基于COMSOL模拟的T形接头对接电阻焊与双面焊的比较

./基于COMSOL模拟的T形接头对焊与双面焊的比较摘要：本文利用有限元法对高斯热源的移动焊接进行数值模拟,通过分析焊接过程中的数据图像,研究了对焊与双面焊〔同向两种焊接方法对T形接头焊接结果的影响。主要考虑了温度变化,应力变形,总位移等方面的区别。关键词：T形接头,应力变形,温度,数值模拟ComparisonofTjointbuttweldinganddouble-sidedweldingbasedonCOMSOLsimulationAbstract：Inthispaper,thefiniteelementmethodisusedtosimulatetheweldingmovementofGaussheatsource.Byanalyzingthedataandimagesintheweldingprocess,theinfluenceoftwoweldingmethodsofbuttweldinganddoublesidewelding<syntropy>ontheweldingresultsofTjointsisstudied.Thedifferenceintemperature,stress,deformationandtotaldisplacementismainlyconsidered.Keywords：Tjoint,stressanddeformation,temperature,digitalsimulation1.数值模型及焊接条件1.1焊件模型及热物理参数为了模拟T形接头对焊与双面焊的差别,建立的焊件有限元三维模型及网格划分如图所示。翼板尺寸〔XYZ为200mm×100mm×10mm,腹板尺寸为10mm×100mm×80mm。为了兼顾计算精度和速度,在温度变化梯度较大的焊缝<WM>和热影响区<HAZ>区域采用比较密集的网格,固定单元数目为25,而在远离WM区域划分较为稀疏的网格。图1对焊图2双面焊有限元模型1表示先焊的一侧,2表示后焊的一侧。对焊〔对接电阻焊是利用电阻热将两工件沿整个端面同时焊接起来的一类电阻焊方法。对焊的生产率高、易于实现自动化,因而获得广泛应用。如图1双面焊当然就是焊完一面,再去另一面焊,焊另一面时,一般需要清根,或刨或磨掉夹渣。如图2板材都选用Aluminum〔铝,熔点660℃,材料属性目录如图3所示：图3铝材料属性1.2热源模型热源模型的建立与焊接温度场的模拟是焊接数值模拟的重要部分。对于手工电弧焊、钨钨极氩弧焊等焊接方法,采用高斯分布的函数就可以得到较满意度结果。本文中采用高斯移动热源。图4高斯热源模型图5实际图像热源公式：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表示热源,u、I为焊接电压、焊接电流,特征参数r与的焊接电流、电压及焊速有关,是热源作用区域半径,可由实际焊接工艺参数下的熔池的前沿、后沿、宽及深度来确定,特征参数只决定了热源形状,不改变热源功率,因此对HAZ区热循环曲线无影响。1.3焊接参数及定义单位长度单位mm角度单位deg对焊参数如表1：表1：对焊焊接参数名称表达式值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热源公式如下：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>双面焊参数如表2：表2：双面焊焊接参数名称表达式值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热源公式如下：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.研究结果与比较2.1应力<solid>比较VonMises是一种屈服准则,屈服准则的值我们通常叫等效应力。"VonMisesStress"我们习惯称Mises等效应力,它遵循材料力学第四强度理论<形状改变比能理论。米塞斯屈服准则是在一定的变形条件下,当受力物体一点的等效应力达到某一定值时,该点就开始进入塑性状态。米塞斯屈服准则的物理意义。在一定的变形条件下,当材料的单位体积形状改变的弹性位能〔又称弹性形变能达到某一常数时,材料就屈服。图6对焊三维截点图7双面焊三维截点1比较图6对焊三维截点和图7双面焊三维截点1与图8双面焊三维截点2,可以看出在同一位置的截点,最后冷却稳定至平衡温度后,双面焊较对焊时米塞斯等效应力还大出约0.1×109N/m2。说明对焊完成后的铝材部米塞斯等效应力较双面焊后较小一些,等到冷却至室温以后,对焊后铝材的部残余应力集中较小,铝材也就不易发生开裂现象。主要是对焊时,冷却速度较快,而双面焊时先焊的部分会对后一道焊缝有一定的预热作用,同时,后焊时也会对前一道焊缝有一定的热处理效果,导致双面焊时冷却速度比较的慢,部应力也大一些。所以对焊冷却速度较快的话,有效防止了一些缺陷的介入,使部应力增大,以免降低综合力学性能。图8双面焊三维截点22.2温度〔ht比较由于对焊是两电弧同时并且在各自对称位置相互作业,所以三维截点处的最高温度要比双面焊相同位置的三维截点的温度要高出几百摄氏度。我们再看双图9对焊三维截点图10双面焊三维截点1面焊三维截点1,因为先是由一个电弧的独自焊接,前50s只能达到最高750摄氏度,前50s图像与对焊时基本一致,但是就温度上升的速度而言,双面焊要相对慢一点,但是由于第二个电弧的影响,还来不及冷至平衡温度,温度又再次上升并且超过熔点,实现二次熔透,所以同时应力也达到最大。从三维截点2,可以很直观地看出,一开始由于热源1的预热影响,温度一路飙升,但是仍然图11双面焊三维截点2在熔点以下并保持一段时间的相对稳定,之后又因为电弧2的临近,三维截点2的温度再次飙升并达到990摄氏度左右,实现了两块铝材接触面的熔化并被焊在一起。同时,可以看出对焊时的峰值比双面焊的高许多,但是冷却平衡温度却比双面焊的要低,说明对焊冷却速度快些。论时间,论效率,对焊都更胜一筹。2.3总位移比较图12对焊三维截点图13双面焊三维截点1图14双面焊三维截点2从这三三维截点总位移点图中,我们可以得到这样两个直观的信息：〔1对焊时的总位移峰值大于双面焊的；〔2对焊的最终平衡总位移小于双面焊的。结合上述应力比较,从中我得出结论：最终的焊接工件,对焊T形接头焊缝的残余应力和应力变形以及角变形都小于双面焊的T形接头焊缝。3.结论利用有限元法对高斯热源的移动焊接进行数值模拟,通过分析焊接过程中的数据比较,研究出对焊与双面焊〔同向两种焊接方法对T形接头焊接结果的影响如下：对于T形接头,焊接时在底板厚度方向<z轴>上的温度分布是不均匀的,会产生了较大的横向压缩塑性变形,在焊后冷却时就在焊缝厚度方向上出现收缩不均匀的现象,通过数据分析比较可知,对焊时T形接头的角变形和焊缝部残余应力较小,且费时少,效率高些,焊缝综合力学性能优于双面焊T形接头焊缝。[1]董利明,宇,王纳,小宝基于FEM模拟的中厚板焊接热影响区冷速预测省<沙钢>钢铁研究院,家港[2]薛小龙,王志亮,桑芝富,等．

T形焊接接头的三维有限元模拟［J］．

中国机械工程,2005,16<9>:811－815．

[3]利国,姬书得,方洪渊,等．焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响［J