基于ANSYS数值模拟高频焊接工艺优化及试验研究

张 驰， 梁 峰， 王文彪， 张 蕊，单慧云

(1.重庆理工大学 材料科学与工程学院， 重庆 400054；2.汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室(重庆理工大学), 重庆 400054)

结构用钢管大多是通过高频感应焊接生产，而高频感应焊接是多因素相互耦合的一个复杂过程[1]。这种焊接方法虽然能有效地提高生产效率，但是在焊管质量方面还存在着一定缺陷，严重时会存在很大的安全隐患。如今大部分企业设计高频感应焊接工艺时，主要还是靠工人的实际生产经验和在生产过程中的不断尝试，费时费力，焊管质量不能得到优先保证，造成时间和经济利益上的损失。因此，如何在实际生产中提高高频感应焊管质量是现如今亟待解决的问题。相较于传统的依靠反复调试和生产经验的设计生产工艺，通过运用有限元分析技术对高频感应焊接过程进行分析来选取较好的焊接工艺参数，可以实现对高频感应焊管的可制造性和产品质量的预测，进而达到节约生产成本、缩短工艺开发时间的目的[2]。图1、2为高频感应焊接中常见缺陷。

图1 焊管发生冷焊

本文以某企业生产的Q195高频感应焊接钢管为研究对象，通过ANSYS有限元软件建立高频感应焊接热源模型和焊接实体模型，设计正交试验，并结合有限元数值模拟对焊接工艺参数进行优化分析[3]，确定最佳的工艺参数组合，并对其进行试验验证，分析得到了高频感应焊接温度场和应力场的分布规律。这对实际的高频感应焊接生产有着重要的理论及现实指导意义[4-5]。

1 有限元模型的建立

1.1 高频感应焊接过程数学模型的建立

1) 高频焊管温度场控制方程

高频感应焊接温度场的求解是非线性瞬态热分析过程，焊管材料的热物理性能参数随着温度的变化而变化，因此温度场控制方程为[6]：

(1)

2) 高频焊管热边界条件

① 对流换热

高频感应焊管与空气之间的热对流方程为

qn=h(TS-TB)

(2)

式中：qn为边界热流密度(W/m2)；h为对流换热系数；TS为焊管表面的温度(℃)；TB为周围空气的温度(℃)。

② 辐射

焊管表面辐射的公式为

(3)

式中：q为边界热流密度(W/m)；σ0为热辐射系数(W·K/m2)；ε为热辐射率(黑度)。

③ 相变潜热

焊接过程中焊缝金属融化凝固的相变过程伴随着吸热和放热的现象，考虑到相变的影响因素，本文采用热焓法[7]，可以利用材料的密度、比热以及温度函数来表述其焓值的变化ΔH：

(4)

3) 高频感应焊管应力场控制方程

应力平衡方程[8]为

σij=0

(5)

式中σij为应力分量，包括热应力项。

热应变方程可以写为

(6)

应力-应变之间的本构模型为

(7)

1.2 高频感应焊接有限元模型的建立

1.2.1 材料属性及数值模拟参数

本文选取Q195钢为研究对象。为保证其高频感应焊接的良好性，通过查手册得到Q195钢在不同温度下的热物理性能参数，并采用线性插值法得到未知的高温度范围内物理性能参数，结合实际生产中的质量问题及理论分析，重新对高频感应焊接工艺进行设计，其数值模拟参数如表1。

表1 高频感应焊接数值模拟参数

1.2.2 高频焊管及焊接热源模型的建立

本文采用研究模型外径为76.2 mm、内径为74.2 mm、长度为40 mm的高频焊管。由于其具有对称性，故选取一半模型(如图3)进行分析。选用热分析实体单元SOLID70进行热分析计算，计算时将热源载荷加载在实体表面单元上，热源载荷以热流密度的形式加载在焊管表面上。由于焊管焊缝的热影响区宽度为管厚的1/4～1/3[9]，约为0.3 mm，不必要进行细化网格，因而本文取模型划分网格大小为0.3 mm，网格的划分如图4所示，划分后得到86 149个节点和15 360个单元。

图3 半个有限元焊管模型

整个焊接热源模型包括带有开口角的管坯、感应线圈、阻抗器和空气。为简化计算，可选取模型的一半，如图5所示。空气域外观上只是一个圆柱体形状，这里没有显示。对模型进行网格划分，如图6所示。

