电子束焊接熔池流场数值模拟研究

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第41卷第l期火箭推进V01．41，№．12015年2月JouRNALoFRocKETPRoPuLsIoNFeb．2015电子束焊接熔池流场数值模拟研究王垫1，蔡强顺2(1．海装西安局，陕西西安710065；2．西安航天发动机厂，陕西西安710100)摘要：基于电子束焊接“钉型”焊缝特征，建立了高斯面和旋转高斯衰减体复合热源模型，采用ANSYSFLOTRANCFD有限元软件，对焊接熔池流场进行了数值模拟，研究了熔池内液态金属在温度场作用下涡漩流动过程，电子束、熔池、液态金属蒸汽之间相互作用关系，电子束匙孔效应、匙孔壁能量传递方式，熔深方向液态金属流动机理等；将316L不锈钢热物性参数输入复合热源模型，通过仿真计算，得到了316L不锈钢焊接工艺规范，即加速电压为60kV，电子束流为30mA，焊接速度为8m“s，采用该规范焊接的316L不锈钢试件焊缝拉伸强度为425MPa，满足设计要求。通过对比数值模拟与实际焊接结果表明：模拟熔池形貌与实际焊缝形貌一致，数值计算结果与焊接试验结果相吻合，从而证明复合热源模型是正确和适用的。关键词：电子束焊接；流场；热源模型；316L不锈钢中图分类号：V434—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2015101—0098—07NumericalsimulationofEBWpoolnuidnowfieldWANGKun1，CAIQiang-shun2(1．Xi’anBureau，NaValEquipmentDepanIllentofChina，Xi’an710065，China2．Xi’anSpaceEngineFacto巧，Xi’an710100，China)Abs峨ct：GaussareaandrotaryGaussdecaybodyhybridheatsourcemodelwasestablishedbasedonthese锄featureofnail-shapedelectronbeamwelding(EBW)．TheweldpoolnuidnowfieldinEBWwassimulatednumericallvwiththenniteelementsofhvareANSYSFLOTRANCFD．ThevorteXnowof1iquid—statemetalinweldpoolundertemperaturefiel出interactionamongelectronbe锄，weldp001andliquid—statemetalV叩or，electronbeamkeyholee虢ctandenergytransmissionpattemofkeyholewallaswellasliquid-statemetalnowmechanismalongweldingpene仃ationwereinVestigated．Theweldingspecifications(60kVacceleratingVoltage，30mAelec仃onbeamcun．entand8mrIl／sweldingspeed)of3l6Lstainlesssteelwereobtainedbysimulationcalculationandsolutionthatinputsthennophysicalpropeniesof316Lstainlesssteelintohybridheatsourcemodel．ApplyingtheaboVespecifications，theweldedjointtensilestren垂hof316Lstainlesssteelspecimenreached425MPa，whichsatis母sthedesignrequirement．Thecomparisonresultofsimulatedweld收稿日期：2014—07一18；修回日期：2014—08—29作者简介：王垫(1983一)，男，工程师，研究领域为机械电子工程 第4l卷第l期王垫，等：电子束焊接熔池流场数值模拟研究99sh印eandactualweldsh叩eindicatesthatnumericalcalculationresultsisinaccordancewithactIlaltestingresults，whichproVestheValidi够and叩plicabilityoftheheatsourcemodel．