i g 焊接为双弧作用在工件上，使得焊接熔池内部的流体流动 情况及热过程更为复杂。因此有必要研究等离子m i g 焊接温度场。并且等离子m i g 焊 接为双弧作用在工件上，与以往的t i g 和m i g 焊接单电弧作用在工件上有很大不同之 处，我们在模拟等离子m i g 焊接热源时必须考虑它的双热源的特点。 2 。1 2 研究焊接温度场的意义 焊接过程中施加的局部的依从于时间的集中热输入，可使焊接部位形成熔化区 ( 熔焊) ，这正是引起残余应力和焊接变形的根源。如果同时施加压力使产生局部塑 性变形，则只需加热到熔点以下的温度就足以形成焊接接头。在特殊的情况下，只依靠 局部的压力即可实现焊接。由于金属材料中热传播速度很快，焊接时必须利用高度集中 的热源；因此，焊接时的温度场也是非常不均匀和不稳定。在最不利的情况下，构件的 初始温度可达到零下4 0 度，而焊接熔池中的局部最高温度可达到金属的气温度。在这 个温度范围内，母材和填充金属均被熔化，焊接熔池中将发生各种冶金反应，各部位的 金属分别凝固、重结晶，在加热冷却过程中，金属还会发生显微组织的转变。 2 2a n s y s 软件的简介 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软 件，广泛应用于各个领域。1 9 7 0 年，j o h ns w a n s o n 博士创建了a n s y s 公司起一直致力 于设计分析软件的开发，不断吸取新的计算方法和计算技术，领导着世界有限元技术的 发展。a n s y s 程序的第一个版本与今天的有很大的区别，它仅提供了热分析和详细结 构分析功能，它只是一个批处理程序，且只能在大型计算机上运行。今天的程序的功能 更加强大，使用更加便利。a n s y s 提供的虚拟样机设计法，使用户减少了昂贵费时的 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 物理样机，在一个连续的、相互协作的工程设计中，分析用于整个产品的开发过程，并 且工作人员之间像一个团队一样相互协作 4 5 - 5 0 l 。 利用a n s y s 程序，工程师们可以构造结构、产品、零部件或系统的计算机模 型，或将他们的c a d 模型进行转换，对他们施加载荷或其它设计性能条件；还可以研 究他们诸如应力水平、温度分布或电磁场的冲击等物理响应。在设计过程初期，工程师 们也可利用该程序进行优化设计，以降低生产成本1 5 1 - 5 5 1 。 利用a n s y s 进行热分析，目的是计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参 数，如热量获取或损失、热梯度、热流密度等。 其特点是a n s y s 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元计算各节点的 温度，并导出其它热物理参数。另一个特点是a n s y s 热分析包括热传导、热对流及热 辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。 a n s y s 热分析包括：稳态传热，系统的温度场不随时间变化：瞬态传热，系统的 温度场随时间明显变化。a n s y s 热耦合分析包括：1 热结合耦合；2 热流体耦合；3 热一电耦合；4 热磁耦合：5 热电磁结构耦合等。a n s y s 热分析的边界条件或初始条 件可分为七种：温度、热流率、热流密度、对流、辐射、绝热、生热。在本文的研究 中，为了得到较为准确的接触物体湿度场分布，采用了大型通用商业有限元分析软件 a n s y s 来进行有关的计算与分析工作。a n s y s 软件是一个功能强大的结构设计分析和 结构优化软件包，具有a n s y s 多物理耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的 祸合计算，如：热一结构耦合、磁结构耦合以及电磁流体热耦合，可以用于进行结果 的静力分析、动力分析、结构非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优 化、弹性接触分析学等。