秦星 王璞 張歸圣

（萬向通達股份公司，十堰442000）

1 前言

法蘭是車輛排氣系統(tǒng)中重要的密封連接件，而車輛排氣系統(tǒng)是汽車中內(nèi)部環(huán)境變化最大、最復(fù)雜的部件，需要承受-20～850 ℃以上溫差導(dǎo)致的變形、高溫高速廢氣的高頻振動及廢氣的化學(xué)腐蝕。因此排氣系統(tǒng)使用的法蘭必須具備連接的可靠性、高強度、耐腐蝕等特點。雖然法蘭的加工工藝保證了單個法蘭零件的性能，但在排氣系統(tǒng)的制造過程中，法蘭與排氣管焊接時會產(chǎn)生一定的變形，導(dǎo)致焊接后的法蘭平面需要再加工來保證原本的平面度要求。如果法蘭的焊接變形較大，可能會使其無法矯正或再加工后極大影響強度，直接導(dǎo)致廢品產(chǎn)生。因此法蘭焊接后，必須保證其各項性能依然滿足排氣系統(tǒng)的性能要求。

排氣系統(tǒng)的法蘭焊接變形是當排氣管與法蘭焊接過程結(jié)束后法蘭的殘余變形，是由于焊縫和法蘭的近縫區(qū)在焊接過程中產(chǎn)生壓縮塑性變形而產(chǎn)生的。在法蘭自由狀態(tài)下進行焊接時，壓縮塑性變形區(qū)域越大，焊接變形也越大。能夠減小壓縮塑性變形區(qū)的工藝措施，就能有效地預(yù)防和減小法蘭的焊接變形。

高溫停留時間、冷卻速度、熱循環(huán)參數(shù)均會對焊件的組織狀態(tài)、力學(xué)性能、冷裂紋產(chǎn)生重要影響。因此對焊接溫度場的準確計算是焊接冶金分析、殘余應(yīng)力和變形計算及焊接質(zhì)量控制的前提條件。通過選取移動高斯熱源的有限元分析驗證能夠簡單高效地減少法蘭在焊接時產(chǎn)生的殘余變形的優(yōu)化方案。

2 法蘭焊接模型的確立

2.1 高斯移動熱源模型

高斯熱源是一種表面點熱源，熱量是從中心點向四周擴散，呈現(xiàn)球狀熱量，對應(yīng)平面就是圓環(huán)熱源。高斯表面熱源分布假設(shè)焊接熱源具有對稱分布的特點，因此適合用來模擬低速焊接的過程。移動焊接熱源在焊接時，焊件的溫度隨時間和位置的變化波動劇烈，形成了一個梯度很大且不均勻的溫度場，此溫度場為非線性的瞬態(tài)傳熱形成，因此選取和建立較為精準的熱源模型也是考察焊接變形的關(guān)鍵之一。

排氣管與法蘭焊接焊縫的熔寬較大、熔深較小、熔池淺，因此可以選取高斯表面熱源模型模擬，其熱源熱流的功率密度方程如下：

式中：q(r)為熱源半徑r處的表面熱流密度，qmax為熱源中心處最大熱流密度，C為熱流集中系數(shù)，r為焊件上任意點至電弧加熱斑點中心的距離。例如，某一點的熱流密度為qmax的5%時，該點距離熱源中的距離即為r0，因此，

可得C為:

對應(yīng)最大熱流值qmax為:

