6082铝合金MIG焊模拟的仿真

摘要 1TOC\o"1-3"\u1 绪论 铝合金MIG焊模拟仿真摘要：本课题通过焊接专业软件SYSWELD，采用模拟仿真技术对6082铝合金T型接头MIG焊的焊接全过程进行模拟仿真，选用双椭球热源模型模拟了6082铝合金T形接头MIG焊的焊接热输入，获得不同焊速下的焊接温度场和应力应变场，并分析其温度场分布规律、焊接残余应力和焊接残余变形的状况。最终得到以下结论：随焊接速度的加快等温线形成的椭圆面积越小，焊接热输入也越小；随焊接速度增大，焊接结构焊后残余应力增大、焊接残余变形减小，其中横向残余应力对不同焊接速度情况变化不敏感。关键词：SYSWELD；数值模拟；铝合金；MIG焊

绪论1.1选题背景近年来，由于工业经济的飞速发展，铝合金因其密度小且具有中等强度、较好的焊接性、优良的力学性能和优越的耐腐蚀性等优势，在航空、航天、机械、汽车和船舶制造等领域中被广泛应用，是工业工程中应用最广泛的合金材料之一。由于铝合金结构的焊接需求日渐增长，为了取得优良的铝合金焊接结构，研究铝合金的焊接性已成为一个关键课题。铝合金易在空气中发生氧化，形成的三氧化二铝（熔点2050℃）氧化膜覆盖在母材和熔池表面，严重妨碍熔滴金属和熔池金属的互相熔合，如果不去除，就不能形成良好的焊缝。熔化极惰性气体保护焊（MIG）采用直流反接时对铝合金表面的氧化膜具有良好的阴极清理效果，能有效的除去AI2O3氧化膜，提升了铝合金接头的焊接质量；另外，MIG焊接具有很高的焊接生产率和稳定可靠的焊接质量，最适宜焊接铝及铝合金中厚板。现今的数值模拟技术经过几十年的发展已经成功应用于工业工程中，通过数值模拟技术可以预测实际试验的结果，减少实际试验的工作量并为优化试验结果提供有效的经验和指导。本课题通过焊接专业软件SYSWELD，采用模拟仿真技术对6082铝合金T型接头MIG焊的焊接全过程进行模拟仿真，选择双椭球热源模型模拟焊接过程的热输入，在其它参数不变情况下比较不同焊速时的焊接温度场和应力应变场，可以得出6082铝合金MIG焊的合适参数，有效节省人力、物力。1.2国内外研究现状1.2.1国内基本研究情况MIG焊接具有许多特点，例如，焊缝熔深大、熔滴熔敷快、焊接变形小、工艺简单且经济性好等。它可以焊接几乎所有金属，尤其适合焊接铝及铝合金。研究现状表明，通过对MIG焊焊接工艺参数的优化，可避免由熔焊所带来的裂纹、气孔等缺陷，可以获得高质量的铝合金焊接接头。赖明建[1]等人基于有限元分析软件ANSYS，利用移动的双椭球热源模型模拟焊接热输入，模拟了6082铝合金T形接头MIG焊的焊接温度场和应力应变场，总结得出了焊接速度对焊接温度场和应力应变场的影响。魏昭祎[2]等人通过有限元软件ANSYS对铝合金T型接头焊接进行数值模拟，采用高斯热源模拟焊接热输入，运用热弹-塑性有限元方法得到焊接过程温度场及应力应变场，得出结论为：纵向残余应力均为拉应力，横向残余应力在中心线为拉应力，在两道焊缝位置则为压应力，且数值相对纵向残余应力较小。郭艳[3]等人通过专业焊接软件SYSWELD，采用Goldak提出的双椭球热源模型，对厚度为1.5mm的铝合金管点焊过程进行了有限元数值仿真，得出了焊接接头温度场的变化规律，并且模拟得到的熔池形状与实际实验结果基本吻合，说明焊接软件SYSWELD能够进行有效的焊接模拟。张晓鸿[4]等人针对脉冲MIG焊焊接过程建立了复合热源模型，采用有限元软件ABAQUS对15mm厚的Al-Mg-Zn铝合金多层多道脉冲MIG焊接的热传递过程进行了数值模拟，根据复合热源模型和单一双椭球热源模型进行计算分析和比较，结果表明，该组合热源可以较好的模拟脉冲MIG焊接不同道次的熔池形貌。