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1、 船用1561铝合金薄板TIG电弧加热矫正的有限元分析 孙宏坤 聂黎军 余洋 李东 闫德俊摘 要：近年来，TIG 电弧加热矫正焊接变形越来越多的应用于船舶生产中。本文采用有限元分析软件对TIG电弧矫正工艺进行研究，对船用1561铝合金TIG热矫正过程进行有限元模拟，分析电弧摆动宽度、电弧摆动速度等对铝合金变形矫正工艺的影响，为实际生产中TIG 电弧热矫形的应用提供理论指导。结果表明，为实现有效的电弧矫形效果，产生足够大塑性应变区域的同时，还要保证电弧加热时间和热输入以产生较大的横向塑性应变，进而产生足够大的面外变形，用以抵消船体结构的焊后变形。关键词：电弧矫正;数值模拟;铝合金：TG441.8
2、 ：AFinite Element Analysis of TIG Arc Heating Straightening of Marine 1561 Aluminum Alloy SheetSUN Hongkun， NIE Lijun， YU Yang， LI Dong， YAN Dejun（ 1. The First Military Representative Office of Navy in Guangzhou， Guangzhou 510715;2.Key Enterprise Laboratory of Ship Advanced Welding Technology， CSSC
3、 Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited， Guangzhou 510715 ）Abstract： In recent years， TIG arc heating straightening welding deformation has been increasingly used in ship production. This paper uses finite element analysis software to study the TIG arc straightening process， simulates the TIG
4、 hot straightening process of the marine 1561 aluminum alloy， analyzes the influence of the swing arc width and arc swing speed on the deformation correction process of the aluminum alloy， provides theoretical guidance for the application of TIG arc heating straightening in actual production. The re
5、sults show that in order to achieve an effective arc straightening effect， a large enough plastic strain area should be generated， and the arc heating time and heat input should also be ensured to create a large lateral plastic strain， thereby creating a large enough external deformation to offset t
6、he post-welding deformation of the hull structure.Key words： Arc straightening; Numerical simulation; Aluminum alloy1 前言為实现船体结构轻量化，铝合金凭借其比重和弹性模量小、耐腐蚀、可焊接、易加工、无磁性和低温性能好等特点，已成为船舶的主要结构材料之一， 在船舶制造行业得到广泛应用。然而，由于铝合金具有较高的热膨胀系数和较大的导热系数，难以控制其在焊接时产生的残余应力和变形。焊接引起的变形会造成结构精度不符合要求、结构失稳、强度达不到设计要求等严重后果，给下一阶段的各工种带来装
7、配精度问题。焊后变形矫正措施，主要分为机械矫正法和热矫正法：机械矫正通常用于矫正材料塑性良好、部件小的变形;目前对铝合金船体这种大型焊接结构矫形多采用热矫正，应用较多的有水火矫正和电弧矫正方法。本团队率先提出了利用TIG 电弧加热矫正焊接变形的方法，并开发了一套摆速可调的TIG电弧矫正系统及其电弧矫正装置， 使加热表面产生收缩变形以抵消焊接结构焊后变形，实现变形矫正，但没有明确指出工艺参数对矫正效果的影响。本文为研究电弧矫正装置矫正变形效果，采用有限元分析软件对TIG电弧矫正工艺进行研究，基于热弹塑性有限元方法，充分考虑热源与材料的特点，对TIG热矫正过程进行有限元模拟，分析电弧摆动宽度、电弧
8、摆动速度等工艺参数对铝合金变形矫正效果的影响，进而研究电弧矫正工艺对铝合金焊接变形矫正的效果。2 有限元模型建立2.1 材料参数本研究所用材料为船用1561铝合金，材料的部分热物性参数见表1所示。假定热矫正区域金属和母材采用相同的热物性参数，由于热矫正区域峰值温度不超过500 ，所以对于影响模拟分析较大的弹性模量和屈服强度，通过高温拉伸对 20 500 的参量进行了测量。2.2 网格划分及子程序开发按实际尺寸 11 进行建模，1561铝合金板尺寸为360 mm180 mm3 mm。如图1 a） 所示：通过局部网格细分，在热源路径及其附近区域采用较密的网格，而在远离热源路径的地方采用较疏的网格;