式中：P為熱源的有效功率。

式中：η為焊接熱效率，U為焊接電壓，I為電弧電流。

綜上，式（1）可寫為：

如圖1 所示，焊接電弧沿著x方向低速移動，由于電弧對法蘭的熱能傳輸下形成了熔池，其面積即為焊接時的加熱斑點。

圖1 高斯分布熱源模型

對于電弧有效加熱半徑的選取，參考實際生產(chǎn)中內(nèi)徑為72 mm 排氣管法蘭焊接時焊縫寬度，經(jīng)測量內(nèi)徑為72 mm 的排氣管的法蘭焊接的焊縫寬度基本控制在5～6 mm，而電弧的有效加熱半徑不會大于實際焊縫寬度的一半。因此可以設(shè)定電弧有效加熱半徑的最大值rmax= 3 mm。在使用溫度場仿真分析時，可以通過仿真結(jié)果的溫度和實際現(xiàn)場測量的焊接溫度差值，來確定使用3 mm 作為電弧有效加熱半徑是否合理，如差異較大，需要適當調(diào)整仿真分析所選取的熱源半徑，使溫度場分析的結(jié)果與實際測量的溫度場盡量一致。

目前Workbench 中的瞬態(tài)熱分析模塊只能用于定義時間變化或空間變化的邊界條件。定義一個在空間上和時間上都不同的載荷，則需要使用APDL 命令。使用移動高斯熱源模型則使用下列方程：

式中：v為焊接熱源的移動速度，τ為定義熱源初始位置的時間因子，t為時間。

2.2 溫度場的計算模型

設(shè)定模型中模擬的焊接電弧在焊件上沿紅色虛線方向順時針移動，如圖2 所示。

圖2 模型溫度場計算模型

焊接初始溫度即環(huán)境溫度為28 ℃。需要考慮除焊接軌跡兩側(cè)表面外的其他面的對流和輻射散熱，忽略氣流及電弧吹氣的影響，建立如下控制方程：

式中：為內(nèi)部生成熱，kx,ky,kz為導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度場的分布函數(shù)，c為材料的比熱容，ρ為材料密度。

對流邊界條件利用表面效應(yīng)單元在ANSYS 通過SF 命令中的CONV 選項加載到相應(yīng)的對流區(qū)域，邊界條件為：

式中：h為對流換熱系數(shù)，qc和qr分別為表面對流散熱和輻射散熱，Ta和Tb為熱流附近的溫度與模型的表面溫度，σ和ε為玻爾茲曼常數(shù)與發(fā)射率，σ為5.67×10-8W·m-2·℃-4，ε為0.6。

GUI 操作如下：Main Menu＞Solution＞Define Loads＞Apply＞Thermal＞Convection，選取焊接面為加載區(qū)域，并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。

2.3 排氣管法蘭焊接有限元模型的建立

建立有限元仿真模型，在不影響移動熱源在焊件內(nèi)部熱傳導(dǎo)的前提下，適當簡化CAD 模型后，如圖3 所示。

圖3 CAD模型簡化前后

刪除法蘭遠端的管件，支架和金屬軟管等無需參與計算的部分，保留重點考察的熱端法蘭與管件焊接的部分。

2.4 邊界條件

通過2 種約束方式來對比法蘭焊接變形的情況，如圖4 所示。

圖4 2種約束條件下的模型

3 有限元仿真結(jié)果

3.1 有限元模型

將圖4 的簡化后的CAD 模型導(dǎo)入ANSYS Mechanical 建立排氣管與法蘭焊接的有限元模型，根據(jù)模型中焊件的幾何形狀、尺寸，使用六面體網(wǎng)格，并細化焊縫區(qū)域和近焊縫區(qū)的網(wǎng)格，遠離焊縫區(qū)使用較大尺寸的網(wǎng)格來提高計算效率，如圖5 所示。

圖5 有限元網(wǎng)格模型

計算中采用了單元的激活設(shè)置來模擬移動熱源及焊縫的形成過程。設(shè)定模型中移動熱源施加的位置、路徑、起點、作用時間，如圖6 所示。

圖6 ANSYS熱源模擬形式

并結(jié)合實際法蘭焊接情況在計算輸入中設(shè)置熱流源的速度v=3 mm/s，熱源半徑rmax=3 mm，焊接電壓V=23 V, 焊接電流為I=180 A，需考慮表面換熱，輻射和對流為主要換熱方式。圖7 為對流薄膜系數(shù)隨溫度變化情況。

