CN112883623A - 一种Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法 - Google Patents

一种Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Fe‑36%Ni合金PMIG摆动焊热‑机械耦合有限元建模方法,构建了用于分析Fe‑36%Ni合金厚板温度场与应力应变场的热‑机械耦合模型。建模过程包括构建几何模型,划分网格,建立点集及单元集、材料模型、热‑机械有限元模型。通过合理设定焊接工艺参数、摆动路径及焊接顺序,利用相关有限元分析软件求解计算建立的耦合模型,施加模拟脉冲电弧焊的热边界条件,设置符合实际工艺的摆动焊接路径,得到对应焊接工艺参数下的Fe‑36%Ni合金温度场、应力场分布及变形情况,从而指导并优化焊接工艺。

Description

一种Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法
技术领域
本发明针对大型Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模技术领域,具体指代一种Fe-36%Ni合金厚板多层单道PMIG摆动焊温度场及变形模拟方法。
背景技术
Fe-36%Ni合金即Invar钢,又称殷钢,是一种低膨胀精密合金,在电子等行业得到了相当广泛的应用,并展现出其优异的性能,由于Fe-36%Ni合金与复合材料的热膨胀系数吻合度较高,Fe-36%Ni合金用于复合材料模具制造,能够克服因碳钢、铝合金等传统模具材料与复合材料热膨胀系数相差较大而带来的尺寸精度差、稳定性不良等问题。
大型Fe-36%Ni合金模具很难一次成形,通常采用焊接结构,主要采用的传统焊接方法包括手工电弧焊、埋弧焊、惰性气体保护焊等均存在一定的不足,例如变形严重、晶粒粗大、熔合不良、工艺繁琐等,严重影响模具的焊接成形质量及生产效率。PMIG摆动焊接是指采用脉冲MIG电弧,同时将传统厚板多层多道焊接中的贯通焊接路径改为摆动焊接路径。该焊接方法能够增加焊缝熔深,有效改善Fe-36%Ni合金层间熔合;净化熔池杂质,提高接头力学性能;多层单道填充成形,提高焊接效率。然而,将PMIG摆动焊接工艺应用于Fe-36%Ni合金模具的实际生产,还有赖于反复的工艺参数探索及优化实验,费时费力,且成本高昂。
采用数值模拟技术对焊接工艺进行数值模拟,通过合理设计工艺参数,获取关键焊接结果参数,能够科学、有效地指导Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊接工艺参数的探索与优化。
发明内容
针对于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法,以解决现有技术中PMIG摆动焊接工艺应用于Invar钢模具的实生产,依赖于反复的工艺参数探索及优化实验,费时费力,且成本高昂等问题。
为达到上述目的,本发明的一种Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法,包括步骤如下:
步骤1:根据构件的实际几何形状建立相应的三维几何模型,根据实际焊接层数和道数,采用粗细网格过渡的方式进行网格划分,并检查网格质量;
步骤2:基于材料性能模拟软件,根据Fe-36%Ni合金的化学成分,建立随温度线性变化的材料模型,包括密度、泊松比、热导率、比热容、热膨胀系数、屈服强度、杨氏模量等;
步骤3:基于热弹塑性法建立Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元模型,包括热过程计算时需要的能量守恒方程,和应力/变形计算时需要的应力-应变本构方程;
步骤4:在有限元计算软件中求解上述控制方程,施加脉冲电弧焊的热边界条件,定义多层多道摆动焊接路径,进行Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合建模与计算。
步骤5:分析温度场、焊接变形及残余应力计算结果,确定是否满足工艺要求,否则,通过改变焊接工艺参数、调整焊接热源摆动路径等方法重新求解计算,得出最优工艺方案。
进一步地,步骤2中完成网格模型建立后,为了简化有限元模型建立过程中对网格中特定节点和单元的选取操作,在将网格模型导入有限元模拟软件之前,针对焊接路径、边界条件等设置,建立相应的点集和单元集。
进一步地,步骤4在采用子程序形式加载热流密度边界条件,以模拟焊接能量分布时,根据脉冲周期各时间段内焊接电流、电压及焊接速度的分布,来修正经典双椭球热源模型中的热流密度。
