【正文】 方法建立了各自的溫度場分析模型。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，基于以上很多科學家提供的有限元理論，很多軟件公司開發(fā)了很多基于有限元數(shù)值模擬的商業(yè)軟件，例如常用的ANSYS，MARC,ADINA等，為焊接過程的有限元數(shù)值模擬分析提供了很好的分析工具。合肥工業(yè)學院材料學院華鵬等人基于SYSWELD建立模型，采用雙橢球熱源模型對平板鋼堆焊的溫度場進行了模擬計算，并用實測結(jié)果進行了驗證[9]。焊件經(jīng)過焊接之后得到的殘余應(yīng)力會嚴重影響制造過程和焊件的使用性能，具體會對以下幾個方面有影響：1. 對構(gòu)件剛度的影響: 殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)剛度的影響程度取決于在受載的界面上受到殘余拉應(yīng)力區(qū)域的面積大小，這部分的面積越大，對結(jié)構(gòu)剛度的影響就越大。5. 對構(gòu)件應(yīng)力腐蝕開裂的影響：相同材料和工作環(huán)境下，應(yīng)力越大越容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。自20世紀70年代以來，科學家提出了考慮材料熱物性參數(shù)和力學性能參數(shù)的焊接熱彈塑性理論，加上計算機技術(shù)的發(fā)展和有限元模擬軟件的廣泛應(yīng)用，從而使復(fù)雜的焊接應(yīng)力應(yīng)變過程的數(shù)值模擬成為可能。焊接過程中材料發(fā)生相變是必須考慮的一個因素。近些年來，上海交通大學聯(lián)合日本大阪大學對焊件的三維應(yīng)力狀態(tài)和變形問題進行了分析，提出了若干改善計算精度和收斂性的方法，發(fā)展了三維焊接分析程序[20][21]。大連理工大學華一品基于SYSWELD平臺考慮了邊界條件和材料熱彈塑性能，分析了殘余應(yīng)力對焊接構(gòu)件承載能力的影響[24]。3） 在其他參數(shù)和工藝不變的情況下，分別對100mm，200mm，400mm，800mm對接焊件的溫度場和應(yīng)力場進行模擬，觀察溫度場和應(yīng)力場達到穩(wěn)定狀態(tài)的臨界條件，研究溫度場和應(yīng)力場的變化規(guī)律，為簡化高速列車鋁合金的數(shù)值模擬提供理論依據(jù)。在物體的離散化過程中，有以下幾點是需要注意的a) 單元類型：根據(jù)實際物理問題選擇合理單元類型，對不同的物體結(jié)構(gòu)以及分析的類型，采用不同單元。d) 結(jié)構(gòu)的簡化：利用結(jié)構(gòu)和載荷的對稱性，對焊件的幾何模型進行合理的簡化，減少部分難控制的因素，減少計算規(guī)模。3) 假定不考慮相變和結(jié)晶潛熱，因為相變和結(jié)晶潛熱的對殘余應(yīng)力的影響相對較小。定義熱擴散率a=λcρ,并引入拉普拉斯算子?2，則上式簡化為 ?T?t=a?2T+1cρ?Qv?t (22)熱擴散率a標志著不穩(wěn)定導(dǎo)熱時溫度均勻化的速度，其單位為cm2/s。l 第三類邊界條件是邊界上物體與周圍介質(zhì)間的熱交換已知，即 λ?T?n=α(TsT0) (25)第一種特殊情況是當表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)α非常大而熱導(dǎo)率λ很小時，即α/λ→ ∞，表面溫度接近于周圍介質(zhì)的溫度，此時相當于等溫邊界條件；第二種特殊情況是當α/λ→0時，通過邊界表面的熱流趨近于零，此時相當于絕熱條件。I為焊接電流。這些參數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗以及試驗結(jié)果確定。應(yīng)力超過屈服極限以后應(yīng)力應(yīng)變曲線成非線性，即應(yīng)力應(yīng)變沒有一一對應(yīng)的關(guān)系，應(yīng)力狀態(tài)不但和應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)，而且還依賴整個應(yīng)變過程。 