講述：薄壁沖壓件初始應(yīng)力對(duì)焊接熱裂紋敏感性影響

時(shí)間：2020-01-05作者：深圳市騰暢模具五金有限公司瀏覽：1273

沖壓件焊接已在汽車、壓力容器等制造領(lǐng)域得 到普遍應(yīng)用, 但是人們對(duì)沖壓件殘余應(yīng)力影響的認(rèn) 識(shí)基本停留在定性的層面上, 缺少相應(yīng)的定量分析. 在一些薄壁沖壓結(jié)構(gòu)件, 初始?xì)堄鄳?yīng)力可能導(dǎo)致焊 接接頭開裂, 或焊縫收縮量的不均勻性等一系列質(zhì) 量問題. 文中以不銹鋼儲(chǔ)氣罐為研究對(duì)象, 探討沖 壓件焊接熱裂紋產(chǎn)生的力學(xué)原因. 對(duì)于熱裂紋的研究已經(jīng)持續(xù)了幾十年, 產(chǎn)生了 諸多理論 的理論現(xiàn)在被普遍接受, 其主要內(nèi)容是存在一個(gè)固 液相共存的脆性溫度區(qū)間( 簡(jiǎn)稱BTR) , 焊接過程 中, 熱裂紋產(chǎn)生于脆性溫度區(qū)間(BTR) 內(nèi)[1] . 較近的 不少研究中, 普遍認(rèn)為, 應(yīng)變是熱裂紋生成的主要原 因, 在BTR 高溫脆性區(qū)間, 當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界應(yīng)變值 時(shí), 裂紋生成[2, 3] . 常見的熱裂紋形式有弧坑裂紋、 熱影響區(qū)裂紋、焊縫橫向和縱向裂紋[4] . 沖壓件殘余應(yīng)力作為焊接初始應(yīng)力研究的報(bào)道 很少, 不銹鋼沖壓件焊接熱裂紋的影響因素和有限 元計(jì)算, 尚未查到相關(guān)文獻(xiàn). 文中使用通用有限元 軟件MSCMarc, 結(jié)合程序的二次開發(fā)[5] , 對(duì)球冠沖 壓件與筒體焊接過程進(jìn)行有限元模擬分析, 研究沖 壓件初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)接頭熱裂紋傾向的影響. 1 球冠與筒體焊接的有限元模型 計(jì)算使用的是熱彈塑性法, 運(yùn)用有限元模擬軟 件MSCMarc, 先計(jì)算焊接溫度場(chǎng)分布, 在此基礎(chǔ)上 計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)的分布, 熱分析和力分析使用相同的單 元和節(jié)點(diǎn). 在計(jì)算過程中, 為使計(jì)算過程較符合實(shí) 際焊接過程, 將MSCMarc 的二次開發(fā)功能應(yīng)用于焊 接熱源、對(duì)流換熱系數(shù)等參數(shù).Evg深圳五金沖壓件加工廠

1. 1 幾何模型 儲(chǔ)氣罐如圖1 由兩個(gè)球冠和一個(gè)筒體組成, 其 中筒體內(nèi)徑194 mm, 長(zhǎng)度為600 mm, 每個(gè)球冠高度 152 mm, 較大內(nèi)徑為194. 1 mm. 球冠和筒體均為薄 壁結(jié)構(gòu), 壁厚都是0. 9 mm, 材料為SUS444L 不銹鋼, 其中球冠由沖壓而成. 圖1 儲(chǔ)氣罐幾何模型 Fig1 1 Ge ometric model of gas tank *30 卷*2 期 2 0 0 9 年2 月 焊 接 學(xué) 報(bào) TRANSACTIONS OF THE CHINAWELDING INSTITUTION Vol. 30 No. 2 February 2 00 9 1. 2 網(wǎng)格劃分 根據(jù)儲(chǔ)氣罐的上下對(duì)稱性, 選取儲(chǔ)氣罐的一半 建模進(jìn)行計(jì)算. 計(jì)算使用的是有限元軟件MSC Marc, 所有的單元都是8 節(jié)點(diǎn)的體單元, 其中球冠部 分共15 240 個(gè)單元, 筒體共5 280 個(gè)單元. 試驗(yàn)焊接方法是填絲TIG 焊, 接頭形式為搭接 接頭. 在模型中, 焊接接頭由球冠、筒體及熔合區(qū)域 三部分組成, 其中熔合區(qū)是母材金屬和填充金屬的 混合區(qū)域, 對(duì)應(yīng)網(wǎng)格如圖2 所示. 圖2 焊接接頭示意圖 Fig. 2 Scheme of we lding joint 1. 3 材料物理性能 球冠、筒體及填充材料均為SUS444L 鐵素體不 銹鋼. 其材料性能與SUS316L 奧氏體不銹鋼相近, 在耐高溫性能、加工硬化性能、抗腐蝕性能和導(dǎo)熱性 等方面**SUS316[ 6] . 計(jì)算中主要使用的物理性能和力學(xué)性能參數(shù)如 圖3 所示, 其單位分別為: 比熱容為0. 01 J/ (g# e ) ; 熱傳導(dǎo)系數(shù)為W/ (m# e ) ; 對(duì)流傳熱系數(shù)為W/ (m # e ) ; 線膨脹系數(shù)為10- 6K- 1; 屈服強(qiáng)度為10 MPa; 彈 性模量是104MPa. 其它參數(shù): 密度為7. 85 g/ cm3, 泊 松比為0. 3.Evg深圳五金沖壓件加工廠