圖7 對流薄膜系數(shù)

3.2 溫度場結(jié)果

按初始設(shè)定的焊接熱源半徑r，焊接速度v，焊接電壓U和焊接電流I的輸入下，得到模型的溫度場結(jié)果，如圖8 所示。

圖8 4個時刻下的溫度場

圖8 展示了焊接過程中0.4 s、12.6 s、21.7 s、31.6 s 時刻的溫度分布。如圖9 所示，在加熱過程中，隨著熱源的移動，焊件各點的溫度迅速升高，經(jīng)過一段時間后形成一個準穩(wěn)態(tài)的溫度場；在隨后的冷卻過程中，由于受到后部熔池的再熱作用，各位值的冷卻速度互不相同，隨時間變化，最終焊件上的溫度逐漸趨于穩(wěn)定，最終降至室溫。

圖9 溫度場熱源中心點溫度變化

將此4 個時刻的溫度最大值與實際焊接時的測量結(jié)果對比，結(jié)果如表1 所示。

表1 溫度場仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比

實測焊接溫度，使用的是紅外熱成像儀的實時測量，其準確度和效率優(yōu)于傳統(tǒng)的熱電偶測溫方法。其可以在不影響焊接法蘭溫度場的情況下對熔池位置的溫度快速和準確的測量。

仿真溫度場結(jié)果與實測的溫度的誤差在3.1%～10%之間，其產(chǎn)生的主要原因如下：

a.手工焊接的速度無法均勻的保持在3 mm/s的狀態(tài)；

b.仿真的材料高溫屬性1 000 ℃以采用外推法的影響；

c.使用紅外攝像儀取點時刻與仿真的時刻會有一定的偏差。

將求解得到的溫度場結(jié)果作為輸入分別耦合到確定的2 種不同約束的模型中進行瞬態(tài)的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。

3.3 焊接應(yīng)力/應(yīng)變結(jié)果

實際法蘭焊接過程中，對法蘭的不均勻加熱，會產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。焊接時焊縫和近縫區(qū)的金屬處于高溫狀態(tài)，焊接后，金屬冷卻沿著焊縫產(chǎn)生縱向收縮時，會受到焊件低溫區(qū)域部分的阻礙，因此焊縫和近縫區(qū)縱向受拉應(yīng)力，遠離焊縫區(qū)受壓應(yīng)力，于是整個法蘭縱向和橫向尺寸均會有一定的收縮率。焊接過程中，如果焊件可以自由地伸縮，則焊接后的變形較大而焊接應(yīng)力較小；反之，焊件較厚或剛度很強，自由伸縮率有限，則焊接后焊件的變形較小，但焊接應(yīng)力較大。

通過ANSYS 瞬態(tài)結(jié)構(gòu)模塊求解得到焊接后的應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果，如圖10 所示。

圖10 焊接后的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果

通過圖10 可以得出，在法蘭端無任何約束的情況下，焊接后法蘭連接斷面的殘余應(yīng)力最大值為17.2 MPa，應(yīng)變最大值為0.3%。而厚板約束法蘭的情況下，焊接后法蘭的殘余應(yīng)力最大值主要集中在法蘭的4 個螺栓孔內(nèi)側(cè)，法蘭連接端面上的殘余應(yīng)力最大值在178 MPa，應(yīng)變最大為0.05%。

由此判斷，排氣管法蘭焊接時，使用厚板約束法蘭這種剛性約束的焊接方式，可以有效地降低法蘭連接面上的殘余變形，降低法蘭密封性差的風(fēng)險。但要注意，以此種方式法蘭焊接，去除約束后殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形。對仿真結(jié)果分析，根據(jù)其殘余應(yīng)力最大值與彈性極限的差值，判斷是否需要調(diào)整焊接參數(shù)來降低焊接后法蘭上的殘余應(yīng)力。