軟件應(yīng)用SYSWELD軟件包括了熱冶金分析、力學分析和氫擴散，可以完全實現(xiàn)機械、熱傳導(dǎo)和金屬冶金的耦合計算，所以其應(yīng)用十分廣泛，本文基于SYSWELD軟件平臺對高速列車鋁合金的焊接溫度場與應(yīng)力場進行有限元數(shù)值模擬計算，首先需要對該軟件的各個模塊及功能有一個大致了解，然后熟悉需要使用模塊的操作流程和注意事項。對于復(fù)雜的模型，需要先在CAD，Solidworks或者Pre_E等三維建模軟件中畫出零件的3維幾何圖形。計算時間的長短又和計算機配置有相當大的關(guān)系，一般運行如SYSWELD、ANSYS等有限元分析軟件的計算機配置都要求比較高，本論文數(shù)值模擬計算所用的計算機配置是八核處理器、24G內(nèi)存，基本能夠滿足一般有限元模擬運算。圖22 疏密有致的網(wǎng)格模型（4）劃分網(wǎng)格時需要定義相應(yīng)焊接線（WL）、參考線（RL）、開始點（SN），結(jié)束點（EN）、開始單元（SE）、裝夾點等，描述焊接熱源軌跡和裝夾點，為之后設(shè)置焊接向?qū)ё鰷蕚?。本文中，用于高速列車鋁合金焊接的是MIG焊，而MIG的熱源模型經(jīng)過科學家多年的研究和證實是雙橢球熱源模型，所以本節(jié)就以雙橢球熱源模型焊接兩塊尺寸為250mm*90mm*4mm的5083板材對接接頭為例說明熱源調(diào)整的過程和注意事項，型號為5083的鋁合金是高速列車常用的材料。圖24 選擇對接接頭步驟圖25 網(wǎng)格模型建立界面如圖25所示，按順序依次點擊第一個parameters，得到圖26，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，保存后再點擊第二個parameters，得到圖27，同樣設(shè)置相關(guān)參數(shù)保存后，點擊第二個creat mesh，生成一個三維網(wǎng)格模型如圖28所示。圖211 加載函數(shù)數(shù)據(jù)庫4. 焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)熱源在Sysweld中被認為是一個函數(shù)，首先對函數(shù)的參數(shù)給定初始值，然后根據(jù)實際焊接的截面熔池形狀，結(jié)合多次調(diào)試熱源的經(jīng)驗校核。 0,0,0g) ay熱源進入方向是沿著z0軸的反方向，ay是熱源進入方向沿著y0軸旋轉(zhuǎn)的角度，順時針為正。（5） 求解設(shè)置其余參數(shù)，初步求解。如果焊縫成形不是這樣，熔化區(qū)域過寬或者過窄，最高溫度過高或者過低，需要根據(jù)實際情況回去調(diào)整Process里面的參數(shù)(修改方法：點擊Process下面框中的文字，然后修改對應(yīng)的空格，修改后，點擊Add下面的Replace即可替換掉以前的值)，修改后繼續(xù)點擊OK計算，觀察結(jié)果，直到焊縫的熔池及熱處理區(qū)與實際情況向符合為止。其設(shè)置步驟有以下幾步：1. 定義項目名稱（referen）和標題（Title）2. 調(diào)用材料數(shù)據(jù)庫，熱源函數(shù)數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)格模型文件3. 設(shè)置計算模式，供選擇的有二維或者三維，實體或者殼單元，瞬態(tài)或者準穩(wěn)態(tài)等4. 設(shè)置焊件材料性能參數(shù)，其中涉及到焊接構(gòu)件由兩個不同材料組成，加上焊絲的材料也可能不同于兩種材料，除此之外還要選擇材料的熱物性能參數(shù)和機械性能參數(shù)。 熱源調(diào)節(jié)的經(jīng)驗經(jīng)過多次調(diào)節(jié)熱源，本人總結(jié)發(fā)現(xiàn)過程中熱源模型的Process相關(guān)參數(shù)和速度參數(shù)對焊縫形狀影響最大，原因是這些參數(shù)決定了熱源對焊件單位時間單位體積內(nèi)輸入熱量的大小。