【正文】 文獻(xiàn)翻譯 表 TP2 化學(xué)成分表 化學(xué)成分 Cu+Ag O P S Ni Fe Pb 百分含量 ≥ ≤ ～ ≤ ≤ ≤ ≤ 表 0Cr18Ni9 化學(xué)成分表 化學(xué)成分 C Cr P S Ni Mn Si 百分含量 ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ （ 2）焊接特點(diǎn)。 如前文第一章所述， 不銹鋼及紫銅中含有合金元素 (Ni, Si, V) 和雜質(zhì) (O, S, P)， 在焊接過程中易形成各種低熔點(diǎn)共晶體和脆性化合物，嚴(yán)重削弱了金屬在高溫時的晶間結(jié)合力。由于紫銅導(dǎo)熱系數(shù)比不銹鋼大得多 ,需采用大功率熱源，因此熱影響區(qū)寬，使接頭承受較大應(yīng)力，焊縫易產(chǎn)生熱裂紋。近 焊 縫區(qū)不銹鋼 一 側(cè)易產(chǎn)生滲透裂紋，其原因是由液態(tài)銅對鋼有滲透作用和拉應(yīng)力造成的。在紫銅與不銹鋼焊接時，由于碳原子在高溫下的擴(kuò)散能力比 Cr 原子強(qiáng)，使得在不銹鋼母材側(cè)的晶界析出 Cr23C6 沉淀 ， 造成晶間貧 Cr 現(xiàn)象，產(chǎn)生晶間腐蝕和半熔化區(qū)的刀蝕，大大降低了焊接接頭的耐蝕性。另外，在焊縫與銅的母材一側(cè)，由于晶粒粗大，熔池脫氧不足，低熔點(diǎn)共晶 會在粗大柱狀晶端部的交界處析集，從而使焊縫的強(qiáng)度和塑性顯著降低。 因此在焊接不銹鋼與紫銅時，選擇合適的焊接方法和焊接材料就顯得尤為重要。 （ 3）焊接方法。 氬弧焊分為熔化極氬弧焊和非熔化極氬弧焊。根據(jù)前文對鎢極氬弧焊的介紹以及查閱相關(guān)研究論文，本課題選用氬弧焊中常用的鎢極氬弧焊，即 TIG 焊。 （ 4）焊接材料的選擇。 ① 焊絲的選擇。若采用不銹鋼焊絲焊接不銹鋼與紫銅時，當(dāng)焊縫銅含量達(dá)到 一定 數(shù)量時就會產(chǎn)生熱裂紋；若采用銅焊絲，則由于焊縫中溶入了 Ni、 Cr、 Fe 等元素而使焊縫金屬變硬、變脆，或者銅滲入不銹鋼一側(cè)近縫區(qū)的奧氏體晶界，也會使接頭變脆；由于 NiCu 合金具有與紫銅無限同溶、與不銹鋼在結(jié)晶性能方面又較為接近的特點(diǎn)，能夠保證良好的焊縫質(zhì)量，達(dá)到較高的接頭強(qiáng)度和塑性，因此本文選擇 ER NiCu7(Monel400)焊絲作為焊縫填充金屬。 ② 為保證焊接質(zhì)量，選擇了純度為 %的氬氣。 ③ 氬弧焊所用電極材料主要有純鎢、釷鎢和鈰鎢三種。由于純鎢要求焊機(jī)具有較高的空載電壓、在長時間工作中極易燒損以及釷鎢極的粉塵具有放射性，因此本文選擇直徑為 2mm 的鈰鎢極，鈰鎢極無放射性，弧束細(xì)長、電流密度高、熱量集中、燒損率低、使用壽命長、易引弧且電弧穩(wěn)定，是一種較為理想的電極材料。鎢極端部形狀對電弧穩(wěn)定性和焊縫的成形有很大的影響，本文取鎢極錐度為 20176。 （ 5） 焊接參數(shù)。本課題研究的薄壁不銹鋼與薄壁紫銅尺寸都為：。表 為薄壁不銹鋼與薄壁紫銅管焊接參數(shù)，由本課題查閱焊接手冊得到。由于壁厚為 1mm，故可以不進(jìn) 行預(yù)熱。 同時根據(jù)表 （各種電流 TIG 焊特點(diǎn)），選擇直流正接法焊接。 表 焊接參數(shù) 管壁厚/mm 預(yù)熱溫度 /℃ 焊接電流 /A 焊接電壓 /V 鎢極直徑 /mm 焊絲直徑 /mm 噴嘴孔徑 /mm 氬氣流量 /L/min 焊接速度 /m/s 1 不預(yù)熱 160 20 2 8 6 （ 6） TIG 焊的缺陷。鎢極氬弧焊常見的缺陷有焊縫成形不良、燒穿、未焊透、咬邊、氣孔和裂紋等。 ① 焊縫成形不良主要表現(xiàn)為焊縫表面高低不平、焊縫寬窄不齊、尺寸過大或過小、角焊縫單邊以及焊腳尺寸不符合要求等。焊縫成形差會影響焊接接頭的強(qiáng)度，并造成應(yīng)力集中等危害。其主要是由于焊接參數(shù)選擇不當(dāng)、焊槍操作運(yùn)走不均勻、送絲方法不當(dāng)以及熔池溫度控制不好。 ② 在焊接過程中，熔化金屬自坡口背面流出形成穿孔的缺陷，稱為燒穿。 燒穿產(chǎn)生的原因是焊接電流太大，熔池溫度過高以及焊接速度太慢。 ③ 焊接時，接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象叫未焊透，其產(chǎn)生原因是坡口間隙太小，焊件表面清理不徹底以及焊接電流過小。 ④ 通常把基本金屬和焊縫金屬 交界處的凹槽稱為咬邊，其產(chǎn)生原因：焊槍角度不文獻(xiàn)翻譯 對；氬氣流量過大；電流過大；焊接速度太快；電弧太長；送絲速度過慢；鎢極端部過尖。 ⑤ 把存在于焊縫或熱影響區(qū)中開裂而形成的縫隙稱為焊接裂紋。焊接裂紋的形式是多種多樣的，有的分布在焊縫的表面，有的分布在焊縫內(nèi)部，有的則分布在熱影響區(qū)。其產(chǎn)生原因：焊件或焊絲中碳、硫、磷含量高；定位焊時點(diǎn)距太大，焊點(diǎn)分布不當(dāng)；收尾處應(yīng)力集中；坡口處有雜質(zhì)、臟物或水分等；冷卻速度過快；結(jié)構(gòu)剛性大。 ⑥ 焊縫中由于氣體存在而造成的空穴稱為氣孔。氣孔的位置可能在焊縫表面，也可能在焊縫內(nèi)部。其 產(chǎn)生原因：氬氣純度低；焊件及焊絲清理不徹底；氬氣保護(hù)層流被破壞。 ⑦ 夾鎢或氧化膜夾層。產(chǎn)生原因：鎢極與熔池接觸；鎢極與熔化極焊絲接觸；氬氣保護(hù)不良，使鎢極熔化燒損。 薄壁不銹鋼與紫銅焊接操作 （ 1）坡口形式及焊縫形狀。由于壁厚為 1mm，故焊接采取不開坡口的形式，如下圖 所示。由于為圓管對接焊，故焊縫形狀為環(huán)形對接焊縫。 圖 坡口 形狀 （ 2）焊前準(zhǔn)備工作。焊前用不銹鋼絲輪徹底清理接頭處 30mm 范圍內(nèi)油污、水分、氧化膜及其他雜質(zhì)；用砂紙清除焊絲氧化皮，直至露出金屬光澤；固定兩圓管的端面。 （ 3）焊接過程。將不銹鋼與紫銅點(diǎn)焊牢固后，按上述工藝參數(shù)焊接，并在管內(nèi)充氬氣保護(hù)，防止內(nèi)壁氧化。氬氣流量 6～ 8L/min，單面焊雙面成型。為克服紫銅導(dǎo)熱系數(shù)大，焊接熱量易散失，同時為了減少液態(tài)銅對不銹鋼的滲透深度，降低滲透裂紋傾向， 應(yīng)先在紫銅管一側(cè)引弧，引弧后將電弧移到焊縫處，壓低電弧。為避免出現(xiàn)焊接缺陷，應(yīng)采用短弧不擺動或小擺動的操作，電弧偏向?qū)崧蚀蟮淖香~一側(cè)，避免斷弧，一次焊接成型。采用連續(xù)送絲方式，不能將 不銹鋼與紫銅直接熔合。焊接完畢后，用復(fù)合硅酸鹽氈覆蓋焊口保溫緩冷，以減弱焊接應(yīng)力，防止裂紋產(chǎn)生。 本章小結(jié) 本章介紹了太陽能熱水系統(tǒng)的工作原理，了解到其連接管路在整個系統(tǒng)中有重要的作用，其管路需要滿足太陽能熱水系統(tǒng)使用環(huán)境的各種條件，要具有良好的耐高溫、耐冷熱循環(huán)、耐壓以及連接密封性好等特點(diǎn)。連接管路的密封性是其應(yīng)具備的最基本的特點(diǎn)。同時介紹了太陽能熱水系統(tǒng)中金屬連接管成型工藝。金屬連接管成型主要有兩種方式：機(jī)械方式、焊接方式，本章主要介紹的是與本課題研究相關(guān)的氬弧焊工藝。然后根據(jù)不銹鋼與紫銅焊接特 點(diǎn)，制定了薄壁不銹鋼與紫銅焊接工藝參數(shù)以及焊接操作方法，為后文的焊接有限元模擬奠定基礎(chǔ)。 文獻(xiàn)翻譯 第 3 章 有限元模型的建立 焊接是一個涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程，在本課題的研究中，將有效利用 ANSYS 軟件，實(shí)現(xiàn)封閉環(huán)形 對接 焊縫的溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場的有限元模擬。其中，建立一個正確的有限元模型是非常重要的一環(huán)，一般來講，有限元模擬原則上允許考慮幾乎任何復(fù)雜的情況，但是實(shí)際上，由于資源和經(jīng)濟(jì)上的限制，要求在建模時重點(diǎn)考慮那些對結(jié)果有直接或重要影響的因素，適當(dāng)考慮甚至忽略那些對計算結(jié)果只有間接或是次要影響的因素。