1、西安航空职业学院毕业论文有限元分析铜夹具对焊接热过程与应力的影响姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：以焊接模拟软件 SYSWELD 为平台，用双椭球热源模型，对 GH4169 薄板上的 T2 铜夹具中铜的使用量进行了焊接数值分析，计算结果表明：贴合铜块后，温度场得到有效的约束，大大缩小了热影响区，其温度场分布效果与高能束焊接类似；随着铜块高度增加，熔核区域最高温度逐渐降低，铜块高度为 4mm 时，温度下降趋势最大，之后逐渐变小；残余应力场因为铜块的贴合，得到有效的改善，超过屈服强度的残余拉应力区域得到收缩，热影响区的残余拉应力在铜块高度为 4mm 时消除。这一
2、模拟结论可以指导如何让铜块在焊接中取得更有效的应用。关键词：有限元分析；铜夹具；GH4169;SYSWELD0 引言在焊接领域，其零件焊后变形是所有焊接工作者头疼的事情，他会大大降低零件的尺寸精度；通过专门设计的焊接工装夹具对零件进行刚性约束是目前减少零件变形的主要手段之一。T2 纯铜以高的热导率常被作为降低焊接变形的冷却工装，可以通过帮助吸收焊接件热量来达到既降低了零件的变形又降低零件的残余应力的双赢效果；并且通过在纯铜上镀硬铬，可以消除铜污染的问题 1。但是纯铜的使用量对温度场、残余应力大小与分布等是否有很大的影响不得而知。运用有限元技术对焊接过程建立数值模型进行计算，可以在节约大量的做实
3、验的时间与资金的情况下对安排的试验完成预测 2，已被广泛应用于工业生产。本文以法国 ESI 公司开发的焊接模拟软件SYSWELD 为平台，以薄板 GH4169 为材料，通过改变 T2纯铜使用量，对焊接温度场与残余应力的影响进行研究预测。1 对接接头有限元模型1.1 模型建立与焊接参数模型尺寸为 100mm50mm1mm，材料为 GH4169，接头采用对接接头，模拟不填丝钨极氩弧焊，电弧沿焊件中心移动。铜块选择 T2 纯铜。实验分组见表 1。本次模拟的有限元模型如图 1：网格划分时，试件与铜块由三维实体单元构建；对流换热面由二维网格单元构建；焊缝中心的网格尺寸为 0.5mm，远离焊缝处的网格尺寸
4、为 2mm。铜块对称分布于焊缝两侧，其中铜块距离焊缝中心 7mm，分为五种高度对零件进行贴合冷却，其模型如图 1 中的（2）所示。表 1 实验分组组别 a b c d e f长/mm 0 200200200200200宽/mm 0 6 6 6 6 6T2 纯铜高/mm 0 1 2 4 6 8图 1 有限元模型本次模拟的焊接功率为 350W，焊接速度为 3mm/s，计算 1800 秒，可以足够将零件冷却到室温。焊接方向与约束条件见图 1 中的（1）所示。对于焊接模拟分析，其边界条件分温度场边界条件和应力应变场边界条件 3，试件的初始温度为 20；热辐射损失采用斯蒂芬-玻尔兹曼方程计算，其中吸射率
5、取经验值 0.8；对流损失取经验值 25W/m2；零件采用刚性约束。1.2 材料参数GH4169 属于一种镍基沉淀强化高温合金，在-253700范围内具有良好的综合性能，尤其是 650以下的屈服强度位于现存高温合金的第一位。在航空航天、石油、核能工业中得到了非常广泛的应用。GH4169 与T2 的具体参数见表 2 与表 34。表 2 GH4169 的材料参数温 度 / 20 300 400 500 600 700 1260热 导 率 /Wm-1-1 13.4 17.8 18.3 19.6 21.2 22.8 37.6密 度 /gcm-3 8.24 8.24 8.24 8.24 8.24 8.2
6、4 8.24比 热 容 /Jkg-1-1 446.4 481.4 493.9 514.8 539 573.4 837.9弹 性 模 量 / GPa 204 181 176 160 150 141 1泊 松 比 0.3 0.3 0.31 0.32 0.32 0.33 0.33线 膨 胀 系 数 /10-6-1 0 13.5 14.1 14.4 14.8 15.4 19.4屈 服 强 度 / MPa 1080 1020 1000 995 980 885 5表 3 T2 的材料参数温度/ 20 100热导率/Wm -1 -1 390 380密度/gcm - 8.89 8.89比热容/Jkg -1 -