Ke)啊ords：electronbeamwelding；flowfield；heatsourcemodel；3l6Lstainlesssteel0引言电子束焊接(EB聊是在真空条件下利用汇聚的高速电子束流轰击工件接缝，将电子动能转变为热能，使被焊金属熔合的一种焊接方法。电子束焊接能量密度高，焊接深宽比大，焊接变形量小，焊接精度高，焊接质量稳定，易于实现自动化控制，广泛应用于航空、航天、兵器、电子、核工业等领域㈣。电子束能量密度高，瞬间可产生“匙孔”效应，传统的二维热源模型无法体现电子束在工件深度方向的挖掘作用，考虑了深度方向能量吸收的体热源，才能获得更为准确的模拟结果。目前数值模拟研究主要集中在焊接过程温度场与应力场的分布领域∞，而对匙孔内液态金属流动和驱动力的作用过程研究甚少。本文运用数值模拟建立由表面热源和内部体热源组成的复合热源模型，对电子束焊接熔池流场进行数值分析，从而得出最佳焊接工艺规范，以316L不锈钢为例，通过比较数值模拟与焊接试验结果，以验证复合热源模型的正确性和适用性。1不锈钢电子束焊接设计要求为满足使用要求，设计文件对不锈钢工件(厚度6=20mm)电子束焊接质量要求见表1。表1焊缝质量要求Tab．1QuaIityreqIlirementsofwelmngs咖项目质量要求力学性能焊缝抗拉强度要求达到母材抗拉强度80％以上焊缝颜色焊缝及其近缝区的颜色与母材颜色相近焊缝表面焊缝宽度焊缝余高焊缝内部裂纹、未熔合焊缝内气孔焊缝表面不允许有裂纹、烧穿等缺陷正面焊缝宽度≥2mm焊缝余高<6．25mm不允许单个气孑L直径<中1．5mm2熔池流场数值模拟2．1模型与网格划分本文采用vOF算法161建立二维有限元模型，模型尺寸为20mm×20mm，考虑熔池的流动性，在模型的上部建立了一个假想区域，流场模型分为焊缝区、固态区和流体流出区。由于熔池结构是对称的，所以可取熔池流场模型的一半进行数值模拟，对于熔池及其周围单元区域采用较为密集的细网格进行划分，以提高计算精度；对于远离熔池的单元区域采用粗网进行格划分，以提高计算效率。流场模拟的单元为FLuIDl4l川，该单元可以用来建立流体和非流体区域瞬态或稳态流体模型，在流体区域求解粘性流体动量和能量守 100火箭推进2015年2月恒方程，而在非流体区域求解能量方程[8_9]。蚀性能优良，应用范围广泛。316L不锈钢热物性2．2316L不锈钢热物性参数参数陋11岘表2。316L为奥氏体不锈钢，焊接性能良好，耐腐表2316L不锈钢热物性参数：!：璺垒：兰!坠!!翌竺壁垒羔!!!型旦!竺堡型竺!垡!!垒三=!垫!坐竺坐!!温度／℃密度／(kg·m-3)比热／(J·Kg_I·K一1)导热系数／一。m。K。)焓×108／(J。m-3)2．3控制方程假设熔池内的流体是粘性不可压缩牛顿流体，液态金属做层流流动，并考虑到熔池内对流、传导、传热等因素。质量守恒方程为：鲁(pr)+V。(∥r)=V’(争Vrb(1)式中：c为比热；后为导热系数；r为温度；p为密度。2．4流动边界条件液体金属在表面张力作用下产生流动，表面的速度边界条件为肛誓=一斋罟(2)ozolox肛誓=等等(3)。aza7’av、7伽=0(4)式中：肚为粘度系数；盯是液态金属的表面张力。根据对称性，液态金属不能通过对称面，因此对称面内速度边界条件为秽=o；粤=罢=婴=o(5)o，2．5热源模型电子束焊“钉头”状焊缝热源模型为复合热源模型，即由表面热源和内部体热源组成的复合热源模型，表面热源采用高斯面热源模型。高斯面热源模型的数学表达式为【12-13】98_萼慨pf车1(6)1Tr。＼rs／式中：g。为面热源模型能量密度；Q。为面热源模型的总能量；rs为面热源模型的热流分布半径；r为任意一点到热源中心的距离。电子束对熔池具有一定的冲击力可产生穿透作用，同时在金属蒸汽反冲力的作用下可形成深宽比大的焊缝【14】，此时，可采用旋转高斯体热源模型进行数值模拟，该模型还可兼顾电子束焊接匙孔效应、匙孔壁能量传递以及电子束焊接有效加热半径小的物理效应。 第41卷第1期王垫，等：电子束焊接熔池流场数值模拟研究101旋转高斯体热源模型函数为qV29Vc。，。)exp【诼7。Jc7，“o，ob栽㈣1rHfl一号l式中：Q。为体热源的输入功率；r。为z方向平面上任意一点距离z轴中心的距离；H为热源高度；c。为热源形状参数；月。为体热源开口端面半径。2．6数值模拟流程图2为数值模拟求解计算流程框图，求解控制方程由ANSYS软件中的FLOTRANcFD模块完成，具体计算过程为：将表2中316L不锈钢热物性参数和公式(6)。