进一步地,PMIG摆动焊接的工艺设定为,打底焊采用直通焊,2~3层填充焊和盖面焊有摆动,摆动路径呈锯齿状,同时,采用对称焊接,相邻焊层的焊接方向相反,以减小焊接变形;在进行摆动路径的定义时,起始点和终止点在焊缝中线上拾取,根据焊缝长度将其等分为3~5段,根据摆幅大小依次交错拾取节点,完成焊接路径设置。
本发明的有益效果:
本发明的Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法,针对Fe-36%Ni合金厚板多层PMIG摆动焊接过程,建立了Fe-36%Ni合金厚板温度场及应力应变场的三维耦合模型,综合考虑摆动路径对焊接过程的影响,通过对热边界条件及机械边界条件的加载求解,获得最为优化的焊接工艺。
从模拟仿真的角度出发,为Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊的工艺优化提供了新的思路,通过对焊接温度场及应力场的模拟仿真,可以大幅度降低试验成本,提高生产效率,获得更为优化的焊接工艺,对Fe-36%Ni合金复材模具焊接工艺的发展提供了一条十分便捷高效的通道。
附图说明
图1绘示本发明方法的步骤流程图;
图2为利用计算机三维建模软件建立的Fe-36%Ni合金厚板三维几何模型图;
图3为图2的A部放大图;
图4为焊接前Fe-36%Ni合金厚板的预变形示意图;
图5为图4的局部放大图;
图6为Fe-36%Ni合金厚板三维几何模型的网格造型图;
图7为图6的A部放大图;
图8为图6的B部放大图;
图9为焊接热源的摆动路径示意图;
图10为Fe-36%Ni合金厚板焊后各位置的变形分布情况及总体变形情况示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解,下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明,实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1所示,本发明的一种Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法,包括步骤如下:
根据Fe-36%Ni合金厚板的几何形状建立相应的三维几何模型;具体地,在计算机辅助设计软件中进行建模时,需要考虑板材的预变形,要在这一步设计好所需要的预变形角度,其次,Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊是一种多层焊接方法,故在这一步综合考虑坡口及焊层的分布。
对上述建立的三维几何模型进行网格划分,完成有限元模型的建立,具体地,网格的划分关系到求解计算的精度与效率,网格划分越密,尺寸越小,计算精度越高,但由于单元节点数量增加使得计算效率下降;网格划分越稀疏,尺寸越大,精度降低,计算效率提高,综合考虑,采用疏密网格过渡的方法进行网格划分,即焊缝和靠近焊缝的区域采用尺寸较小的网格划分,远离焊缝的区域采用较大尺寸的网格划分,另外,采用多次网过渡可以进一步提高计算效率;网格划分完成后,应进行网格质量、连续性及重复性检查,检查参数包括最小网格尺寸、最大网格尺寸、网格数、节点数、雅可比值等,并确保网格单元全部为三维实体单元;在将网格模型导入有限元模拟软件之前,为了简化有限元模型建立过程中对网格中特定节点和单元的选取操作,针对焊接路径、边界条件等设置,建立相应的点集和单元集,如焊接路径点集、热影响区单元集等。
根据Fe-36%Ni合金的化学成分,利用材料性能模拟软件,建立热-机械耦合有限元计算所需的材料参数模型,应包括密度、泊松比、热导率,比热容,热膨胀系数,屈服强度、杨氏模量等参数。
基于热弹塑性法建立Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元模型,包括温度场计算部分和应力应变场计算部分,具体包括热过程计算时需要的能量守恒方程和应力/变形计算时需要的应力-应变本构方程。
在有限元计算软件中求解上述控制方程,通过子程序的形式模拟焊接能量分布,根据脉冲周期各时间段内焊接电流、电压及焊接速度的分布,来修正经典双椭球热源模型中的热流密度。此外,PMIG摆动焊接的工艺设定为,打底焊采用直通焊,2~3层填充焊和盖面焊有摆动,摆动路径呈锯齿状,同时,采用对称焊接,相邻焊层的焊接方向相反,以减小焊接变形;在进行摆动路径的定义时,起始点和终止点在焊缝中线上拾取,根据焊缝长度将其等分为3~5段,根据摆幅大小依次交错拾取节点,完成焊接路径设置。