如圖219和220所示分別是有效功率Power為2000watt和3000watt的焊縫成形，可以發(fā)現(xiàn)當有效功率為2000watt的時候，焊接過程輸入的熱量明顯不足，最高溫度只有595℃，不符合實際要求；當有效功率為3000watt的時候，焊接過程輸入的熱量過大也不符合要求，而如圖215所示，當有效功率為2500的時候可以達到很好的焊縫成形和最高溫度。如有效功率確定為2500watt和焊接速度確定為11mm/s之后，分別改變af 和ar的值，可以得到不同的焊縫成形。表23 af,ar變化而其他參數(shù)不變化參數(shù)af arBcPower(watt)焊接速度v(mm/s)圖221af=7,ar=95250011圖222af=5,ar=75250011圖215af=6,ar=85250011圖221 af=7,ar=9的焊縫 圖222 af=5,ar=7的焊縫第3章 SYSWELD模擬溫度場和應(yīng)力場實驗驗證 鋁合金材料堆焊的熱循環(huán)實驗 實驗簡介本文所做的熱循環(huán)實驗是采用堆焊焊接型號為5083的鋁合金，利用熱電偶測溫的方法測量在焊縫上和在距離焊縫不同距離的點在堆焊過程和冷卻過程中各個時間點的溫度值，生成熱循環(huán)曲線。兩種不同成份的導(dǎo)體兩端接合成回路，一端置于需要測溫度的位置，稱為測量端或者工作端，另一端接入測溫系統(tǒng)軟件，測溫系統(tǒng)軟件中需要每次測試時設(shè)置室溫，以提供補償數(shù)據(jù)。 測量焊件上的幾個典型點的溫度型號為5083，尺寸為250mm*180mm*4mm的鋁合金平板，采用MIG自動焊接設(shè)備對其進行堆焊，保護氣體為高純氬氣，焊接參數(shù)如表31所示表31 實際焊接參數(shù)施焊材料焊接電壓（V）焊接電流(A)焊接速度(mm/min)保護氣體氣體流量(L/min)A508322200450%氬氣15焊接時要采用臨時墊板，來拖住熔化金屬和附近金屬，利用熱電偶測量距離焊縫分別為0mm，3mm，6mm三個點隨著焊接進行的不同時間溫度值，得到熱循環(huán)曲線。圖38為焊縫中心上取的三個距離分別為20mm的點的熱循環(huán)溫度曲線，從圖中可以看出一下幾點：1. 沿焊縫方向的節(jié)點的熱循環(huán)溫度曲線形狀非常相似，過程中，隨著熱源沿焊件勻速移動，每個點的溫度由低到高，達到最大值后又由高到低。圖38 焊縫中心三個點的熱循環(huán)曲線 垂直焊縫方向點的溫度時間變化過程在SYSWELD中用Postprocessing處理之后，可以得到垂直焊縫方向上節(jié)點的溫度時間變化曲線。不同的是：距離焊接中心線越遠的點達到的最高溫度越低，如距離焊縫中心6mm的點所能達到的最高溫只有500℃，證明了MIG焊的熱源確實是高密度熱源，熱源經(jīng)過焊件造成的加熱不均勻確實比較明顯。基本原理：在二維應(yīng)力狀態(tài)的無線平板上，粘貼如圖311所示的電阻應(yīng)變片分別為0176。具體步驟是在離孔中心一定距離出粘貼幾個應(yīng)變片，應(yīng)變片之間保持一定角度，然后鉆孔，測出應(yīng)變片的應(yīng)變增量讀數(shù)。1%，級別A級之前測量熱循環(huán)曲線的焊件冷卻一段時間之后，利用小孔法測典型橫截面上距離焊縫不同距離的點的縱向應(yīng)力，得到表32所示數(shù)據(jù)。在垂直于焊縫方向上取一典型橫截面，分別得到距離焊縫不同距離下的縱向殘余應(yīng)力值，再和實驗測得的應(yīng)力值作比較，如表33所示。經(jīng)查相關(guān)文獻和資料，研究溫度場和應(yīng)力場的變化規(guī)律，本章提出一個可以縮小計算規(guī)模的假設(shè)，即：焊接開始后，隨著熱源沿著長度方向勻速移動，達到一定長度時，焊件中間區(qū)域內(nèi)的溫度場和應(yīng)力場會有一個穩(wěn)定的狀態(tài)，這樣得到的殘余應(yīng)力在焊件中間一定區(qū)域內(nèi)也是有一定規(guī)律的，即本章我們需要驗證假設(shè)的正確性，如果假設(shè)正確，還需確定至少需要焊接多長溫度場和應(yīng)力場才能達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。圖41至44所示分別為100mm,200mm,400mm,800mm典型時間點的溫度分布云圖,典型時間點取的都是溫度場達到穩(wěn)定的時間點。