CN112355462A - 基于ansys的铝合金焊接温度场预测方法 - Google Patents

基于ansys的铝合金焊接温度场预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明的基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，包括以下步骤，定义单元类型及焊件属性；在ANSYS中进行建模并划分网格；确定焊接工艺参数及热源模型；添加热对流边界条件，施加焊接移动热源，分析计算焊件温度场，通过热源模型施加热源载荷并求解温度场分布；绘制焊件上某点的热循环曲线。本发明是通过建立合适的热源模型来提供一种基于ANSYS的中厚板铝合金搅拌摩擦焊温度场预测方法，以解决现有技术中温度场分析成本高而效率和准确度欠缺的问题。

Description

基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法
技术领域
本发明属于一种温度场预测方法，尤其涉及基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法。
背景技术
目前，搅拌摩擦焊已广泛应用于中厚板铝合金焊接，包括航空航天、车辆、船舶等行业。搅拌摩擦焊是通过搅拌针高速旋转与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，搅拌头沿焊接界面向前移动，塑性状态的材料从搅拌针前部流向后部，并在锻压力作用下形成致密焊缝。这是一项绿色环保、可靠的固相连接技术，被誉为21世纪革命性的新型焊接技术。它能有效避免铝合金、铜合金等金属采用传统熔焊方法出现的气孔、飞溅、接头软化现象严重、变形大等技术难题。
目前，关于铝合金中厚板搅拌摩擦焊的焊接研究主要集中在工艺参数探索阶段，且中厚板焊接工艺参数可调范围较窄，实际应用中难以选取合适的工艺参数。而搅拌摩擦焊过程中存在热输入、热对流等因素，输入到焊件上的热量及分布等现象直接影响着焊接质量，尤其是厚板搅拌摩擦焊的焊缝内部易因温度梯度增大、受热不均而形成疏松缺陷，降低接头性能。使用试验法分析中厚板的焊接温度场须经复杂测试，试验会造成时间人力等成本的增加，因此难以普及。另外，中厚板搅拌摩擦焊由于搅拌作用非常强烈，焊接热过程的复杂性高，热源具有局部集中性、瞬时性、运动性，现有的摩擦生热模型未考虑材料塑性变形潜热和搅拌针、轴肩形貌对产热量的影响，准确度不足，因此存在难以选择合适的准确度高的热源模型的问题。
中国专利201310624243.8公开了一种基于ANSYS的管线钢焊接温度场预测方法，中国专利201310620539.2提出了一种基于ANSYS的管线钢焊接残余应力预测方法及中国专利201510205021.1说明了一种基于ANSYS的双相不锈钢与异种钢焊接变形预测方法。上述现有技术都是针对管线钢及双相不锈钢与异种钢的一般熔化焊焊接工艺进行预测的，但未解决中厚板铝合金搅拌摩擦焊温度场的预测问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，包括以下步骤，定义单元类型及焊件属性；在ANSYS中进行建模并划分网格；确定焊接工艺参数及热源模型；添加热对流边界条件，施加焊接移动热源，分析计算焊件温度场，通过热源模型施加热源载荷并求解温度场分布；绘制焊件上某点的热循环曲线。相比现有技术，本发明的综合考虑了搅拌针、轴肩不同参数对产热的影响，可通过热源模型对比不同参数下的数值模拟结果确定中厚板铝合金搅拌摩擦焊的最佳焊接工艺参数，可选择焊件中任意点分析温度变化情况，无需进行大量的工艺测试，还可通过观察温度梯度判断焊接缺陷的可能发生位置，从而及时采取一定后续处理措施改善板厚方向温度分布的均匀性，最终提高实际生产中的焊接质量和工作效率。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，包括以下步骤，
步骤一：定义焊件为O态7075铝合金，定义单元类型及焊件属性；
步骤二：在ANSYS中进行建模并划分网格；
步骤三：确定搅拌摩擦焊的焊接工艺参数及热源模型；
步骤四：添加热对流边界条件，施加焊接移动热源，通过热源模型施加热源载荷并求解温度场分布；
步骤五：可视化形式展示焊件某点的温度随时间变化情况。
进一步地，所述单元类型为热分析单元SOLID70，所述焊件属性包括：温度T，导热系数λ、比热容C、密度ρ、弹性模量E、换热系数β。