公式(11)运用到公式(1)中求解，得到有限元体的温度参数，温度高于熔点即为液态区，结合流动边界条件公式(2)～公式(5)，采用有限体积法(FVM)离散控制方程㈣，用sIMPLE算法处理速度与压力的耦合关系，求解动量方程，即可得出流场分布。删圳训汁唧[毒#](9)意忌烈己吼砜(o，o卜比)．e冲l再7vJ㈣赢云志假设电子束焊接的有效功率为p。复合热源模型中，面热源和体热源的功率分别为Q。和Q。。则有Q=Q。+Q。=叼￡，，h(10)设面热源所占总功率的功率系数为y，则有：Q。叩Q=777氓(11)式中：u为电子束加速电压；，。为电子束束流强度。复合热源模型由旋转高斯体热源模型和表面高斯面热源模型复合而成，复合热源模型见图l。／蜒。(7q＼么／’V—1—7八7f／●—Llf夕图l复合热源模型示意图Fig．1Hyb—dh魄t∞urcemodeI求解控制方程温度收敛否求解修正速度和压力值巡篓多￥求解能量方程温度收敛否N图2模拟计算流程框图Fig．2nowsh∞tofanalogcomputa廿on2．7数值模拟结果图3为匙孔形成过程(90ms时刻)熔池不同位置处液态金属的流场图。由图3(a)可见，焊接过程中，在高能电子束流轰击作用下，金属表翌罢 102火箭推进2015年2月面形成熔池，熔池中心区出现凹陷，同时熔池中心位置向周边移动，熔池内液态金属在温度场作用下发生流动，表面张力由熔池中心指向熔池边缘，液态金属从表面张力高的中心位置处向表面张力低的边缘处流动，即液态金属由里向外流动，一直流至固一液界面处而发生转向，再次流人熔池内部，从而形成顺时针方向的涡漩。由图3(h1可见，匙孑L壁和固一液界面中间位置处液态金属流动速度较大，而两侧处液态金属流动速度较小，这是由于两侧处液态金属受到固态金属和匙孑L蒸汽摩擦力阻碍所致。熔池内部液态金属是由下向上运动的，这是由金属蒸汽反冲压力作用所致，但由于液态金属流速较小，并没有像表面金属那样形成闭合涡流。在熔深方向，液态金属流动速度随熔深增大而减小，在金属蒸汽反冲力作用下，液态金属向上流动，熔深越大金属蒸汽反冲力越小，因此液态金属流动速度随熔深增大而减小。匙孑L底部的液态金属流动不明显。—．=烹喘而五i了誓。。j丽rj：嚣愚。。i(a)熔池卜I部液态金属流场矢量图(b)熔池中部液态金属流场矢量图图3熔池不同位置处液态金属流场矢量图F远．3Vectordiagramofliquid-StatemetaInow6eIdatdiffbrentpositio璐ofweldpool以316L不锈钢作为焊接试件，采用上述复合热源模型，按照图2所示模拟计算流程框图的流程进行数值模拟，即可得到316L不锈钢试件电子束焊接最佳工艺规范：第1组电子柬焊接]j艺参数为：加速电压60KV，电子束流30mA，焊接速度8mm／s。第2组电子束焊接工艺参数为：加速电压60KV，电子束流20mA，焊接速度8m111／s；第3组电子束焊接工艺参数为：加速电压60kV，电子束流40mA，焊接速度8m—s：运用ANSYsFLOTRANcFD模块，数值仿真3组焊接工艺参数，可以得到3组焊接工艺参数下的数值仿真模拟结果，即熔深与焊接参数之间的关系曲线，见图4。由图4可见，焊接参数2焊接的熔深太浅，m现了未焊透现象；焊接参数3焊接的熔深过大，易造成焊穿等缺陷；焊接参数一焊接所得的熔深与母材厚度(6=20mm)基本相同。由此可以得到316L不锈钢工件最佳电子束焊接工艺规范，即电子束加速电压60kV，电子束流30mA，焊接速度8mm，s。图4熔深与焊接参数数值模拟曲线Fig．4Simlllati蛐curVeofweldingpenetmti∞们thdi骶rentwddingpar踟ete体3316L不锈钢试件焊接采用316L不锈钢电子束最佳焊接工艺规范，用两块316L不锈钢平板按照图5所示的电子束 第4l卷第1期王垫，等：电子束焊接熔池流场数值模拟研究103焊接工艺流程完成了电子束焊接工艺试验，两块316L不锈钢平板尺寸均为：￡(长)×形(宽)×日(厚)=80mm×20mm。图5为316L不锈钢电子束焊接工艺流程框图，焊接设备为KLl10型脉冲真空电子束焊机。图5电子束焊接工艺流程框图Fig．5F10邯h∞tofEBW316L不锈钢试件完成电子束焊接后，经检测和检查焊缝质量结果见表3。316L不锈钢试件电子束焊接工艺试验结果表明：焊缝外观及其内部质量均达到了设计要求，焊缝拉伸强度为425MPa，达到了母材抗拉伸强度(母材抗拉伸强度盯。≤520MPa)的80％以上，由此证明了复合热源模型的正确性和适用性，同时也得到了母材厚度6=20mm的316L不锈钢电子束焊接最佳工艺规范。图6模拟的熔池形貌与实际焊缝金相形貌对比图片Fig．