王亚男[5]等人通过焊接专用数值模拟软件SYSWELD对5083铝合金T型接头的MIG焊进行了焊缝过程模拟计算，得出了焊接电流和焊接速度对熔池温度场以及焊接变形的影响规律。国内对于铝合金数值模拟分析已经在理论上进行了深入的研究，工艺上也积累了一定的经验。1.2.2国外基本研究情况自20世纪30年代以来，各国工程技术人员就开始研究焊接应力和变形，对铝合金焊接结构变形的数值模拟最早始于20世纪60年代。在1961年，TaniguchiC[6]采用数值模拟分析的方法研究了铝板结构件角接头的变形情况，得到了各类角焊缝的板厚与角变形之间的相互关联，并做了大量实验验证自己的结论。在1975年，PatteeFM针对不同拘束条件下铝板的翘曲情况做了大量的试验研究，也得出了和TaniguchiC相似的结论，这更加证明了数值模拟分析方法在铝合金结构件焊接应力和变形方面研究的可靠性[7]。国外工程技术人员对铝合金焊接结构的数值模拟的研究从未停止，自2000年以来，随着生产力的发展，铝合金结构新型焊接方法取得了极大的突破。在2000年，Buste[8]等人对铝合金薄板激光拼焊的应力分布状态进行有限元模拟，认为焊接残余应力的大小和焊接残余应力分布等因素对铝合金薄板激光拼焊板的成形性能影响较大。在2007年，RajeshSR[9]等人在铝合金FSW过程中，在搅拌头周围建立了三维有限元模型，选取三维有限元模型对合金的热分布进行预测，并在此基础上预测了铝合金在搅拌区、热影响区和母材处的残余应力分布，把数值模拟分析得出的残余应力结果与切条法得到的残余应力进行对比，结果基本一致。国外对于铝合金的焊接模拟仿真进行了深入的研究，证明了数值模拟分析技术在研究焊接应力和变形方面的适用性和可靠性。国内外技术人员对铝合金的焊接模拟仿真都进行了一定的研究，且得到了很大的进展，但为了铝合金的焊接模拟技术能更好的在工业中得到利用，还需要进行大量的实验使得焊接模拟得到的结果与实际结果吻合度更高，并通过焊接模拟技术优化铝合金结构件的焊接质量。1.3课题的研究意义和内容1.3.1课题的研究意义铝合金的主要焊接工艺有TIG焊、MIG焊、搅拌摩擦焊和电阻点焊等。MIG焊是一种利用氩气保护或者惰性气体和活性气体混合保护，从而完成焊接过程的一种电弧焊方法[10]。科研人员在MIG焊的实际应用中发现，虽然MIG焊可以得到质量好的焊接接头，但如果焊接工艺参数选择不当，焊接接头会产生缺陷，减低接头质量，在这种情形下，达成焊接接头质量的控制和预测是MIG焊的实际化应用中需要解决的问题。随着计算机技术和数值模拟技术的发展，采用仿真技术对材料的焊接全过程进行模拟，实现铝合金焊接工艺参数的控制和预测，已成为获得高质量铝合金焊接接头的一种有效方法。由于工业经济的发展，轻质铝合金的应用越来越广泛，为铝合金选择合适的焊接方法和焊接工艺参数，也成为研究铝合金的一个重要方向。借助焊接专业软件SYSWELD，选用移动的双椭球热源模型模拟6082铝合金T型接头MIG焊的焊接热输入，模拟铝合金MIG焊的焊接温度场和应力应变场，得到焊接过程中不同焊速下的焊接温度场和应力应变场的变化规律，减少了实验过程的盲目性，降低实验成本，并促进了SYSWELD数值模拟技术在焊接力学分析以及实际中的运用。1.3.2课题的内容本课题以6082铝合金为研究对象，主要研究6082铝合金在MIG焊中不同焊接工艺参数情况下接头的性能。