铝制储液罐脉冲MIG焊实验分析及数值模拟研究

摘要

储液罐是汽车空调系统中储液干燥器的核心组件，其质量的好坏，尤其是气密性直接影响空调的制冷性能。储液罐选用的材料是冷轧3A21铝合金管，其主要的加工工艺之一是储液罐筒体与端盖的焊接。铝合金因氧化性强、导热系数及膨胀系数大等特点，焊后易产生气孔、热裂纹、内应力及变形等缺陷，焊接质量不易控制，选用热输入低、熔敷效率高的脉冲MIG焊工艺进行焊接。由于控制脉冲MIG焊工艺参数多，系统的试验分析工作量大，成本高，效率低。因此，为高效、经济、科学的优化焊接工艺参数，有效的减少实验次数，采用正交实验结合数值模拟分析法，对焊缝表面成形质量评估、焊缝组织分析、焊后残余应力及应变分析有十分重要的意义。
　　 本文选取了焊接电流、焊接速度、电弧特性、焊丝干伸长及保护气体流量五个因数，设计了五因素四水平正交实验。依据评分标准对焊缝表面成形进行评分，采用直观分析法，比较各因素极差，得出各因素对焊缝成形显著性由高到低依次为：焊接速度，焊接电流，电弧特性，气体流量和焊丝干伸长，并得出了最优组合。对0＃、6＃、7＃、2＃、15＃五个实验组进行焊缝宏观形貌、微观组织、热裂纹、气孔以及硬度分布进行了比较，分析了产生缺陷的原因，为优化参数提供参考。
　　 结合数值模拟理论及焊接实际，对储液罐筒体与端盖焊接结构进行简化，采用Visual Mesh网格划分软件建立了网格模型。依据因素的显著性水平，确立数值模拟方案，并分别建立了热源模型、设置约束条件、求解参数。
　　 对电流110A、电压21.5V进行数值模拟，给出了焊接场演变历程和焊缝内外侧不同角度焊缝及近焊缝热循环曲线，并分析了温度场分布规律，同时，采用热电偶测温仪实测了两组热循环曲线，与模拟结果比较，二者基本吻合，证明了模拟结果的可靠性。
　　 通过热-力耦合，依据焊接热弹塑性有限元分析理论，考虑了材料特性随温度变化的非线性以及材料的应变强化，对各方案进行应力和变形数值模拟分析。对比分析焊缝内外侧不同角度周向应力、轴向应力分布规律，预测各自变形量。
　　 最后采用优化参数组合进行试焊200件，质检后统计合格率为96％，数据表明优化参数组合可以作为最优工艺参数指导生产。