镁合金双弧焊接过程数值模拟与应力分析

【摘要】：双电极气体保护焊(Double Electrode Gas Metal Arc Welding,DE-GMAW)是一种高效经济的焊接方法,采用钨极惰性气体保护焊(Tungsten Inert Gas Arc Welding,TIG)与熔化极惰性气体保护电弧焊(Metal Inert Gas Arc Welding,MIG)相结合,利用旁路TIG的分流作用,解决了常规电弧焊在高速焊接时,为了提高熔敷率而增加焊接电流却导致母材热输入过大的问题。将此种焊接工艺应用到目前备受瞩目的镁合金材料中,可实现镁合金材料的高效连接,使镁合金加工技术满足更多领域的需求。本文基于ANSYS软件,针对2mm厚的AZ31B镁合金薄板DE-GMAW双弧表面堆焊进行了数值模拟,并结合DE-GMAW焊接实验,做了如下研究:(1)针对倾斜的TIG焊枪,通过空间坐标转换,推导出适用于倾斜电弧的热源模型,进而建立了适用于本文的双弧热源模型。采用模拟与实验相结合的方法,不断的改变旁路电弧的耦合效率,使模拟的熔池尺寸不断逼近实验值,最终确定旁路电弧的耦合效率。(2)将双弧热源加载至AZ31B镁合金焊件的有限元模型上进行求解,得到了焊接温度场的动态分布和热循环曲线,并且讨论了总电流和旁路电流对温度场的影响,以及旁路电弧对母材的热量输入和熔池尺寸的影响。模拟结果与实验结果相符,验证了双弧热源的正确性。(3)采用热-应力间接耦合的模拟方法获得了AZ31B镁合金DE-GMAW的焊接应力动态分布,以及沿焊缝方向和垂直焊缝方向上、焊缝及附近区域的残余应力,模拟结果与焊接结构学理论一致。(4)针对焊后的残余应力,采用小孔释放法进行了测量;并对焊后工件的整体变形进行了实验测量。测量的残余应力及整体变形结果与模拟值基本符合。通过模拟得到的温度场、应力和变形的结果,与焊接理论及实验测量结果相符,证明了采用本文建立的双弧焊接热源模型可以准确的反映焊接电弧的实际加热过程和焊接结果,能够为AZ31B镁合金DE-GMAW焊接工艺提供正确的理论数据。