有限元模型是真實(shí)系統(tǒng)理想化的數(shù)學(xué)抽象，是進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)。在 ANSYS 中，建立封閉環(huán)形 對接 焊縫的三維有限元模型包括確定幾何模型、材料特性參數(shù)、單元類型、網(wǎng)格劃分、生死單元技術(shù)以及封閉環(huán)形焊縫焊接的熱源模型等。 下面將具 體闡述這幾方面內(nèi)容的關(guān)鍵技術(shù)。 幾何模型的建立 ANSYS 程序提供了兩種實(shí)體建模方法 ， 即自頂向下的建模方法和自底向上的建模方法。用自頂向下的方法進(jìn)行實(shí)體建模時，用戶需要首先定義一個模型的最高級圖元，即基元，如球棱柱，程序則在基元的基礎(chǔ)上自動定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶使用建立這些高級圖元的方法直接構(gòu)造幾何模型，如二維的三角形、矩形以及三維的球、錐、柱、正方體等。用戶可以在這些高級圖元的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而得到有限元計算模型。用自底向上的方法進(jìn)行實(shí)體建模時，往往是首先通過建立組成單元的關(guān)鍵點(diǎn)來 構(gòu)造最終需要的有限元網(wǎng)格模型，即 :用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。這一建模方法往往使用與比較規(guī)則的模型中。不管是使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來進(jìn)行數(shù)據(jù)集的組合，從而構(gòu)造出一個實(shí)體模型 。 ANSYS 程序提供了完整的布爾運(yùn)算 (Booleans)，諸如相加 （ Add） 、相減 (Subtract)、相交 (Intersection)、分割 (Divide)、粘結(jié) (Glue)和重疊 (Overlap)等。當(dāng)實(shí)體模型較為復(fù)雜時，對線、面、體、基元的一系列布爾操作可以在很大程度上 減少建模的工作量。同時， ANSYS程序還提供了拖拉 (Drag)、延伸 (Extrude)、旋轉(zhuǎn) （ Rotate） 、移動 (Move/Modify)和拷貝 (Copy)實(shí)體模型圖元的功能。 ANSYS 還包括了一些附加的功能，諸如圓弧構(gòu)造、文獻(xiàn)翻譯 切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動相交運(yùn)算、自動倒角生成、用于網(wǎng)格劃分的硬點(diǎn)的建立、移動、拷貝和刪除。 本 文中的 兩個薄壁圓管尺寸 分別 為：兩管的直徑是 22mm，厚度是 1mm，長度都為70mm。在 ANSYS 中，如果分析對象呈對稱的幾何形狀，并且所受載荷也對稱，則可 考 慮只計算模型的一部分，并且在對稱點(diǎn)、線或面上施加對稱邊界條件。而本課題所研究的是異種金屬對焊，從實(shí)際焊接過程來看，雖然工件形狀對稱，但其載荷沿焊縫根本就不對稱，因而，必須考慮對整個工件建模。由于 ANSYS 不能在 PREP7 外生成單元，因此必須 在建模時就作出坡口。 由于兩管的壁厚只有 1mm，屬于薄壁焊接， 如前文所述，本文中采用的是不開坡口的方式， 在兩工件間預(yù)留一定的間隙即可。本文預(yù)留的間隙為 1mm。 此外， 真實(shí)的焊接中焊縫都有焊縫余高，但在本模擬中如果使用焊縫余高，不僅對焊接過程的溫度場和應(yīng)力場的分布沒有多大的影響，還增加了建模的難度和網(wǎng)格劃分的難度，因此，本模擬中焊縫形狀為圓環(huán)，沒有余高。同時為了使模擬具有真實(shí)性，還需要考慮焊接熱影響區(qū)，對于熱影響區(qū)需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，這在實(shí)體建模中需要反映出來，通過初步模擬以及查閱相關(guān)資料，得出兩管的焊接熱影響區(qū)為 3mm 寬。 