分析计算结果的合理性,判断是否满足焊接质量的要求,否则,通过改变焊接工艺参数、焊接热源摆动路径、焊接顺序等方法,重新进行上述Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模与计算,通过对比与分析结果,得出最优工艺方案。
下面结合实例说明本发明的具体实施过程,参见图2-图10。
如图2为利用计算机三维建模软件(Solidworks)建立的Fe-36%Ni合金厚板三维几何模型,模型规格为125mm×250mm×19.05mm,坡口角度为30°,如图4为板材预变形情况,预变形角度为2°,焊接层数设计为5层。
如图6为所设计几何模型的网格划分情况,焊缝及焊缝附近网格尺寸较小,单元规格为1mm×1mm×2mm,远离焊缝的区域网格尺寸较大,单元规格为18mm×18mm×27mm,两种网格之间设计了过渡网格以实现过渡,总共进行了两次网格过渡,单元总数为39598,单元类型均为六面体单元。
焊接热源采用根据脉冲波形修正后的双椭球热源,焊接热源在焊接过程中的加载路径如图9所示,实际焊接过程中,焊枪的运动速度可以分解到焊缝方向和垂直于焊缝方向上,在焊缝方向上的运动是匀速直线运动,在垂直于焊缝方向上是来回往复运动,二者共同作用使得焊枪沿着图5所示的轨迹运动,由于V型坡口的缘故,每层焊接时热源的摆动幅度都不相同,越到焊缝表面摆动幅度越大。
通过有限元分析软件求解计算后的温度场及应力变形结果,可以定量地分析进行每层焊接时温度场及应力场分布情况,利用该结果可以获得Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊接过程中的熔池最高温度、熔池尺寸、焊接热影响区的大小等参量,可以更直观地了解焊接过程中焊缝的填充过程以及焊接热源的摆动情况。
图10为焊接结束后,Fe-36%Ni合金厚板各区域的变形程度分布情况,从图6中可以看出,沿着垂直于焊缝的方向,距离焊缝越远的区域变形越严重,由于在建模过程中设计了预变形,使得焊接过程中产生的变形与预变形相互抵消,得到了高质量的焊接结构。
本发明具体应用途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进,这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法,其特征在于,包括步骤如下:
步骤1:根据构件的实际几何形状建立相应的三维几何模型,根据实际焊接层数和道数,采用粗细网格过渡的方式进行网格划分,并检查网格质量;
步骤2:基于材料性能模拟软件,根据Fe-36%Ni合金的化学成分建立随温度非线性变化的材料模型,包括密度、泊松比、热导率、比热容、热膨胀系数、屈服强度、杨氏模量等;
步骤3:基于热弹塑性法建立Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元模型,包括用于温度场计算的能量守恒方程和应力/变形计算的应力-应变本构方程;
步骤4:在有限元计算软件中求解上述控制方程,施加脉冲电弧焊的热边界条件,定义多层多道摆动焊接路径,进行Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合建模与计算;
步骤5:分析温度场、焊接变形及残余应力计算结果,确定是否满足工艺要求,否则,通过改变焊接工艺参数、调整焊接热源摆动路径等方法重新求解计算,得出最优工艺方案。
2.根据权利要求1所述的一种Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法,其特征在于步骤2中完成网格划分后,为简化有限元建模过程中对节点和单元的选取操作,在将网格模型导入有限元模拟软件之前,建立相应的点集和单元集。
3.根据权利要求1所述的一种Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法,其特征在于,在采用子程序形式加载热流密度边界条件,以模拟焊接能量分布时,根据脉冲周期各时间段内焊接电流、电压及焊接速度的分布,来修正经典双椭球热源模型中的热流密度。
4.根据权利要求1所述的一种Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法,其特征在于,PMIG摆动焊接的工艺设定为,打底焊采用直通焊,2~3层填充焊和盖面焊有摆动,摆动路径呈锯齿状,同时,采用对称焊接,相邻焊层的焊接方向相反,以减小焊接变形;在进行摆动路径的定义时,起始点和终止点在焊缝中线上拾取,根据焊缝长度将其等分为3~5段,根据摆幅大小依次交错拾取节点,完成焊接路径设置。
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