9、模型包含48224个单元、72 639个节点，有限元模型中的拘束仅用来限制模型发生刚性位移，设置图1 b） 所示位移边界条件。为实现加热电弧一方面沿着试板长度方向运动，另一方面在试板宽度方向以一定的频率进行z字形摆动，电弧摆动加热热源通过Fortran语言编写用户子程序flux.f实现。3 有限元模拟及结果分析3.1 电弧矫正热源温度场分析通过子程序设置热源前进速度为3 mm/s、摆动速度为30 mm/s、热源摆动宽度为50 mm、电弧加热最高温度为350 。图2为某时刻热源情况，热源在板两侧形成温度梯度，电弧加热侧温度高且受热范围大，使得收缩量大于背面，从而形成在受热区向下弯曲变形;矫正变形
10、量的多少，取决于受热区板两侧收缩量的大小。若两侧收缩量之差较大，则矫正变形量较大。以摆动宽度50 mm为例进行分析：图3为TIG热矫正横向应力分布图，电弧在由摆动中心向一侧摆动后，反向继续加热，使得电弧加热区反复受热，则会出现摆动覆盖区域受压缩作用、前进方向两侧受拉伸作用;同时，在电弧摆动覆盖区域，板的横向应力左右前后以及横截面处呈交替拉应力与压应力对称平衡状态。图4为板中间局部塑性应变分布，分布特征类似于横向应力分布。由于电弧加热侧温度高且受热范围大，所以电弧加热侧产生的塑性应变大于试板背面，使得板向热源一侧产生面外变形，利用这种电弧加热产生的变形效果，通过抵消铝合金船体焊后变形实现矫形。3
11、.2 热源摆动宽度对变形矫正的影响通过子程序设置热源的温度大小（最高温度为350 ）、前进速度为3 mm/s、摆动速度为30 mm/s、热源摆动宽度分别为20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm，边界条件及其他相关设置与上述模型一致。图5为TIG热矫正有限元模拟的面外变形云图。从图5模拟结果可以看出：TIG热矫正接触区域变形下凹、两侧变形向上翘起、板边缘向矫正区收缩;热源摆动宽度分别为20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm时的相对应面外变形，分别为2.3 mm、2.8 mm、3.4 mm、3.6 mm、3.3 mm、2.4 mm。可
12、以看出，当热源摆动宽度为50 mm时，板产生的面外变形量最大;图6为不同摆动速度横向塑性应变云图。从图6可以看出：在相同前进速度和摆动速度条件下，摆动宽度越小则热源侧压缩塑性应变峰值越大，但热源在一个摆动周期内的加热区域产生的塑性应变总值较小，从而导致板产生的面外变形较小。因此，当热源前进速度为3 mm/s时、摆动速度为30 mm/s时、摆动宽度为50 mm时，矫形效果更好。3.3 热源摆动速度对变形矫正的影响调整摆动速度分别为10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s、40 mm/s、50 mm/s，热源摆动宽度为50 mm，热源前进速度为3 mm/s，其余设置与上述模型一致，进行有限元
13、模拟：摆动速度分别为10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s、40 mm/s、50 mm/s时，对应的最大面外变形为1.4 mm、2.6 mm、2.9 mm、2.85 mm、2.5 mm。可以看出，在相同前进速度和摆动宽度下，摆动速度分别为10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s时，摆动速度越大则最大面外变形也越大;图7为不同摆动速度横向塑性应变云图。从图7可以看出：在相同前进速度条件下，摆动速度越快对同一单位时间内产生压缩塑性应变区域越大，导致最大面外变形也变大。当摆动速度由30 mm/s增加至40 mm/s、50 mm/s时，摆动速度增大，热源接触面产生横向塑性应变密度差别不大
14、;而在横截面处，产生塑性应变量减少，最大面外变形减小，这是由于摆动速度过快，热源在板上某一固定位置停留时间缩短，导致热输入下降，从而使温度下降，使得矫正变形量越小。可以得出在摆动宽度为50 mm、热源前进速度为3 mm/s、摆动速度30 mm/s时矫形效果更好。3.4 板厚对变形矫正的影响调整板厚分别为3 mm、4 mm、5 mm，热源摆动宽度为50 mm，热源前进速度为3 mm/s，摆动速度为30 mm/s，热源的最高温度为350 ，其余设置与上述模型一致，进行有限元模拟：图8为板厚分别为3 mm、4 mm、5 mm时，同一时刻电弧加热的温度场分布情况。可以看出，在同样的热输入下，板厚越薄则
15、形成温度场范围越大、板背面温度越高，从而促进变形;板厚越厚则板背面温度越低、刚度更大，使得变形量越小;图9为板厚分别为3 mm、4 mm、5 mm时，板的面外变形情况.可以看出，3 mm厚板最大面外变形为3.6 mm、4 mm厚板最大面外变形为0.4 mm、5 mm厚板几乎没有变形，说明了电弧矫正适用于薄板的变形矫正。4 结论（1）在相同前進速度和摆动速度条件下，摆动宽度越宽则横向塑性应变值越小，但单位摆动周期内产生压缩塑性应变区域越大。故为保证产生足够面外变形抵消船体结构焊后变形，应选用合适工艺参数，使加热区域内热源侧塑性应变总值足够大;（2）在相同前进速度和摆动宽度条件下，摆动速度越快则同
16、一单位时间内产生压缩塑性应变区域越大。但同时还需要保证充足的高温停留时间，使热源在加热部位产生足够大的横向塑性应变，进而产生足够面外变形，用以抵消船体结构焊后变形;（3）通过有限元模拟，得出电弧加热矫正方法是一种矫正薄板变形的有效手段，板厚越薄则电弧矫正效果越好。参考文献1王珏. 铝合金在造船中的应用与发展J.轻金属， 1994（4）：49-54.2 Markp Staigera，Alexism PietakaI. Magnesium and its alloys as orthopedicbiomaterials：A reviewJ.Biomaterials，2006， 27（9）： 1728-1734.3 D