利用SYSWELD软件，模拟6082铝合金T型接头MIG焊过程，在其它参数不变情况下，分析不同焊速时的温度场分布规律、焊接残余应力和焊接残余变形的状况，得出不同焊接速度情况下焊接温度场和应力应变场的变化规律，并选出一组最优的6082铝合金T型接头MIG焊的焊接工艺参数。焊接工艺参数2.1焊接参数采用6082铝合金作为母材，选取ER5356焊丝作为填充材料，6082铝合金和ER5356焊丝的化学成分见表1。试验通过平焊一次施焊完成，焊接方向如图1所示；此次试验焊接电流和焊接电压均保持不变，模拟不同焊接速度情况下6082铝合金的焊接温度场和应力应变场，焊接工艺参数见表2，其中焊接线能量是焊缝单位长度上的热输入，即热源功率与焊接速度的比值，公式为：q=IU/v。图1焊接方向表16082铝合金和ER5356焊丝的主要成分单位：%材料SiMgCrTiCuZnFeMnAl60820.7-1.30.6-1.2≤0.25≤0.1≤0.1≤0.2≤0.50.4-1.0余量ER5356≤0.254.5-5.50.05-0.20.06-0.20≤0.1≤0.1≤0.40.05-0.20余量表2焊接工艺参数试验焊接电流I（A）电弧电压U（V）焊接速度v(mm•s-1)焊接线能量q(J•mm-1)111018.56339.2211018.58254.4311018.510203.52.2拘束条件焊接拘束条件包括对筋板施加拘束和对底板施加拘束，拘束在焊接过程中施加，在焊后冷却到室温过程中去除[11]，焊接过程中通过适当的施加拘束条件有利于减小焊件在焊接过程中及焊后的变形。本次试验的夹持类型选择刚性夹持，筋板拘束条件施加在筋板侧面，两点均施加x方向的约束；底板拘束条件施加在底板表面，施加z方向上的约束，如图2所示。图2拘束条件MIG焊T型接头有限元模型的构建T型接头的建立及网格划分利用SYSWELD软件进行建模，根据焊接结构的实际几何尺寸建立实体模型，然后进行网格的划分，主要分为底板、筋板及焊缝三个部分。底板尺寸为120mm×100mm×4mm，筋板尺寸为100mm×60mm×4mm，焊缝长度为100mm。由于建立3D几何模型，网格类型选择Quad-Tria，网格最小单元尺寸为0.8mm×0.8mm×2mm，网格最大单元尺寸为3.1mm×0.8mm×2mm。整个模型以焊缝为中心，离焊缝越近网格越密，离焊缝越远网格越疏，通过疏密网格来减少部分单元，能够有效模拟焊接过程并提高计算效率。构建完成的焊接结构模型如图3所示。图3焊接结构模型图热源模型的选择在有限元计算中，热源被认为是一个函数，首先给定了该函数参数的初始值，该初始值可根据实际焊接的截面熔池形状或根据经验确定。在专业焊接软件SYSWELD中给出了三种结构简单的热源模型，分别是：2维高斯热源模型(2DGaussian)，双椭球热源模型(Doubleellipsoid)，3维高斯圆锥热源模型(3Dconicalgassian)。一般情况下双椭球热源模型适用于TIG、MIG焊等普通电弧焊，由于采用MIG焊接方法，因此本次实验选取双椭球热源模型进行热源模拟。双椭球热源模型如图4所示。双椭球热源模型的前半部分和后半部分的表达式不同，热源在椭圆内前半部分的分布表达式为：qx,y,z热源在椭圆内后半部分的分布表达式为：q其中：Q=ηUI，η是热源效率，U是焊接电压，I是焊接电流；a、b、c分别为x、y、z方向上的半轴长，a1、a2分别为双椭球前、后半轴长度，b反映熔宽，c表示椭球的高度，反映熔深；f1、f2为前后椭圆热量分布函数。