针对不同问题，用户可以进行选择，从而最大限度地提高计算 效率及准确性。目前，a n s y s 软件已广泛用于航空、石油、通讯、军械、交通、铁道 以及各种机械制造业，为保证设计质量提供了可靠的分析手段。使用a n s y s 软件不仅 极大地便利了本文的分析工作，而且大大地提高了本文分析的精度和准确性 5 6 - 5 9 1 。 在高速电子计算枧发展的今天，大多采用数值解法。关于微分方程的数值解法数值 主要有差分法和有限元法。( 1 ) 差分法的基本思想是用差商代替微商，相应地就把微 分方程变为差分方程。( 2 ) 有限元法是以变分原理为基础吸取差分格式的思想而发展 一1 3 - 沈阳工业大学硕士学位论文 起来的一种有效的数值解法。差分法是对基本的微分方程的离散而求得它得近似解，而 有限元法是对连续体本身离散而进行数值计算。 a n s y s 热分析基于能量守衡原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度。 在一般三维问题中，瞬态温度场的场变量0 ( x ，y ，z ，t ) 在直角坐标中应满足的 微分方程是 p 。票昙( k ，掣) 要( k ，票) 一拿0 ；票) - p q = o ( 在q 内) 8 l僦o x删。洲oz,0z 此方程是热平衡方程。式中第一项是微体升温需要的热量：第2 ，3 ，4 项是由x ， y 和z 方向传入微体的热量，最后一项是微体内热源产生的热量。微分方程表明：微体 升温所需的热量应与传入微体的热量以及微体内热源产生的热量相平衡唧“”。 2 t 3 计算模型及边界条件 2 3 1 计算准则 针对平板堆焊的实际问题，将热源加在试件中心线上，根据对称性，取其一半进行 分析，在热源附近的网格划分得较密，远离热源的部位一方面将网格划分得稀些，另一 方面用子结构的技术将局部地区的单元凝聚为超单元以便在后面的求解中节省机时，采 用映射法进行网格部分划分，并对产生的节点，单元号进行整理压缩 6 3 - 6 7 】。 2 3 2 程序设计 研究采用a n s y s 参数设计语言编制了命令流程序文件，设计中不考虑应力应变对 焊接温度场的影响，因此使用间接方法( 不需要物理环境方法的在物理环境之间迅速切 换) 进行顺序分析，也即单向耦合， 热源移动以步进的方式处理，热源在板的中心线从左到右历时1 0 0 s ，之后热源撤 消直至1 h ， 研究中采用瞬态分析，基本步骤与稳态分析相似，主要区别是瞬态中载荷步是变化 的。因此将载荷分成载荷步，定义载荷值和时间值，对每个载荷定义时间值和载荷值， 时间值为2 s ，同时载荷步选择阶越。 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 虽然分析时间要求求解多载荷步，但不能采用求解多载荷步的方法之一的载荷步文 件法，因为模拟焊接过程中材料的熔敷的单元不激活不会写到载荷步文件中去的，因此 在本分析方案中，多个载荷用一系列s o l v e 命令来实现。 2 3 3 实验条件 研究采用铝合金，热源在板的中间匀速移动。 板的初始温度为2 0 ，表面的自然对流系数为3 4 2 w ( m2 + ) 。针对平板堆焊 的实际情况，将热源加在试件中心线上，有限元网格如图2 - 1 所示。 图2 - 1 有限元网格模型 热源附近网格划分得较密，远离热源的部位网格划得稀疏些。在本方案中选择了三 维热传导功能的8 节点单元s o l i d 7 0 用作热分析，每个节点的自由度是温度，在本方 案中，结构分析采用的是非线形静力分析，因此对材料处理为与应变力无关的塑性，塑 性应变假定为瞬问建立的。在与率无关的塑料性准则理论中涉及三个准则：屈服准则， 流动准则和强化准则。这里采用v o n m i s e r s 屈服准则，在屈服面内部的任何应力状态都 是弹性的，屈服面外部的任何应力状态都会引起屈服。流动准则规定单个塑性应变分量 随着屈服发展。 设计当中没有考虑应力应变对温度场的影响，因此使用间接法进行顺序耦合场分 析，也即单向顺序耦合，先进行独立的非线性瞬态热分析，此过程处理2 秒钟，并将它 施加在下一步当中去。 1 5 沈阳工业人学硕士学位论文 瞬态传热分析的基本步骤与稳态热分析相似，主要区别是瞬态热分析中的载荷是随 d , 寸f e j 变化的，因此将载荷分