本文采用自頂向下和自底向上相結(jié)合的方法建立兩個圓管及焊縫模型。使用自頂向下方法建立兩個圓管的模型，而對于焊縫，考慮到后面的模擬分析需要將焊縫劃分成段，因此采用自底向上的建模方式創(chuàng)建。首先創(chuàng)建一個圓管的模型，再利用 ANSYS 中的映射直接對稱生成另外一個圓管。兩個圓管的模型如圖 所示。 圖 兩圓管實(shí)體模型 然后是焊縫區(qū)模型的建立，采用布爾操作中的 extrude 延伸選項(xiàng)，先建立焊縫的一個面以及 extrude 所需要的旋轉(zhuǎn)軸上的兩個關(guān)鍵點(diǎn)。然后選擇 extrudeareasabout axis， 拾取剛才創(chuàng)建的面和兩個關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)置延伸選項(xiàng)：旋轉(zhuǎn) 360176。 ，旋轉(zhuǎn)得到的體的數(shù)量為40。這樣就將焊縫離散成了 40 份，如圖 所示。這里之所以取 40 份，是根據(jù)多次模擬比較結(jié)果而選擇的，數(shù)量太多不僅浪費(fèi)計算時間，還對模擬結(jié)果沒有太大的改變。同時還得創(chuàng)建焊縫熱影響區(qū)方便后面的網(wǎng)格劃分，本文采取布爾操作中的 divide，將兩個圓筒用工作平面逐個分出熱影響區(qū)。最后再用 glue 將所有創(chuàng)建的實(shí)體模型粘在一起。整個實(shí)體模型如下圖 所示。 圖 焊縫實(shí)體模型 圖 整體模型 （左下：不銹鋼管，右上：紫銅管） 單元類型的確定 有限元法的第一步就是將一個連續(xù)體簡化為由有限個單元組成的離散化模型，也就是有限元模型，它由一些簡單形狀的單元組成，單元之間通過節(jié)點(diǎn)連接，并承受一定載文獻(xiàn)翻譯 荷，而節(jié)點(diǎn)是空間中的坐標(biāo)位置，具有一定自由度并存在相互物理作用，有限元分析就是求解節(jié)點(diǎn)處的自由度值。 在本課題中，溫度場分析時單元的自由度是溫度，而在計算應(yīng)力應(yīng)變場時其自由度為位移。在有限元模型中，每個單元的特性是通過一些線性方程式即形函數(shù)來描述的。作為一個整體，單元形成了整體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。在 ANSYS 單元庫中有一百多種不同的單元類型，每一個單元類型有一個唯一 的編號和一個標(biāo)識單元類別的前綴，如 BEAM4， PLANE77， SOLID96 等。單元類型決定了單元的自由度以及單元是在二維空間還是三維空間。在實(shí)際選用單元類型時需要考慮以下兩個方面的內(nèi)容： 首先需要確定自由度是否相容，根據(jù)自由度的不同可供選擇的單元有線、面或三維實(shí)體的單元種類； 其次還需要決定采用線形、四面體或 P 單元。線性單元和非線性單元之間明顯的差別是線性單元只存在“中間節(jié)點(diǎn)”，而高階單元不存在“中間節(jié)點(diǎn)”。線性單元內(nèi)的自由度按線性變化，二次單元內(nèi)的自由度是二階變化的， P 階單元的自由度從 2 階到 8 階變化， 而且具有求解收斂自動控制功能，自動確定在各位置上分析應(yīng)當(dāng)采用的階數(shù)。 而在圓管封閉環(huán)形焊縫的焊接分析中，單元確定還要考慮到以下幾個因素：首先研究對象為薄壁圓管就不得不考慮壁厚方向變化的情況，單元必須為三維實(shí)體單元；其次要能進(jìn)行熱分析；最后所用單元還應(yīng)能夠進(jìn)行瞬態(tài)非線性分析。除此之外，在本文中焊接溫度場分析之后，要轉(zhuǎn)變單元類型，進(jìn)行模擬計算應(yīng)力場，溫度場的單元類型與應(yīng)力場的單元類型不同，計算完溫度場后，通過增加語句進(jìn)行轉(zhuǎn)換。能直接轉(zhuǎn)化的三維熱單元有 SOLID70、 SOLID8 SO