7、1 385.2 385.21.3 热源选择在 SYSWELD 数值模拟分析中，对于 TIG 焊采用双椭球体热源模型，模型几何形貌如图 2 所示。图 2 双椭球热源模型该模型可以将热流密度分布在椭球体内，能准确地反映出电弧沿焊缝深度方向对焊件加热的影响，从而更为精确的仿真出焊接温度场 5。模型的数学公式表现为如下形式：（1）e22fczbyax1R.Q（2）22r2其中，Q R1 为前半球的功率密度，单位 W/mm3；QR2 为后半球的功率密度，单位 W/mm3； Qf 为前半球最大功率密度，单位为 W/mm3；Qr 为后半球最大功率密度，单位为 W/mm3；af， ar， b，c 为高斯参数。
8、通过调整这些参数来调节热流密度在椭球内部的分配，从而获得想要的熔核形状与尺寸。2 温度场分析图 3 焊接进行到 16 秒的温度场云图图 3 给出了焊接进行到 16 秒时的各试验组的温度场云图。图中红色表示温度高于熔点（1260）的区域。对比 a、b 两图可以清晰的看出贴合铜块后，零件的焊缝周围的温度场得到有效的约束，焊接效果与激光焊接等高能束焊接相似；熔池宽度由之前的 5.4mm 变为 3mm，这是因为铜的高热导率吸收了焊缝周围的大量的热量。对比 b、c 、d、e 、f，铜块的高度增加，熔池的宽度变化不大；在 3mm 到 2.2mm 之间。表 4 焊接进行到 16 秒的熔池最高温度组别 最高温
9、度/ T/a 1526.57 0b 1394.76 131.81c 1380.03 14.73d 1362.51 17.52e 1352.73 9.78f 1346.41 6.32表 4 列出了焊接进行 16 秒时的熔池最高温度情况，其中 T 表中为上下试验组别最高温度的差值，其熔池最高温度在 d 组出现转折点，在这之后最高温度变化幅度变小，说明铜块的用量与吸收的热量不是成线性关系，当达到某一临界值时，其冷却效果趋于一致。本次模拟的铜块高度达到 4mm 即可满足冷却的需要，无需继续增加厚度，提高成本。图 4 经过熔核中心的横截面温度场分布图 4 为焊接进行 16 秒时，经过熔核中心的横截面温度
10、场分布情况。对比 a、b 可以发现，温度场收缩很明显，并且铜块贴合处的温度保持很低，而且均匀分布。这是由于铜块吸收掉贴合处的高热量，并使热量均匀分布在铜块的内部，大大降低了热影响区的温度，相当于缩小了热影响区。对比 b 到 f 发现，铜块的温度随着铜块高度的增加而降低，其中，在 4mm 时降低幅度最大。3 残余应力场分析图 5 计算 1800 秒时的残余应力分布图 5 中红色为残余应力高于屈服强度（1028MPa）的区域，蓝色为残余压应力区域。从图中可以清晰的看出，铜块的贴合，促使红色区域得到收缩；热影响区在未贴合铜块时，出现如图 a 标出的残余拉应力区域，这说明，在热影响区存在两种方向残余应
11、力，这种复杂的应力区域带来比较大变形甚至裂纹。随着铜块使用量的增加，热影响区的残余拉应力区域逐渐减小，在铜块高度为 4mm 时消失，这是由于温度场的收缩，影响了应力场的分布，热影响区的残余拉应力由于温度的降低而逐渐变小，直至转变为残余压应力。4 结论通过以上分析得出以下结论：（1）铜块能够有效的吸收焊接件热影响区的热量，对温度场起到约束作用，大大减小了热影响区面积，并使焊缝得到收缩。（2）铜块高度超过 4mm 时，对零件热量的吸收效果无太大区别，说明铜块的用量与吸热量成抛物线关系，只要达到某一值时，既可以满足冷却的需要。（3）铜块的贴合可以降低焊缝处高于屈服强度的残余应力区域，并能够改善热影响
12、区的残余应力分布。参考文献：1 丁毅.不锈钢薄板焊接中的铜污染裂纹J.焊接技术,1988,3:47.2 杨建国等.焊接结构有限元分析基础及 MSC.Marc 实现M.机械工业出版社,2012.3 德亚莎.T 型接头焊接温度场与应力场的数值仿真D.内蒙古呼和浩特：内蒙古工业大学，2010.4 颜鸣皋等.中国航空材料手册第 2 卷M.中国标准出版社,2002.5 莫春立, 钱百年. 焊接热源计算模式的研究进展J. 焊接学报,2001,6(22):93-96.致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
