电子束焊接的凝固缺陷预测

摘要

铝合金因其密度小，导电导热性好，耐腐蚀及加工性能好等优点，广泛应用于航空航天、石油化工等领域。但其热容，热导率和熔化潜热均较大，而电子束焊接因其能量密度高、化学成分纯净、热影响区小等特点成为中厚板铝合金焊接的首选。
　　但电子束焊接过程中凝固缩孔的存在，成为影响焊接结构使用性能的重要因素。因此，对焊接凝固缩孔的研究，就变得至关重要。
　　本文针对20mm厚5A06铝合金，在有限元分析软件ANSYS中对凝固缩孔的产生进行预测。首先基于凝固过程中枝晶间的流动和宏观温度场的关系建立了凝固缩孔产生判据为（公式略），并与收缩势法相结合作为电子束焊接凝固缩孔产生的判据。
　　焊接温度场的建立采用了两种热源模型进行计算，结果发现：Gauss面热源和拟合抛物线形热源组合的复合热源模拟得到的焊缝熔合线形貌与实际比较接近，证实了采用该热源模型较为准确。
　　为了计算能够顺利较快的进行，这里开启了 ANSYS12.1的share-memory并行功能，能够节省时间约20％。同时，比较了不同网格大小条件下，聚焦电流、焊接速度、焊接束流对凝固缩孔的产生位置、大小及间距的影响。结果证实：网格越细，模拟得到的缩孔大小也越接近实际值。对于较粗的网格，只适用于计算大的缩孔。而且随着聚焦电流的增加，模拟得到的缺陷点数先减小后增加；随着焊接束流的增加，缺陷点数先增加后减小；随着焊接速度的增加，缺陷点数总体呈上升趋势。计算得到的缩孔位置多集中在焊缝的下部。其产生具有一定的周期性，而且通过试验发现，缩孔的产生与焊缝成形有关。焊缝波纹越细密均匀，凝固缩孔的间距也越小，超过标准要求的点数也越少。另外也获得了缩孔判据的适用条件为完全非穿透及部分穿透焊缝。
　　将网格细化到0.1mm×0.1mm×0.1mm后，计算得到的凝固缩孔大小与试验值相比，沿焊缝熔深方向误差为8.76%，沿焊缝熔宽方向误差为23.46%，计算与试验值符合良好。