2 熱源模型及溫度場(chǎng)分布 2. 1 熱源參數(shù) 為了準(zhǔn)確模擬實(shí)際焊接時(shí)的溫度場(chǎng)分布, 在計(jì)算 中使用的是體熱源和面熱源的混合熱源, 兩者能量之 比是2B3. 熱源寬度為16 mm, 深度0. 9 mm, 焊接速度 是5mm/ s. 2. 2 路徑選取 為了得到焊縫區(qū)域的溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變分布, 在 截面上選取兩條路徑A12B12C12D1 和A32B32C32D3 分 別反映內(nèi)表面和外表面的溫度及應(yīng)力應(yīng)變分布, 如 圖4所示. 2. 3 溫度場(chǎng)分布 計(jì)算中外表面的較高溫度是1 580 e , SUS444L 的熔點(diǎn)約為1 450 e , 兩條路徑上的溫度分布如圖5 所示, 在沖壓球冠件上- 4~ 0 mm 熔合區(qū)域, 寬度約 為4mm, - 6~ - 4mm熱影響區(qū)域, 寬度約為2 mm. 圖5 溫度場(chǎng)分布 Fig. 5 Temperature distribution 3 初始應(yīng)力對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響 沖壓后的球冠件內(nèi)部有較大的殘余應(yīng)力, 因此計(jì) 100 焊 接 學(xué) 報(bào)*30卷 算中在球冠的焊縫附近加上初始應(yīng)力, 以研究其對(duì)焊 接殘余應(yīng)力的影響作用.Evg深圳五金沖壓件加工廠

3. 1 初始應(yīng)力加載 在焊縫附近位置所加的初始應(yīng)力為軸向拉伸應(yīng) 力, 其分布如圖6, 其中焊縫區(qū)域的平均初始應(yīng)力約為 50MPa, 熱影響區(qū)平均初始應(yīng)力約為130MPa. 這一分 布的設(shè)定與所測(cè)得的球冠上的實(shí)際初始應(yīng)力分布是 相近的. 圖6 B2C2D 上所加的初始應(yīng)力 Fig. 6 Initial stress a pplied on B2C2D 3. 2 統(tǒng)計(jì)方法 基于計(jì)算所得的溫度場(chǎng)分布, 可得到焊縫區(qū)域的 應(yīng)力應(yīng)變分布. 統(tǒng)計(jì)方法是, 計(jì)算與表面平面法線方 向上的平均應(yīng)力應(yīng)變得到內(nèi)外表面上的應(yīng)力值, 以避 **純統(tǒng)計(jì)較內(nèi)/ 外表面上節(jié)點(diǎn)時(shí), 可能由于某些節(jié) 點(diǎn)造成應(yīng)變值波動(dòng)的情況. 3. 3 接頭應(yīng)變隨溫度的變化 焊接過程中, 在有無初始應(yīng)力兩種情況下, 熔合 區(qū)的軸向總應(yīng)變和軸向塑性應(yīng)變的值變化很小, 主要 由于熔化的原因, 所加的初始應(yīng)力的影響會(huì)消除. 在熱影響區(qū), 徑向和周向應(yīng)變值都無明顯變化, 主要變化發(fā)生在軸向應(yīng)變. 圖7 和圖8 分別是熱影響 區(qū)在有無初始應(yīng)力情況下, 軸向總應(yīng)變和塑性應(yīng)變隨 溫度的變化. 在有無初始應(yīng)力兩種情況下, 0~ 400 e 升溫階段, 塑性應(yīng)變值變化很小, 總應(yīng)變迅速上升主 要貢獻(xiàn)來自熱應(yīng)變. 大于400 e 后, 隨著塑性應(yīng)變的 逐漸增大, 總應(yīng)變值的上升速度減緩, 斜率變小; 在降 溫階段, 1 000~ 400 e 的過程中, 塑性應(yīng)變繼續(xù)增大, 同時(shí)總應(yīng)變值也增大, 并在此溫度區(qū)間內(nèi)到達(dá)較高 值. 當(dāng)溫度**400 e 之后, 塑性應(yīng)變和總應(yīng)變值雙 雙隨著溫度的降低而減小. 兩種情況下, 軸向總應(yīng)變 和塑性應(yīng)變的較大值都在400~ 1 000 e 的溫度范圍 內(nèi). 在有初始應(yīng)力的情況下, 應(yīng)變值明顯增大, 兩種 應(yīng)力的較大值都大于無初始應(yīng)力情況下的兩倍左右.Evg深圳五金沖壓件加工廠

4 結(jié) 論 ( 1) 初始軸向應(yīng)力對(duì)熔合區(qū)上的應(yīng)變影響較小. ( 2) 初始軸向應(yīng)力對(duì)熱影響區(qū)上徑向和周向的 應(yīng)變值影響很小. ( 3) 初始軸向應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)軸向總應(yīng)變 和塑性應(yīng)變顯著增大. 其中有應(yīng)力的情況下, 總應(yīng)變 的較大值為無初始應(yīng)力情況下的兩倍以上, 可以判斷 初始軸向應(yīng)力導(dǎo)致軸向總應(yīng)變過大, 增加熱裂紋敏感 性. 焊接學(xué)報(bào)編輯部關(guān)于版權(quán)轉(zhuǎn)讓的聲明 根據(jù)5*人民共和國著作權(quán)法6等法規(guī)要求, 自2009 年起, 凡向本刊所投稿件, 全體作者須在論文 錄用時(shí)簽署5論文著作權(quán)轉(zhuǎn)讓書6, 將其論文的復(fù)制權(quán)、發(fā)行權(quán)、翻譯權(quán)、匯編權(quán)、信息網(wǎng)絡(luò)傳播權(quán)等權(quán)利 在全世界范圍內(nèi)轉(zhuǎn)讓給焊接學(xué)報(bào)編輯部。


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