6ComparisonofsimIlIatedweldshape稍thactllalweMjointmetallogmplIicalmo叩hology表3316L不锈钢试件焊缝质量Tab．3Welmngs咖q吼U锣of316Lstaillle鹤st∞Ispecimen图6是采用复合热源模型，运用图2所示的模拟计算流程框图的流程，通过ANSYSFLOTRANcFD模块模拟的316L不锈钢熔池结果(图6右侧)与316L不锈钢采用上述最佳焊接工艺规范焊接的实际焊缝横截面金相形貌(图6左侧)的比较结果图片。由图6可见，两者均具有深宽比较大的的“钉形”特征，外观形状非常吻合，而且熔点附近的等温线与实际焊缝的熔合线 104火箭推进2015年2月轮廓也非常相近，由此证明，复合热源模型是正确的和适用的，模拟的8=20mm厚316L不锈钢电子束焊接流场是正确和合理的。4结论通过研究电子束焊接“钉型”焊缝机理，采用复合热源模型，即高斯面和旋转高斯衰减体复合热源模型，运用ANSYsFL0，I'RANcFD有限元软件，得到了电子束焊接熔池流场数值模拟结果和316L不锈钢电子束焊接最佳工艺规范，即电子束加速电压为60kV，电子束流为30mA，焊接速度为8mIll／s。采用该规范焊接的316L不锈钢试件焊缝拉伸强度为425MPa，达到了母材抗拉伸强度(母材抗拉伸强度盯。≤520MPa)的80％以上，满足设计要求，316L不锈钢试件焊缝金相与316L不锈钢模拟熔池形貌图片比较表明：两者均具有深宽比较大的“钉形”特征，外观形状非常吻合，而且熔点附近的等温线与实际焊缝的熔合线轮廓也非常相近，由此证明，复合热源模型是正确的和适用的，模拟的6=20mm厚316L不锈钢电子束焊接流场是正确的和合理的。参考文献：【1]何景山，张秉刚，张亚斌，等．电子束深熔焊匙孔的研究现状[J]．焊接，2007(6)：28．30．【2】周琦，刘方军．电子束深熔焊接过程匙孔动力学研究进展[J】．焊接学报，200l，22(3)：88．92．[3]汪建华．焊接数值模拟技术及其应用[M】．上海：上海交通大学出版社，2003．[4】陈芙蓉，霍立兴，张玉凤．电子束焊接技术在工业中的应用与发展[J】．电子工艺技术，2002，23(2)：56．58．[5】倪红芳，凌祥，涂善东．多道焊三维残余应力场有限元模拟[J]．机械强度，2004，26(2)：218．222．【6]HⅡtTCW，NICHOLSBD．V01umeofnuid(VOF)methodforthedyn锄icsof舶ebollndary【J】ComputerPhysics，1981(39)：201-225．[7】CARMlGNANIC，MARESR，TOSELLIG．TmsientfiIliteelementanalysisofdeeppene恤tionlaserweldingprocessinasinglepassbuttweldedthicksteelplate[J]．ConlputerMethodsinAppliedMech锄ics蛐dEngineemg，1999，179(3)：197-214．[8】吴廷，赵海燕，王煜，等．高能束焊接数值模拟中的新型热源模型叨．焊接学报，2004，25(1)：91-94．[9】ANTHONYTR，CuNEHE．su响ce却plinginducedbysu而cetensiongradientsdu血glasers曲cemeltinganda110ying[J]．JoumalofAppliedPhysics，1977，48(9)：3888-3894．[10】李春胜，黄德彬．金属材料手册【M】．北京：化学工业出版社，2005：587．596．[11】丁启湛，丁成钢，史春园．不锈钢的焊接【M】．北京：机械工业出版社，2009：35．36．【12]刘黎明，迟鸣声，宋刚，等．镁合金激光．TIG复合热源焊接热源模型[J】机械工程学报，2006，42(2)：82—85．【l3]ARATAY，ABEE，NABEGATAEN．Dyn锄icweldingphenomenaduringEB-weldi【lg[C】／／4th111temationalCol-loquiumonWeldingandMeltingbyElectronandLaserBeam．France：CENSACLAY．1988：21．40．[14]霍厚志．激光深熔焊过程仿真技术[D]．太原：太原科技大学，2009．【15】赵勇．基于力学平衡条件电子束焊接匙孔形态的研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008．(编辑：陈红霞)