本实验中熔池长、宽、深分别为12mm、6mm、3mm。图4双椭球热源模型4MIG焊T型接头焊接温度场分析借助SYSWELD软件对6082铝合金T形接头MIG焊接进行三维动态数值模拟，在焊接电流、焊接电压等焊接工艺参数不变的情况下改变焊接速度进行模拟，获得不同焊接速度时的焊接温度场。分别在焊接速度为6mm/s、8mm/s、10mm/s模型的同一时刻取焊接温度场图，如图5所示。此时，焊接过程已进行一半，电弧影响部位周围的温度场分布趋于平稳，沿焊接方向为主轴的等温线形式表现为近似椭圆。由图5可看出，沿焊接方向的等温线逐渐由疏变密，这是由于焊接热源的移动性造成的；焊接速度越大时等温线形成的椭圆的面积越小，这是因为在其他焊接参数不变时，增大焊接速度使得热源在焊缝同一位置停留的时间缩短，即焊缝加热时间缩短，导致焊接热输入减小，椭圆的面积减小。(a)6mm/s(b)8mm/s(c)10mm/s图5不同焊接速度下的焊接温度场图在焊接过程结束后，选择焊缝长度中央的点为取样点，不同焊接速度下的温度循环曲线如图6所示。由图6可观察出，随着焊接速度的增大，取样点的能达到的最高温度逐渐降低，且该点到达最高温度的时间也越短，温度下降速度也越快。(a)6mm/s(b)8mm/s(c)10mm/s图6不同焊接速度下的温度循环曲线图在焊缝中心线上沿焊缝方向取部分节点作为取样点，如图7所示。选取的样点的温度循环曲线可以反映焊缝在焊接过程中不同区域的温度变化历程，焊缝处不同焊接速度下的温度循环曲线如图8所示。图7沿焊缝方向的取样点(a)6mm/s(b)8mm/s(c)10mm/s图8不同焊接速度下的温度循环曲线图从图8中可以看出各个节点经历的温度历程大致相同，各节点的温度均随焊接热源的移动先上升再下降，当焊接热源向节点靠近时，节点处温度开始升高，并在热源到达这一节点时该节点温度上升到峰值，远离时该节点温度下降并在冷却过程中逐渐降到室温；焊接过程中节点的最大温度值基本一致，只在极小的范围内上下波动，但焊接起点和终点的最大温度值均高于焊接过程中节点的最大温度值，这是由于在焊接起始和结束位置需要较大的热输入来使焊缝熔化，所以加热时间较长，节点温度峰值高。MIG焊T型接头焊接应力应变场分析焊接时焊接结构受到的加热不平均，加热引起的热变形和组织变形受到焊件本身刚度的拘束，是焊接结构发生应力和变形的决定性原因；在焊件完全冷却后残存的应力和变形，称之为残余应力和残余变形，残余应力和变形会在一定程度上对焊件的承载能力和使用寿命产生影响，因此对这一问题的研究具有重要的实际工程价值[12]。通过SYSWELD软件来模拟焊接结构的应力应变场，可以模拟不同焊接工艺参数情况下，焊接结构在焊接过程中发生的残余应力和变形的规律。5.1焊接残余应力分析一般情况下，沿焊缝方向的残余应力(本模型中为y方向)称作纵向应力，垂直于焊缝方向的残余应力(本模型中为x方向)称作横向应力。由于T形接头焊接时残余应力主要集中在翼板上，故本小节重点对翼板上表面的残余应力进行分析和比较。在焊接结构翼板上取两条直线，分析两直线上节点的残余应力，其中A-A沿焊缝方向，B–B为垂直焊缝的中线，如图9所示。图9焊接结构翼板上选取的两直线位置图范式等效应力（VonMisesStress）是一种屈服准则，VonMises的值通常被称作等效应力。它借助应力等值线来体现模型中应力的分布状况，它能够清楚的表达出整个模型中一个结果的变化，这样分析人员便能够迅速的发现整个模型中最脆弱的部位。本实验的应力分析采用范式等效应力曲线，焊缝冷却结束后，沿焊缝方向A–A处的残余应力分布如图10所示。