如下四圖除100mm焊件之外，其他長度焊件焊縫各位置的點的最高溫度大致都相似，焊件在0，20mm，40mm，60mm，80mm，100mm處多能達到的最高溫度都為510℃,652℃,698℃，712℃,716℃,718℃，在焊件結(jié)束端所能達到的最高溫度也都相當接近，所以可以如下得出結(jié)論：當焊件達到一定長度之后，熱源勻速移動加熱焊件，焊件所能達到的最高溫度在開始階段上升，當?shù)竭_一定長度時，焊接熱源對焊件輸入的熱量和焊件散失的熱量會處于相對平衡狀態(tài)，溫度保持一定，直到焊接到焊縫端部時焊件中的溫度因為輸入熱量大于散失熱量而迅速上升。圖59至512所示分別為100mm,200mm,400mm,800mm焊件焊接冷卻一段時間后的的縱向殘余應(yīng)力分布圖。圖417 100mm縱向應(yīng)力 圖418 200mm縱向應(yīng)力419 400mm縱向應(yīng)力 圖420 800mm縱向應(yīng)力有由上面分析的縱向殘余應(yīng)力沿著焊縫方向和垂直焊縫方向的變化規(guī)律來看，隨著焊件長度的變化，殘余應(yīng)力還是會遵循這個變化規(guī)律，即:當焊件達到一定長度時，焊縫方向上點在中間區(qū)域的縱向殘余應(yīng)力會達到穩(wěn)定值，不隨焊件長度的變化而變化，而垂直焊縫方向的應(yīng)力在靠近焊縫的區(qū)域表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在焊縫位置稍小，在距離焊縫一定距離的地方有一個或者兩個峰值，并且值的大小維持在120MPa左右，隨著點距離焊縫越遠，拉應(yīng)力值變小，甚至得到壓應(yīng)力值。本文選取的材料是工廠生產(chǎn)過程中選擇的型號為6N01的鋁合金，在側(cè)墻的高度方向兩端分別加了X，Y，Z方向的全約束，如圖52所示紅色部分。圖54 第一條焊縫的穩(wěn)定溫度場圖55 第二條焊縫的穩(wěn)定溫度場如下兩圖是第三種情況：焊接完一條焊縫讓其冷卻一段時間之后在200s時焊接第二條焊縫的溫度場云圖。從以下六圖中，可以大概看出兩道焊縫一起焊接時的能得到的側(cè)墻某個位置的最大縱向應(yīng)力為213MPa，第二種情況下能得到的最大縱向應(yīng)力值為210MPa，而焊完第一條焊縫冷卻一段時間之后再焊接第二條焊縫得到的最大縱向應(yīng)力為200MPa左右，雖然相差只有10多MPa，但是還是能說明一定問題。3. 三個曲線中顯示的應(yīng)力值都相對于云圖中最大值200MPa左右較小，其原因是該曲線是取的表面點的應(yīng)力值，而最大值是在模型中內(nèi)部某個點的應(yīng)力值，所以出現(xiàn)這種情況是正常的，并且平時我們實驗是用小孔法，測量的應(yīng)力是表面以下2mm左右的應(yīng)力，再加上相變應(yīng)力等其他原因?qū)е逻@種結(jié)果。 2. 根據(jù)實際焊接方法和參數(shù)模擬得到的溫度場和應(yīng)力場，和實驗測得的溫度值和應(yīng)力值做比較，發(fā)現(xiàn)兩者溫度場差異基本控制在誤差范圍內(nèi)，應(yīng)力場的變化趨勢也大致相同，所以用SYSWELD模擬該焊接過程的溫度場和應(yīng)力場是可行的，結(jié)果也是相對準確的；3. 本文通過模擬不同長度平板對接焊的溫度場和應(yīng)力場，發(fā)現(xiàn)當焊件長度到達一定長度時，其溫度場和應(yīng)力場都達到一定穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨長度的增長而變化，這為簡化鋁合金高速列車側(cè)墻模型，減少模擬計算的時間提供了強有力的理論依據(jù)；4. 以上面研究成果作為理論依據(jù)，將20m長的鋁合金側(cè)墻縮短至500mm，分同時焊接兩條焊縫，焊完一條后馬上焊接第二條，焊完一條冷卻一段時間后再焊第二條這三種情況進行計算，模擬得到溫度場和應(yīng)力場，結(jié)果顯示兩條焊縫同時焊接得到的溫度值和應(yīng)力值相對較大，而第三種情況的應(yīng)力值較小，其原因應(yīng)是同時焊接時線能量太大，所以建議企業(yè)在生產(chǎn)制造時考慮焊完一條焊縫時讓其冷卻一段時間再焊接第二條焊