復(fù)合鋁合金薄壁管在高頻感應(yīng)焊中溫度場的模擬

劉小東，王志偉，陳 洪，潘戀戀

（湖北工業(yè)大學(xué)綠色輕工材料湖北省重點實驗室，湖北武漢430068）

復(fù)合鋁合金薄壁管在高頻感應(yīng)焊中溫度場的模擬

劉小東，王志偉，陳 洪，潘戀戀

（湖北工業(yè)大學(xué)綠色輕工材料湖北省重點實驗室，湖北武漢430068）

復(fù)合鋁合金薄壁管高頻感應(yīng)焊接過程中，焊接溫度是影響焊接質(zhì)量的主要因素。采用有限元分析軟件ANSYS模擬其溫度場，考慮薄管一次焊透和熱計算的邊界條件，利用線熱源模型加載計算，得出焊接過程的溫度分布和熱循環(huán)曲線，這為進一步分析焊接應(yīng)力應(yīng)變提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。

薄壁管；有限元；溫度場

0 前言

高頻焊管是利用高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，將待焊管坯的邊緣迅速加熱到熔融狀態(tài)，并在擠壓輥的作用力下形成焊縫[1]。焊接溫度和擠壓力是影響焊縫質(zhì)量的重要工藝參數(shù)，而擠壓力由一對擠壓輥調(diào)節(jié)控制，相對穩(wěn)定，故控制焊接溫度是保證焊接質(zhì)量的核心。生產(chǎn)實踐表明，焊接溫度過高會浪費焊接功率，使待焊邊緣部分熔化過多，甚至發(fā)生焊縫燒穿現(xiàn)象，影響焊縫的表面質(zhì)量和焊管的合格率；焊接溫度過低則會使待焊處熱輸入不足，引起冷焊，降低焊管質(zhì)量[2]。因此分析焊管的溫度場及焊縫周圍的溫度分布十分重要。

目前受技術(shù)條件的限制，無法準(zhǔn)確實時測量焊管的溫度場，而主要依靠經(jīng)驗判斷和解析進行計算，隨著計算機和有限元技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值解法成為當(dāng)前研究的熱點[3-5]。通過有限元軟件ANSYS模擬焊管焊接過程的溫度場，可以得出任意時刻任意截面的溫度分布圖，也可以觀察其溫度的等值面、等值線隨時間變化的情況，以及任意點的溫度-時間曲線[6]，為實際焊管焊接提供一定的理論依據(jù)。

1 高頻焊接過程數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 控制方程

高頻感應(yīng)焊焊接過程是高度非線性的瞬態(tài)問題，焊接材料的熱物理性能隨著溫度的變化而變化，它的溫度場控制方程為

1.2 熱源模型

高頻焊管焊接是一次焊透，可以把熱源看成沿管子厚度的一條線，故采用線熱源模型進行熱計算，其加熱體內(nèi)部熱源強度函數(shù)[7]為

式中Cr為熱容量或體積熱容[單位：J/（m3·℃）]；ρ為電阻率（單位：Ω·m）；η為效率；J0為表面電流密度（單位：A/m2）[J0=I/Δh0，I為焊接電流；h0為管子厚度（單位：mm）；電流滲透厚度單位：mm）；f為電流頻率（單位：Hz）]。

1.3 邊界條件

1.3.1對流換熱

對流作為面邊界條件施加，工件與空氣的熱對流可用牛頓冷卻方程

式中qn為熱流密度（單位：W/m2）；h為對流換熱系數(shù)；TS為工件表面的溫度（單位：℃）；TB為周圍空氣的溫度（單位：℃）。

1.3.2輻射

工件表面輻射的影響式為

式中q為邊界熱流密度（單位：W/m）；σ0為熱輻射系數(shù)（單位：W·K/m2）；ε為熱輻射率（黑度）。由式（4）可知，輻射產(chǎn)生的熱流與物體表面絕對溫度的四次方成正比，是高度非線性的，容易引起計算的不收斂，因此通過放大高溫時的對流系數(shù)來間接考慮輻射的影響[8]。

1.3.3相變潛熱

焊接過程中熔池區(qū)域存在熔化、凝固等相變，伴隨相變過程有吸熱和放熱的能量變化，采用熱焓法來考慮潛熱，焓值的變化ΔH描述為密度ρ、c比熱容以及溫度T的函數(shù)[9]，存在如下的關(guān)系式

2 建立模型和劃分網(wǎng)格

以某公司16 mm×2.0 mm×0.3 mm型號的扁平焊管為研究對象，其厚度為0.3 mm，材料為7072/ 3003/4343三層復(fù)合鋁合金，焊接參數(shù)為：焊接電壓185 V，焊接電流81.5 A，頻率250.4 kHz，焊接速度2 mm/s，焊接熱效率0.85。選取高頻焊管建立有限元模型，如圖1所示，另一半焊管和圖示焊管對稱，其相應(yīng)的溫度場也對稱。為減少劃分單元網(wǎng)格總數(shù)，重點分析焊縫區(qū)域的溫度分布，即扁平管焊接部分的區(qū)域，可將模型簡化為如圖2所示的1/4圓筒模型，模型長為100 mm，內(nèi)圓半徑0.7 mm，外圓半徑1 mm。

