基于热场的铝合金电子束焊缝余高数值模拟

第３７卷第２期２０１６年２月

焊 接 学 报

ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＦＴＨＥＣＨＩＮＡＷＥＬＤＩＮＧＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮ

Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１６

收稿日期：２０１４－０６－１９

基于热场的铝合金电子束焊缝余高数值模拟

刘成财， 马丽翠， 何景山

（哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 １５０００１）

摘 要：文中基于熔池凝固收缩和补缩理论开发了临界固相率与Ｎｉｙａｍａ判据相结合的余高判据式程序，并采用它对２０ｍｍ厚２２１９高强铝合金未熔透电子束焊焊缝余高产生原因进行了模拟探索和试验验证．结果表明，焊缝的中上部区域存在有大量凝固阶段未收缩的疏松间隙，这些间隙体积的存在导致了焊缝表面余高的形成．通过计算和与试验件对比可知，模拟得到的余高尺寸和焊缝体积膨胀率误差分别在１１％和２３．６７％左右，可见采用余高判据式程序能够对焊缝余高的产生进行合理地数值预测．

关键词：余高判据式；未熔透电子束焊；凝固收缩；数值预测

中图分类号：ＴＧ４５６．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３－３６０Ｘ（２０１６）０２－０１１１－０４

０ 序 言

随着现代工业尤其是高精尖技术领域的飞速发展，对工程材料的焊接质量提出了越来越高的要求．电子束焊接工艺作为高能束焊接技术的一种，凭借

其自身优势展现了极为广阔的应用前景［１］

．

在实际生产中发现，未熔透电子束焊件都会有焊缝余高产生，这种现象是普遍存在的，在铝合金焊接中表现得尤为明显．由于电子束焊接时一般不采

用填丝方式［２－４］

，同时还存在有大量合金元素的蒸

发和烧损［５］

，因此可推断余高的产生主要来自焊缝金属的体积膨胀．由于体积膨胀与焊缝组织疏松状态和内部缺陷直接相关，因此电子束焊缝的余高能够直接反映焊缝内部的成形质量．由此可见，掌握电子束焊焊缝余高的形成机制对提高其焊接接头力学性能是十分重要的．另一方面，热场数值模拟技术在电子束焊接领域的应用还主要集中在温度场和

应力场［６，７］

，针对焊缝余高形成情况进行数值模拟方面的研究则未见报道．

文中以ＡＮＳＹＳ有限元软件为平台，数值研究了２０ｍｍ厚的２２１９高强铝合金板的未熔透条件下的电子束焊接温度场，并结合枝晶间液态金属收缩和

补缩理论［８］

，建立计算焊缝余高的判据式，并基于该判据式对余高进行了数值计算，从熔池凝固收缩角度对余高产生原因进行描述．对有效控制电子束焊缝表面成形具有重要的指导意义；最后文中通过试验对预测判据加以验证．

１ 有限元模型的建立

1．1 2219铝合金热物理性能参数

温度场数值模拟所需的带有内热源的纯导热微分方程为ρc －L

抄f Ｓ抄T 抄T 抄t

＝λ

抄抄x 抄T 抄x ＋抄抄y 抄T 抄y ＋抄抄z 抄T

抄z （１）

式中：ρ为密度；c 为比热容；L 为潜热；f Ｓ为固相率；λ为热导率．由此可见，２２１９铝合金电子束焊热分析中需要热导率、比热、密度以及热焓等参数．通过查阅手册以及应用ｐｒｏｃａｓｔ模拟软件相关热物性参数数据库进行计算，较为准确地给出了不同温度下的材料热物性参数值，如表１所示．

表1 铝合金热物理性能参数

Table 1 Aluminum alloy thermophysical parameters

温度T ／℃密度ρ／（ｋｇ·ｍ

－３

）热传导λ／（Ｗ·ｍ－１·℃－１）比热容c ／（Ｊ·ｋｇ－１·℃－１）

焓h ／（Ｊ·ｋｇ－１）

２０～６４３２７００２０２８７１０＞６４３

２４００

３００

１０６０

３８７０００

1．2 有限元网格划分

文中基于ＡＮＳＹＳ有限元软件平台，建立了尺寸为１００ｍｍ×３０ｍｍ×２０ｍｍ的几何模型．考虑到模型的对称性，取其一半进行建模并进行网格划分，如图１所示．划分单元类型选用ｓｏｌｉｄ７０３-Ｄ实体热单元和ｓｕｒｆ１５２３-Ｄ表面热效应单元，以实现后续对模型边界条件和热源载荷的同时加载．模型最终划分