进一步地，所述步骤二中建立的模型的母材区域网格单元尺寸与焊缝及热影响区处的网格单元尺寸比值不小于2。
进一步地，所述焊接工艺参数包括焊接速度以及搅拌针旋转速度。
进一步地，所述热源模型为：
Figure BDA0002701601610000031
其中，Q1为搅拌头轴肩与母材金属的摩擦产热量、Q2为搅拌针侧面与母材金属的摩擦产热量、Q3搅拌针端面与母材金属的摩擦产热量、Rp为搅拌头轴肩半径、Rs为搅拌针的半径、α为轴肩内凹面与其边缘平面夹角、τshear为搅拌头上的摩擦剪切力；ω为搅拌头的角速度；k为轴肩形貌系数。
进一步地，对于非圆柱的复杂形貌搅拌针，所述Q2的计算公式改为：
Q2＝β2·τ1·rω·cosθ＝β2·[δτy+(1-δ)μfp0sinξ]·rω·cosθ
其中，β2为摩擦界面上的热转换效率；τy为屈服剪切应力；p0为搅拌头的正压力；ξ为搅拌针锥度；δ为滑移系数；μf为摩擦系数；θ为搅拌头速度与界面的夹角。
进一步地，所述施加焊接移动热源的方法为：沿焊接方向将焊缝长度等分为N段，在各段的后点依次加载热源焊缝长度/焊接速度的时间，当下一个点加载开始时，消除上一点所加的热流密度和体积热，上一次加载所得的温度场为下一次加载的初始条件；每次加载为一个载荷步，如此依次在各点进行短时瞬态分析，实现对焊接瞬态温度场的全程模拟。
进一步地，施加所述焊接移动热源的相关参数包括：焊接预热时间、焊接时间、冷却时间以及步长。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，包括以下步骤，定义单元类型及焊件属性；在ANSYS中进行建模并划分网格；确定焊接工艺参数及热源模型；添加热对流边界条件，施加焊接移动热源，分析计算焊件温度场，通过热源模型施加热源载荷并求解温度场分布；绘制焊件上某点的热循环曲线。相比现有技术，本发明的综合考虑了搅拌针、轴肩不同参数对产热的影响，可通过热源模型对比不同参数下的数值模拟结果确定中厚板铝合金搅拌摩擦焊的最佳焊接工艺参数，可选择焊件中任意点分析温度变化情况，无需进行大量的工艺测试，还可通过观察温度梯度判断焊接缺陷的可能发生位置，从而及时采取一定后续处理措施改善板厚方向温度分布的均匀性，最终提高实际生产中的焊接质量和工作效率。
附图说明
图1是本发明基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法的工艺流程图；
图2是本发明实施例1、实施例2焊件的有限元模型图；
图3是本发明实施例1第234s时的焊接温度场云图；
图4是本发明实施例1焊接后冷却100s时的温度场云图；
图5是本发明实施例1焊缝中部一点的热循环曲线图；
图6是本发明实施例2第216.5s时的焊接温度场云图；
图7是本发明实施例2焊接后冷却100s时的温度场云图；
图8是本发明实施例2焊缝中部一点的热循环曲线图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
本实施例一基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法的工艺流程图1，包括以下步骤：
步骤一：定义单元类型及材料属性，其中单元类型为热分析单元SOLID70，材料为O态7075铝合金(O态是铝板的一种状态，是工厂经过退火过后的产品)，确定所述焊件的热物理参数可用的方法为相似相近法、插值法及外推法。部分热物理性能参数如表1。
表1、O态7075铝合金的部分热物理性能参数
温度T(℃) 20 100 200 300 400 490
导热系数λ(W/m·℃) 120 128 138 146 153 159
比热容C(J/kg·℃) 860 900 940 980 1025 1040
密度ρ(kg/m<sup>3</sup>) 2810 2797 2775 2753 2728 2717
弹性模量E(MPa) 71.3 68.3 64.1 60.1 56.3 52.6
步骤二：在ANSYS中建立焊件的有限元模型并划分网格，如图2所示,本实施例中焊件厚度为20mm，平均网格尺寸为1mm，先对线按比例划分后再扫掠，离焊缝越远网格尺寸越大，远离焊缝的母材区域网格单元尺寸与焊缝及热影响区处的网格单元尺寸比值不小于2，各区均匀过渡。在焊件模型对称的情况下，为减少计算时间，可选择半板进行焊接温度场分析。