圖1 半個焊管模型Fig.1Half of welded pipe model

圖2 1/4圓筒簡化模型Fig.2A quarter of the cylinder simplified model

選用熱分析實體單元SOLID70進行熱計算，采用拉伸單元方法，因此還要使用平面熱單元PLANE55。熱源載荷以熱流密度的形式加載在焊管表面上。由于焊管焊縫的熱影響區(qū)寬度為管坯厚度的1/4～ 1/3[10]，約為0.1 mm，不必要進行細(xì)化分網(wǎng)格，故選用網(wǎng)格大小為0.15 mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果放大后如圖3所示，劃分后得到13 527個節(jié)點和8 016個單元。

3 熱物性參數(shù)的確定

材料的熱物性參數(shù)主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度、換熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比等，其中密度ρ隨溫度變化不明顯，其余參數(shù)均為溫度的函數(shù)，呈非線性變化，查文獻(xiàn)[11]得到不同溫度下熱物性參數(shù)，并用分段線性擬合法來離散，得到的參數(shù)如表1所示。

圖3 網(wǎng)格劃分模型Fig.3Grid Partition Model

表1 焊接材料的熱物性參數(shù)和溫度的關(guān)系Tab.1Relationship between thermal physical property parameters and temperature of welding material

4 溫度場的數(shù)值模擬及分析

通過ANSYS模擬計算可得出任意時刻的溫度分布圖，圖4～圖6分別為焊接過程中0.005 s、0.025 s、0.05 s時的溫度場。由圖4、圖5可知，熱源移動速度很快，瞬間形成準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場。由圖5、圖6可知，焊接熔池的形狀類似為扁圓柱狀，與采用的線性熱源模型相符合，在熱源移動方向被拉成扁平狀，在管子厚度方向呈柱狀。熱源中心溫度很高，等溫線密集，離熱源中心較遠(yuǎn)處等溫線稀疏。

同一圓周線上不同節(jié)點的熱循環(huán)曲線如圖7所示，A節(jié)點位于焊縫，B節(jié)點位于熱影響區(qū)，C節(jié)點與焊縫夾角45°，D節(jié)點與焊縫夾角90°。由圖7可知，焊縫處的溫度最高，達(dá)到441℃，熱影響區(qū)次之，與焊縫距離越遠(yuǎn)溫度越低。焊接時各點的溫度先上升后下降，并且升溫快降溫慢，與焊縫距離越遠(yuǎn)溫度變化速度越慢，最后各點溫度趨于參考溫度。

圖4 0.005 s時的溫度場Fig.4Grid Partition Model

圖5 0.025 s時的溫度場Fig.50.025 s temperature field

圖6 0.05 s時的溫度場Fig.60.05 s temperature field

圖7 A、B、C、D節(jié)點的熱循環(huán)曲線Fig.7Thermal cycle curves of A、B、C、D node

5 結(jié)論

（1）建立高頻焊管溫度場有限元模型，考慮對流和相變因素，采用線熱源模型并以熱流密度的形式加載，熱源的移動通過加載函數(shù)來實現(xiàn)。分析不同時間段的焊管溫度分布，發(fā)現(xiàn)高頻感應(yīng)焊接過程形成準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場的時間極短，并且熱影響區(qū)很窄。

（2）焊接時溫度先急劇升高然后緩慢下降，最后趨于參考溫度，這個過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力會影響焊接質(zhì)量，該研究對進一步分析高頻焊管的應(yīng)力應(yīng)變具有參考價值。

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Simulation of temperature field in high frequency induction welding process of composite aluminum alloy thin-walled tube

LIU Xiaodong，WANG Zhiwei，CHEN Hong，PAN Lianlian
（Hubei Provincial Key Laboratory of Green Materials for Light Industry，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China）

Welding temperature is the main factor that influences the welding quality in high frequency induction welding process of composite aluminum alloy thin-walled tube.The finite element analysis software ANSYS was used to simulate the temperature field. One complete penetration of thin-walled tube and boundary conditions of thermal calculation were taken into account.Then a linear thermal model was used to load and calculate to draw the temperature distribution and thermal cycle curves of welding process. Research results provide the corresponding theoretical basis for further analysis of welding stress and strain.

thin-walled tubes；finite element；temperature field

TG456.9

A

1001－2303（2016）06－0085-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.17

2016-02-12；

2016-03-20

劉小東（1989—），男，湖北隨州人，碩士，主要從事焊接數(shù)值模擬方面的研究工作。