焊缝冷却时，焊缝区域产生的横向收缩和纵向收缩分别是横向残余应力形成的直接原因和间接原因。由图10a可以看出，焊缝区域的横向残余应力呈现出中间受拉应力、两端受压应力的形式，且压应力的值较拉应力要大得多，这是因为焊缝冷却时产生的横向收缩会对翼板施加拉应力，并同时受到翼板两侧带来的压应力，焊缝两端受到的压应力大于对翼板施加的拉应力，因此表现为两端受压应力、中间受拉应力的状态。通过比较不同焊接速度下的横向残余应力可以看出，不同的焊接速度对沿焊缝方向的横向残余应力的影响不大。由图10b可以看出，焊缝区域的纵向残余应力均为拉应力，表现为焊缝中部拉应力值大、两端的拉应力值小的状态，这是因为在焊后冷却时，焊接区域需要收缩得比其他部位短，却又受到离焊接区域较远部分的拘束无法自由缩短，因此焊接区域受拉产生残余拉应力，而焊缝两端为自由边界，受到的约束较焊缝中间区域小，所以焊缝两端拉应力值小于焊缝中间部位的拉应力值。图10c反映了焊接速度分别为6mm/s、8mm/s、10mm/s时沿焊缝方向的等效残余应力，等效残余应力大的区域代表该区域变形较大，通常是材料的脆弱区域，由图可看出，焊速为6mm/s时焊缝的等效残余应力最小，焊速为8mm/s时焊缝中部的等效残余应力最大，焊速为10mm/s时焊缝两端的等效残余应力最大。(a)横向残余应力(b)纵向残余应力（c）等效残余应力图10沿焊缝方向A–A处的残余应力分布焊缝冷却结束后，垂直焊缝方向B-B处的残余应力分布如图11所示。由图11a可以看出，垂直焊缝方向B–B处的横向残余应力均为拉应力，且拉应力在焊缝区迅速减小，这是因为焊缝冷却时产生的横向收缩，对热影响区施加拉应力同时承受热影响区收缩带来的压应力，因此焊缝区域的残余拉应力小于热影响区的残余拉应力，翼板的两侧端面为自由边界，其应力值为零。由图11b可以看出，垂直焊缝方向B–B处的纵向残余应力在焊缝处表现为拉应力,纵向残余应力在热影响区时由拉应力快速转化成压应力，并随着距焊缝距离的增大纵向残余应力趋于稳定。图11c反映了焊接速度分别为6mm/s、8mm/s、10mm/s时垂直焊缝方向的等效残余应力，焊速为6mm/s时焊缝的等效残余应力最小，焊速为10mm/s时焊缝的等效残余应力最大。（a）横向残余应力(b)纵向残余应力(c）等效残余应力图11垂直焊缝方向B-B处的残余应力分布该模型在不同速度时的等效残余应力分布如图12所示，其在冷却后的等效残余应力极值见表3。可知，随着焊接速度的增大，焊接结束后的等效残余应力最大值增大，但焊接速度从8mm/s变为到10mm/s时等效残余应力增加值小于焊接速度从6mm/s变为到8mm/s时等效残余应力的增加值，并且在6mm/s、8mm/s、10mm/s三种焊接速度中，焊接速度为10mm/s时的最小残余应力值最小。(a)6mm/s(b)8mm/s(c)10mm/s图12不同速度时的等效残余应力分布图表3焊接构件冷却后的等效残余应力极值焊接速度最小残余应力值最大残余应力值6mm/s0.031103.7728mm/s0.033122.89610mm/s0.028135.6065.2焊接残余变形分析焊接变形是焊件在焊接过程中因受热不均从而使其外形和尺寸发生改变。当焊接冷却过程结束后，仍残存在焊接结构内的变形称为焊接残余变形。不同焊速情况下，焊接构件完全冷却后放大30倍的变形图如图13所示。由图13可以观察到，构件两侧翼板向上翘起，焊缝中间部位向上微凸起，且焊缝两侧较焊缝中部变形较小，筋板处几乎不产生残余变形。