图5 半个焊接热源有限元实体模型

2 正交试验

2.1 正交试验设计

本文针对影响焊管质量的4个主要参数：管坯开口角大小(A)、焊接频率(B)、激励电流(C)和焊接速度(D)。采用4因素3水平L9(34)正交试验法进行优化设计[10]，则高频感应焊接正交实验的表头设计如表2所示。

正交试验总试验组数为9组，方案如表3所示。

表2 正交试验因素水平

表3 正交试验方案

2.2 正交试验及结果分析

本文在最大热源温度均满足焊接要求下，以焊管最大残余应力为误差判定指标进行分析，表4为正交试验结果及分析。表4中，kmi为各因素3个水平所对应的试验指标之和的平均值；R为极差，是反映数据波动大小的重要指标，且R=kmax-kmin。

表4 正交试验结果及分析

通过对试验结果进行极差分析来确定试验因素的最优组合及各焊接参数对试验指标影响的主次因素。由表4可知，极差分别为：RA=86.295；RB=61.382；RC=79.878；RD=31.229，则可知试验中4因素3水平的正交试验对高频焊接管材质量的主次因素。根据极差分析结果，极差值越大，表明该因素对试验结果的影响范围越大，由此可知各工艺参数中的主次因素为：开口角度>激励电流>焊接频率>焊接速度。

根据表4正交试验极差分析结果数据可知：A因素开口角度的3号水平(7°)的数值较小，B因素焊接频率的1号水平(325 kHz)的数值较小，C因素激励电流的1号水平(1 400 A)的数值较小，D因素焊接速度的1号水平(70m /min)的值较小。因此根据正交试验结果判定方法可知：Q195钢高频感应焊接的最佳工艺参数组合为：A3B1C1D1。即为开口角大小为7°，焊接频率为325 kHz，激励电流为1 400 A，焊接速度为70 m/min。

根据表4波动平方和自由度等整理计算得到表5。因素D选用的焊接速度在整个焊管生产中不仅影响高频感应焊接过程，对前期的管坯冷管成型影响很大，因此焊接速度的选取实际生产为参考，因此将因素D作为误差对比，得到F值，将显著性计算记录表5，对各影响因素显著性进行分析，找到高频感应焊接过程中对焊管残余应力影响最为显著的因素。

表5 方差分析

由表5可以看出：开口角度、焊接频率和激励电流对焊接影响显著，为主要因素。为验证根据正交试验分析得到的最佳工艺参数组合的可靠性，需要对该工艺参数进行数值模拟分析和试验验证。

3 温度场及应力场模拟分析

根据正交试验分析所得到的最佳工艺参数组合：管坯开口角7°、焊接频率325 kHz、激励电流1 400 A和焊接速度70 m/min，利用APDL语言选取焊接热源，对高频感应焊接应力场和温度场进行求解[11]，经ANSYS软件模拟得到冷却时间12 s内的高频感应焊管的瞬态温度场和应力场。

图7分别是冷却3.5、8.5、12 s时的焊管整体和焊缝处温度场的分布情况。从图7中可以看出：在焊接完成后冷却过程中，高频焊管的温度以阶梯状态分布，开始时焊缝处的温度最高，离焊缝越远其温度则越低；由于热辐射和热传导的作用，焊缝温度先发生变化，随着冷却时间推移逐步向远离焊缝且温度低的管体均匀扩散，直至整个焊管温度趋于一致。

图7 焊管不同冷却时刻的温度场

焊管在冷却时，热应力会逐渐释放，最后无法释放的则会在焊管内形成残余应力和变形，如果这种残余应力和变形较大，则会对后续的加工和生产造成一定的影响，因此有必要对其应力场进行分析。图8为焊管3种不同冷却时刻的等效应力场。

图8 焊管不同冷却时刻的等效应力场

从图8可以看出：随着冷却时间的推移，焊管内的应力没有全部集中在焊缝区域，而是以焊缝为中心与温度变化类似向管体其他部位释放[12]。从冷却12 s时的焊管等效应力图可以看出：其最大残余应力值仅为0.328 MPa，与材料本身的屈服强度195 MPa相比，残余应力很小，基本可以推测上述优化后的工艺参数具有可靠性。

4 试验验证

4.1 形貌组织分析

根据优化后的试验参数(即开口角7°，焊接频率325 kHz，激励电流1 400 A和焊接速度7 0m/min)来指导某企业的一种镀锌Q195高频感应焊接钢管(直径76.2 mm、厚度1 mm，化学成分见表6)的实际生产，并对该工艺条件下的Q195高频感应焊接钢管切割取样。图9为实验生产所得到的Q195高频感应焊接钢管，图中红圈部分为试样取样部位示意。