步骤三：确定焊接工艺参数及热源模型，本实施例中焊接速度(搅拌针移动速度)为37.5mm/min，搅拌针旋转速度为800r/min，热源模型为
Figure BDA0002701601610000061
其中，Q1为搅拌头轴肩与母材金属的摩擦产热量、Q2为搅拌针侧面与母材金属的摩擦产热量、Q3搅拌针端面与母材金属的摩擦产热量、Rp为搅拌头轴肩半径、Rs为搅拌针的半径、α为轴肩内凹面与其边缘平面夹角、τshear为搅拌头上的摩擦剪切力；ω为搅拌头的角速度；k为轴肩形貌系数。
对于非圆柱的复杂形貌搅拌针，所述Q2的计算公式改为：
Q2＝β2·τ1·rω·cosθ＝β2·[δτy+(1-δ)μfp0sinξ]·rω·cosθ
其中，β2为摩擦界面上的热转换效率；τy为屈服剪切应力；p0为搅拌头的正压力；ξ为搅拌针锥度；δ为滑移系数；μf为摩擦系数；θ为搅拌头速度与界面的夹角。
步骤四：分析计算温度场，焊接预热时间为6s，焊接时间为384s，冷却时间为100s，步长为0.3125mm。沿焊接方向将焊缝长度等分为N段，在各段的后点依次加载热源(焊缝长度/焊接速度)的时间，当下一个点加载开始时，消除上一点所加的热流密度和体积热，上一次加载所得的温度场为下一次加载的初始条件；每次加载为一个载荷步，如此依次在各点进行短时瞬态分析，实现对焊接瞬态温度场的全程模拟。其中热对流边界条件为设置焊件靠近焊缝一侧，以搅拌头轴肩半径的矩形部分均为绝热部分，其余部分均为对流换热部分。计算后得到的不同时间的焊接温度场云图，焊接温度场云图为焊件在某个时间点的温度分布图，如图3(焊接时温度场)、图4(冷却后温度场)所示，其中底部色条表示不同温度范围。
步骤五：可视化形式展示焊件某点的温度随时间变化情况，其中展示焊件某点的温度随时间变化情况有多种，本实施中采用绘制焊件上某点的热循环曲线的方式，如图5所示为焊缝中部某点的热循环曲线。
表2为利用本发明实施例1的方法来预测中厚板铝合金搅拌摩擦焊温度场的结果，实际测量结果与数值模拟结果如下所示：
项目 实际工艺试验结果 数值模拟结果
焊核区温度范围/℃ 418—461 418—468
焊核中部直径/mm 14.4 14.1
从表2和图3中可以得知，该数值模拟模型结果基本与实际情况吻合，利用该焊接数值模拟模型可以很好地预测出中厚板铝合金搅拌摩擦焊的温度场，且具备一定准确度与可靠性。
相比现有技术，本发明的基于ANSYS的中厚板铝合金搅拌摩擦焊温度场预测方法建立的热源模型综合考虑了搅拌针、轴肩不同参数对产热的影响，可通过热源模型对比不同参数下的数值模拟结果确定中厚板铝合金搅拌摩擦焊的最佳焊接工艺参数，可选择焊件中任意点分析温度变化情况，不需要进行大量的工艺测试，还可通过观察温度梯度判断焊接缺陷的可能发生位置，从而及时采取一定后续处理措施改善板厚方向温度分布的均匀性，最终提高实际生产中的焊接质量和工作效率，因此本发明实现了低成本高效率高准确度的针对中厚板铝合金搅拌摩擦焊温度场的分析预测。
本实施例二基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法的工艺流程图1，包括以下步骤：
步骤一：定义单元类型及材料属性，单元类型为热分析单元SOLID70，材料为O态7075铝合金，部分热物理性能参数如表1。
表1、O态7075铝合金的部分热物理性能参数
温度T(℃) 20 100 200 300 400 490
导热系数λ(W/m·℃) 120 128 138 146 153 159
比热容C(J/kg·℃) 860 900 940 980 1025 1040
密度ρ(kg/m<sup>3</sup>) 2810 2797 2775 2753 2728 2717
弹性模量E(MPa) 71.3 68.3 64.1 60.1 56.3 52.6
步骤二：建立焊件的有限元模型并划分网格，如图2所示，焊件厚度为20mm，平均网格尺寸为1mm，先对线按比例划分后再扫掠，离焊缝越远网格尺寸越大，远离焊缝的母材区域网格单元尺寸与焊缝及热影响区处的网格单元尺寸比值不小于2，各区均匀过渡。在焊件模型对称的情况下，为减少计算时间，可选择半板进行焊接温度场分析。
步骤三：确定焊接工艺参数及热源模型，本实施例中焊接速度为47.5mm/min，搅拌针旋转速度为800r/min，热源模型为
Figure BDA0002701601610000081