焊件完全冷却后的平面围绕焊缝发生角位移即焊接结构发生角变形，焊接构件在进行单侧的T型接头焊接时经常发生角变形主要是因为横向收缩在厚度方向上的分布不均匀，即焊缝正面的横向收缩量大、反面的横向收缩量小，导致焊件正反两面的收缩程度不一致，于是焊件会向收缩量大的一边发生偏转，因而产生角变形。对比不同焊接速度时的角变形，发现焊接速度越大角变形越小，这是因为在中厚铝板上焊接时，热输入小使得铝板正面的温度高于铝板背面的温度，铝板背面材料还处于弹性状态，因而角变形较小。并随着焊接不断向前，后焊接的部位变形比先焊接的部位变形大，这是因为焊接在向前进行的过程中，后焊部位母材的温度不断升高，相当于提前预热，因此变形程度大。(a)6mm/s(b)8mm/s(c)10mm/s图13焊接构件完全冷却后放大30倍的变形图在不同焊接速度时，焊接构件冷却后的等效变形如图14所示，其在冷却后的等效变形极值见表4。由图14可看出，其他参数不变时，随焊接速度的增加，焊接构件变形最大区域的面积减小，且最大变形值也减小，这是因为焊接速度加快意味着焊缝的同一区域加热时间减少，单位长度焊缝上的热输入减小，所以焊后变形程度减小。表4焊接构件冷却后的等效变形极值焊接速度最小变形值最大变形值6mm/s2.166*e-420.7358mm/s3.124*e-420.70410mm/s3.611*e-420.667（a）6mm/s(b)8mm/s(c)10mm/s图14焊接构件在不同速度时的等效变形6结论（1）经过6082铝合金温度场场数值模拟分析可以看出，同一焊缝线上各个节点经历的温度历程大致相同，各节点温度均随着焊接热源的移动先升高然后逐渐降到室温，且节点最高温度呈现焊缝中部低、焊缝两端高的状态。随焊接速度的加快等温线形成的椭圆的面积越小，焊接热输入越小。（2）经过6082铝合金应力场数值模拟分析可以看出，横向残余应力对不同焊接速度情况不敏感，差距小；纵向残余应力表现为随焊接速度增大，纵向残余应力增大，并且沿焊缝及热影响区向两侧递减。底板上的残余应力后焊一侧比先焊一侧大。通过比较三种不同焊速下的等效残余应力极值，发现焊速为10mm/s时的最大残余应力值最大、最小残余应力值最小，且焊速从8mm/s变为到10mm/s时等效残余应力增加值小于焊速从6mm/s变为到8mm/s时等效残余应力的增加值。（3）经过6082铝合金应变场数值模拟分析可以看出，焊接中厚铝板且热输入小时，焊接速度越大角变形越小。随焊接速度的增大，焊接构件变形最大区域的面积逐渐减小，最大变形值也减小。综上所述，通过对比不同焊接速度情况下的温度场和应力应变场，得出一组最优的6082铝合金T型接头MIG焊的焊接工艺参数。由于焊速为10mm/s时的最大残余应力值较焊速为8mm/s时增加较少，且焊接构件变形最大区域面积和最大变形值小，因此三组实验中，焊速为10mm/s时得到的6082铝合金T型接头MIG焊得接头最优。

参考文献[1]赖明建,汤小红,张闪影.基于ANSYS的6082铝合金T形接头MIG焊的有限元模拟[J].焊接技术,2013,42(05):14-17+5.[2]魏昭祎,杨少红.基于ANSYS的铝合金T型接头数值模拟分析[J].热加工工艺,2019,48(21):156-159.[3]郭艳,凌泽民,齐喜岑,徐火青.基于SYSWELD铝合金管点焊温度场数值模拟[J].热加工工艺,2010,39(19):142-144.[4]张晓鸿,陈静青,陈辉.基于复合热源模型的Al-Mg-Zn铝合金脉冲MIG焊接模拟[J].焊接学报,2