表6 Q195钢主要化学元素含量

焊管厂对最终高频感应焊管产品的技术要求如下：

1) 焊管在高频感应焊接过程中不允许出现过烧、冷焊等缺陷；

2) 焊缝中不允许存在裂纹、气孔以及夹杂等缺陷。

对优化的Q195高频感应焊接钢管取样并作腐蚀处理，然后置于光学显微镜下观察焊管焊缝及其热影响区的微观组织及晶粒分布。

从图9中可以看出：焊管表面未出现冷焊、过烧等缺陷，表面质量较好。图10为50倍的焊缝截面扫描电镜图，从图中可以看出：整个截面并未出现气孔、裂纹等缺陷，且在焊缝位置处也没有出现未填满、咬边等焊接缺陷。

图9 实验生产所得焊管

图11(b)是200倍光学显微镜下焊管焊缝部位的金相组织，可见其晶粒较为细小，分布均匀。从中可以看出：焊缝的内部结构为铁素体+珠光体+少量马氏体，焊缝区域的晶粒组织较母材发生了转变。

图11(c)为焊管热影响区的金相组织，可见其金相组织为铁素体和珠光体，并且晶粒较母材区稍微变大。这是因为热影响区靠近焊缝，其温度升高导致晶粒长大，在冷却后形成较大的铁素体及周围均匀分布珠光体。

图11 焊缝及周边区域金相组织图(×200)

4.2 拉伸性能分析

将Q195高频感应焊接钢管按照API Spec 5L规范加工成符合标准的拉伸试样，如图12所示。然后将加工后的拉伸试样在万能试验机上进行室温拉伸试验，并记录拉伸试验数据。

图12 母材和焊缝拉伸试样示意图

对不同样件进行室温拉伸试验研究，得到的结果如表7所示，图13(a)、(b)分别是母材和焊缝样件拉裂图。

表7 不同样件拉裂位置对照

图13 母材和焊缝样件拉裂图

结合表7与图13(a)和(b)可以看出：对母材样件进行拉伸试验，其断裂位置均在母材样件中心位置，且每个母材样件的拉伸强度相差不大，均在Q195钢的抗拉强度范围内，符合生产要求；对焊缝样件进行拉伸试验时，其拉伸断裂部位均在远离焊缝大约5 mm的母材部位，而非靠近焊缝的热影响区，其平均抗拉强度与母材样件相差不大，由此可说明焊缝的抗拉强度不比母材差。

通过以上对优化后焊管的表面形貌及其微观组织的观察以及拉伸性能的分析，发现焊管整体质量有较大改善，焊管焊缝处质量得到提高。将优化工艺参数用于指导工厂批量生产后客户的实际应用后反馈较好，焊管质量稳定，减少了因传统工艺设计操作带来的高成本和原材料浪费等问题，有效提高了企业的经济效益。这说明了通过数值模拟优化焊接工艺参数来实现对高频感应焊管的可制造性和产品质量的预测是可行的、可靠的。

5 结论

1) 通过正交试验对Q195钢高频感应焊接最佳工艺参数进行优化设计，以焊管最大残余应力为误差判定指标进行分析，得出各工艺参数中的主次因素为：开口角度>激励电流>焊接频率>焊接速度。并根据正交试验结果判定方法得到Q195钢高频感应焊接的最佳工艺参数组合：A3B1C1D1,即开口角大小为7°、焊接频率为325 kHz、激励电流为1 400A、焊接速度为70 m/min。

2) 对正交试验得到的最优工艺方案进行有限元分析得到高频感应焊接焊管温度场和应力场的变化规律：在焊接完成后冷却过程中，高频焊管的温度呈阶梯状态分布，随着冷却时间推移逐步向远离焊缝且温度低的管体均匀扩散，直至整个焊管温度趋于一致。焊管内的应力没有全部集中在焊缝区域，而是以焊缝为中心与温度变化类似向管体其他部位释放,焊管温度分布均匀且焊缝区域残余应力集中较小。

3) 对优化条件下生产的Q195高频感应焊接钢管取样并通过显微观察发现：焊管整个截面并未出现气孔、裂纹等缺陷，且在焊缝位置处也未出现未填满、咬边等焊接缺陷，焊缝部位晶粒较为细小，分布均匀。对焊管作拉伸性能分析，发现焊管的抗拉强度也符合要求。这说明焊管的焊接质量较好，验证了高频感应焊接成形数值模拟参数优化的准确性，这一研究对实际的高频感应焊接生产具有重要的理论及现实指导意义。

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