随焊氩气激冷控制铝/钢薄板焊接应力与变形数值模拟

樊 丁, 韩苗苗, 赵金龙, 于晓全, 高溟江

(兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 甘肃 兰州 730050)

为了满足汽车行业轻量化、高强度以及节能减排的发展需求，复合结构件的应用越来越广泛[1-2].铝/钢异种金属复合结构因兼备质量轻、强度高、抗腐蚀性能好等优势，受到研究者的广泛关注[3-4].但由于铝合金与钢的线膨胀系数、强度等力学性能具有较大差异，导致焊件存在较大残余应力和变形[5].随焊激冷技术通过在焊接过程中进行局部冷却，调整焊接温度场，控制焊缝和近缝区塑性应变的发展，减小塑性变形的大小和范围，从而达到控制焊接残余应力与变形的目的.相比焊前焊后控制，可以缩短生产周期，提高生产效率，降低劳动成本.

关桥等[6]首次提出动态低应力无变形的焊接方法(DC-LSND),在焊接热源后方跟随激冷装置，对熔池后方尚处于高温的区域进行快速冷却，产生一个动态热拉伸效果，可有效防止铝合金、钛合金、低碳钢以及不锈钢的焊接变形；李菊[7]采用ANSYS数值分析软件，对TC4钛合金薄板随焊激冷焊接进行模拟，研究分析了热源与冷源之间的距离以及冷源冷却强度对随焊激冷技术控制焊接变形效果的影响.Van等[8]采用液态CO2对不锈钢薄板进行随焊激冷，并利用MSC.Marc软件进行了相关模拟.上述研究均是针对同种材料，对于随焊激冷控制铝/钢异种金属薄板焊接残余应力与变形的研究鲜有报道.

本文针对铝/钢异种金属薄板，利用ANSYS有限元分析软件，运用热弹塑性有限元方法，数值计算了常规焊接与随焊激冷焊接的温度场与应力应变场，同时结合相关焊接试验，通过数值模拟分析进行了再分析.

1 有限元模拟方法

1.1 物理模型及工艺参数

图1为铝/钢异种金属随焊激冷熔钎焊示意图，试验系统主要由TIG焊机、自制液氮冷却装置和焊接自动行走小车三部分组成.由液氮冷却装置冷却后的氩气喷射于试板表面，对焊缝未造成不良影响的前提下进行随焊激冷，图中d表示热源与冷源之间的距离.

试验材料为5A06铝合金和ST04Z镀锌钢，试板尺寸分别为150mm×50mm×2mm和150 mm×50 mm×1 mm.经试验最佳工艺参数为：TIG电弧电压为15 V，电流为32 A，焊接速度为180 mm/min，冷却氩气流量为10 L/min，热源与冷源之间距离d为15 mm.整个焊接过程属于铝/钢熔钎焊，为了获得良好的焊接接头，焊接时TIG电弧偏向铝合金试板1.5 mm，冷源喷管同时偏向铝合金试板1.5 mm.

1.2 有限元模型的建立

为了精确地计算试板的焊接残余应力与变形，建立了一个与实际焊接尺寸完全相同的三维有限元计算模型.为兼顾计算精度与效率，将焊缝及其附近高温区域有限元网格划分成较为稠密，远离焊接区域划分成较为稀疏，模型共9 300个单元，12 986个节点.在热弹塑性有限元分析中，采用间接耦合的方法进行计算，温度场分析采用热单元Solid70，应力场分析采用结构单元Solid45.在应力场计算时，根据实际焊接过程对模型进行拘束.同时为了避免在模拟过程中试板发生刚性移动或扭转，并展现出试板的真实焊后变形，约束试板3个角点的6个自由度，如图2所示.

1.3 TIG电弧热源模型

试验焊接方法为TIG焊，采用双椭球热源模型模拟TIG电弧加热作用，如图3所示.采用不同的表达式来表示前半部分和后半部分的热流密度分布.

前半部分热源热流密度分布函数：

(1)

后半部分热源热流密度分布函数：

(2)

式中：Q=ηUI，η为热源效率(0.7)；U为焊接电压；I为焊接电流；af、ar、b和c为双椭球形状参数，分别为3、6、4、2 mm；f1、f2为前、后椭球热量分布函数，f1+f2=2.