4 焊接熱源參數(shù)調(diào)整

4.1 模型方案的確定

按選定厚板固定法蘭的焊接方案，調(diào)整模擬焊接熱源的電流和焊接速度。為保證產(chǎn)品對焊縫寬度要求，對焊接電壓和熱源有效半徑不做變動。具體驗證對比方案的焊接參數(shù)如表2 所示。

表2 熱源參數(shù)調(diào)整方案

焊接時，熱影響區(qū)各點的最高溫度不同，因此其組織變化也不同，焊接接頭處各區(qū)域的最高加熱溫度和碳鋼相圖，如圖11 所示。

圖11 焊縫熱影響區(qū)組織變化示意

焊接熱影響區(qū)是影響焊接接頭性能的關(guān)鍵部位，焊件失效的部位往往不是發(fā)生在焊縫區(qū)域，而是熱影響區(qū)。因此在調(diào)整焊接參數(shù)后必須仔細分析熱源中心附近溫度場的狀態(tài)變化，降低對焊縫熱影響區(qū)的影響。

4.2 溫度場結(jié)果對比分析

4 種方案的溫度場最高溫度對比如圖12 所示。

圖12 4種熱源方案的最高溫度

實際焊接工藝中，在焊接電流和焊接電弧電壓一定的情況下，焊接速度增加時，焊縫的熔深，熔寬和余高均會減小。如果速度過快，容易出現(xiàn)咬邊和未熔合的現(xiàn)象，速度減小時，焊縫變寬，變形量增大，效率降低。焊接電流的大小調(diào)整主要根據(jù)使用的焊條直徑來確定，焊接電流太小，焊接生產(chǎn)效率低，電弧也不穩(wěn)定，焊接電流過大，會引起融化金屬的飛濺，嚴重時可能燒穿焊件。

因此，要在合理范圍內(nèi)降低電流，適當加快焊接速度，才能有效地降低焊接時熱源中心的溫度，減少對焊接熱影響區(qū)的影響，同時減少焊接時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形。

4.3 應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果的對比分析

選取焊接電流160 A，焊接電壓23 V，熱源的有效半徑為3 mm，焊接速度5 mm/s 的移動熱源分析得到結(jié)果如圖13 所示。

圖13 160 A，v=5 mm/s 應(yīng)力與應(yīng)變結(jié)果

厚板約束法蘭的情況下，降低焊接電流，加快焊接速度后，法蘭連接端面上的殘余應(yīng)力最大值在98 MPa，應(yīng)變最大為0.02%。

4.4 終選的法蘭焊接參數(shù)

通過以上的驗證，對比主要3 種焊接方式與參數(shù)的結(jié)果，如表3 所示。

表3 主要3種方案的結(jié)果對比

因此，在排氣管生產(chǎn)中，建議法蘭焊接時采用厚板固定法蘭，焊接電流160 A，電壓23 V，焊接速度5 mm/s 的方式進行排氣管與法蘭的焊接。

5 結(jié)論

a.法蘭焊接在手工電弧焊的實際熱源特點和其形成焊縫特征使用高斯移動平面熱源能夠較好地模擬實際焊接的情況，并且模擬得到的熔池區(qū)域與實際焊縫熔合線相符。

b.法蘭與排氣管焊接時，建議使用法蘭端平板約束的方式進行焊接。通過剛性約束增加法蘭的整體剛度從而減小其焊接變形。但需要注意這種剛性約束帶來的法蘭焊接后的殘余應(yīng)力，如果熱分析后，發(fā)現(xiàn)法蘭殘余應(yīng)力值很大，我們需要在后續(xù)調(diào)整焊接熱源參數(shù)時考慮到殘余應(yīng)力的消除。

c.在選定熱源加熱半徑后，在合理范圍內(nèi)適當降低焊接的電流并增加焊接速度，可以降低焊接時的最高溫度，降低法蘭剛性約束產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，最終有效減少法蘭焊接后的殘余變形，進一步保證法蘭裝配后的密封性。