其中，Q1为搅拌头轴肩与母材金属的摩擦产热量、Q2为搅拌针侧面与母材金属的摩擦产热量、Q3搅拌针端面与母材金属的摩擦产热量、Rp为搅拌头轴肩半径、Rs为搅拌针的半径、α为轴肩内凹面与其边缘平面夹角、τshear为搅拌头上的摩擦剪切力；ω为搅拌头的角速度；k为轴肩形貌系数。
对于非圆柱的复杂形貌搅拌针，所述Q2的计算公式改为：
Q2＝β2·τ1·rω·cosθ＝β2·[δτy+(1-δ)μfp0sinξ]·rω·cosθ
其中，β2为摩擦界面上的热转换效率；τy为屈服剪切应力；p0为搅拌头的正压力；ξ为搅拌针锥度；δ为滑移系数；μf为摩擦系数；θ为搅拌头速度与界面的夹角。
步骤四：分析计算温度场，焊接预热时间为6s，焊接时间为303s，冷却时间为100s，步长为0.396mm。同样的热对流边界条件为设置焊件靠近焊缝一侧，以搅拌头轴肩半径的矩形部分均为绝热部分，其余部分均为对流换热部分。通过更改焊接速度、焊接时间和步长等多个数据后，计算后得到的不同时间的焊接温度场云图如图6、图7所示。
步骤五：可视化形式展示焊件某点的温度随时间变化情况，其中展示焊件某点的温度随时间变化情况有多种，本实施中采用绘制焊件上某点的热循环曲线的方式，如图8所示为焊缝中部某点的热循环曲线。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (8)

1.基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：定义焊件为O态7075铝合金，定义单元类型及焊件属性；
步骤二：在ANSYS中进行建模并划分网格；
步骤三：确定搅拌摩擦焊的焊接工艺参数及热源模型；
步骤四：添加热对流边界条件，施加焊接移动热源，通过热源模型施加热源载荷并求解温度场分布；
步骤五：可视化形式展示焊件某点的温度随时间变化情况。
2.如权利要求1所述的基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，其特征在于：所述单元类型为热分析单元SOLID70，所述焊件属性包括：温度T，导热系数λ、比热容C、密度ρ、弹性模量E、换热系数β。
3.如权利要求1所述的基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，其特征在于：所述步骤二中建立的模型的母材区域网格单元尺寸与焊缝及热影响区处的网格单元尺寸比值不小于2。
4.如权利要求1所述的基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，其特征在于：所述焊接工艺参数包括焊接速度以及搅拌针旋转速度。
5.如权利要求1所述的基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，其特征在于：所述热源模型为：
Figure FDA0002701601600000011
其中，Q1为搅拌头轴肩与母材金属的摩擦产热量、Q2为搅拌针侧面与母材金属的摩擦产热量、Q3搅拌针端面与母材金属的摩擦产热量、Rp为搅拌头轴肩半径、Rs为搅拌针的半径、α为轴肩内凹面与其边缘平面夹角、τshear为搅拌头上的摩擦剪切力；ω为搅拌头的角速度；k为轴肩形貌系数。
6.如权利要求5所述的基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，其特征在于：对于非圆柱的复杂形貌搅拌针，所述Q2的计算公式改为：
Q2＝β2·τ1·rω·cosθ＝β2·[δτy+(1-δ)μfp0sinξ]·rω·cosθ
其中，β2为摩擦界面上的热转换效率；τy为屈服剪切应力；p0为搅拌头的正压力；ξ为搅拌针锥度；δ为滑移系数；μf为摩擦系数；θ为搅拌头速度与界面的夹角。
7.如权利要求1所述的基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，其特征在于：所述施加焊接移动热源的方法为：沿焊接方向将焊缝长度等分为N段，在各段的后点依次加载热源焊缝长度/焊接速度的时间，当下一个点加载开始时，消除上一点所加的热流密度和体积热，上一次加载所得的温度场为下一次加载的初始条件；每次加载为一个载荷步，如此依次在各点进行短时瞬态分析，实现对焊接瞬态温度场的全程模拟。
8.如权利要求1所述的基于ANSYS的铝合金焊接温度场预测方法，其特征在于：施加所述焊接移动热源的相关参数包括：焊接预热时间、焊接时间、冷却时间以及步长。
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