1.4 冷源模型

冷源冷却作用通过在局部施加强对流换热系数来实现，对流换热系数[9]可近似处理为

(3)

式中：T为室温(20 ℃);Tc为冷却氩气出口温度(-20 ℃).由于试验及模拟时，冷源大部分作用于铝合金试板上，所以此处采用5A06铝合金物性参数来近似计算对流换热系数.δ为试板的厚度(2 mm)，ρ为材料的密度(2 700 kg/m3)，Cp为比热容(1 007 J·kg-1·K-1)，∂T/∂t为冷却速率(32.5 ℃/s)，近似取冷源中心对流换热系数为4 500 W/(m2·℃).

1.5 材料的性能参数

计算时考虑了材料的热物理性能和力学性能随温度变化的特性，材料部分物性参数如图4a和图4b[10]所示，由于整个焊接过程属于铝/钢熔钎焊，焊缝金属和5A06铝合金的热物理性能差别很小，故视为与其热物性参数相同.高温物性参数由低温数值外推获得.

2 结果及分析

2.1 温度场模拟与分析

图5为焊接时间25 s时，常规焊接和随焊激冷焊接试板表面温度场分布情况，可见形成了准稳态温度场.由于铝合金和镀锌钢的热物理性能存在较大差异，前者的热导率约为后者的3倍，使得铝合金侧的热扩散大于镀锌钢侧，存在较大面积的高温区.对比两种焊接工艺，可以很明显地看出，对于常规焊接，熔池区域大，温度较高，属于一个高度集中的瞬态热输入过程，其加热与冷却过程是极不均匀而且远离平衡状态，容易产生较大残余应力与焊接变形.而随焊激冷工艺在热源后方喷射低温氩气，使得熔池后方仍处于高温的金属急剧冷却，对熔池与冷源作用区域之间的金属产生强烈的拉伸作用，很大程度上补偿了已产生的压缩塑性应变，使得塑性应变减小.

在镀锌钢侧距离焊缝中心位置为10 mm(记为A点)和15 mm(记为B点)处分别进行热循环曲线采集.常规焊接和随焊激冷焊接实测与模拟的热循环曲线对比如图6所示.可看出在整个焊接过程中温度场的模拟值与实测值吻合较好，为后续的应力及变形分析打下了基础.

2.2 焊接应力场模拟与分析

通过计算得到常规焊接和随焊激冷焊接两种工艺下的纵向残余应力与横向残余应力分布，如图7、图8所示.对比可以看出，两种焊接工艺下纵向残余应力和横向残余应力分布趋势基本一致.对于纵向残余应力，拘束释放后，焊缝中心及其附近区域表现为拉应力，为保持平衡，在钢侧表现为大范围的压应力.但相较于常规焊接，随焊激冷焊接整体纵向残余应力大大减小，纵向残余应力峰值由146 MPa下降为98 MPa，减少了32.8%，焊缝处呈现明显的“双峰”分布.对于横向残余应力，由于横向温差较小，不足以使已产生的压缩塑性变形大幅度降低，随焊激冷工艺使横向残余应力整体略微减少.

采用小孔法测得试板中截面(z=75 mm)纵向残余应力和横向残余应力，试验与模拟结果对比如图9、图10所示.可以看出，曲线趋势大体相似，纵向残余应力与横向残余应力的模拟值与试验值均吻合较好.

2.3 焊接应变场模拟与分析

边界拘束释放后得到焊后残余变形模拟结果，如图11所示.常规焊接与随焊激冷焊接变形趋势基本一致，为明显的面外变形，长度方向下凹，宽度方向上凸，试板整体呈现马鞍状变形.但相较于常规焊接，随焊激冷焊接变形量整体减小，变形量峰值由5.4 mm下降为2.8 mm，降低了48.1%.

3 结论

1) 建立了TIG电弧热源与氩气冷源模型，将数值模拟结果与实测结果进行对比分析，结果显示两者吻合较好，验证了模型的准确性.

2) 相较于常规焊接，随焊氩气激冷技术显著降低了铝/钢异种金属薄板焊接纵向残余应力和变形，分别减少了32.8%和48.1%，表明该方法可有效控制铝/钢薄板焊接残余应力与变形.