[发明专利]一种Fe-36%Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法

说明书

本发明公开了一种Fe‑36％Ni合金PMIG摆动焊热‑机械耦合有限元建模方法，构建了用于分析Fe‑36％Ni合金厚板温度场与应力应变场的热‑机械耦合模型。建模过程包括构建几何模型，划分网格，建立点集及单元集、材料模型、热‑机械有限元模型。通过合理设定焊接工艺参数、摆动路径及焊接顺序，利用相关有限元分析软件求解计算建立的耦合模型，施加模拟脉冲电弧焊的热边界条件，设置符合实际工艺的摆动焊接路径，得到对应焊接工艺参数下的Fe‑36％Ni合金温度场、应力场分布及变形情况，从而指导并优化焊接工艺。

技术领域

本发明针对大型Fe-36％Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模技术领域，具体指代一种Fe-36％Ni合金厚板多层单道PMIG摆动焊温度场及变形模拟方法。

背景技术

Fe-36％Ni合金即Invar钢，又称殷钢，是一种低膨胀精密合金，在电子等行业得到了相当广泛的应用，并展现出其优异的性能，由于Fe-36％Ni合金与复合材料的热膨胀系数吻合度较高，Fe-36％Ni合金用于复合材料模具制造，能够克服因碳钢、铝合金等传统模具材料与复合材料热膨胀系数相差较大而带来的尺寸精度差、稳定性不良等问题。

大型Fe-36％Ni合金模具很难一次成形，通常采用焊接结构，主要采用的传统焊接方法包括手工电弧焊、埋弧焊、惰性气体保护焊等均存在一定的不足，例如变形严重、晶粒粗大、熔合不良、工艺繁琐等，严重影响模具的焊接成形质量及生产效率。PMIG摆动焊接是指采用脉冲MIG电弧，同时将传统厚板多层多道焊接中的贯通焊接路径改为摆动焊接路径。该焊接方法能够增加焊缝熔深，有效改善Fe-36％Ni合金层间熔合；净化熔池杂质，提高接头力学性能；多层单道填充成形，提高焊接效率。然而，将PMIG摆动焊接工艺应用于Fe-36％Ni合金模具的实际生产，还有赖于反复的工艺参数探索及优化实验，费时费力，且成本高昂。

采用数值模拟技术对焊接工艺进行数值模拟，通过合理设计工艺参数，获取关键焊接结果参数，能够科学、有效地指导Fe-36％Ni合金PMIG摆动焊接工艺参数的探索与优化。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Fe-36％Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法，以解决现有技术中PMIG摆动焊接工艺应用于Invar钢模具的实生产，依赖于反复的工艺参数探索及优化实验，费时费力，且成本高昂等问题。

为达到上述目的，本发明的一种Fe-36％Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元建模方法，包括步骤如下：

步骤1：根据构件的实际几何形状建立相应的三维几何模型，根据实际焊接层数和道数，采用粗细网格过渡的方式进行网格划分，并检查网格质量；

步骤2：基于材料性能模拟软件，根据Fe-36％Ni合金的化学成分，建立随温度线性变化的材料模型，包括密度、泊松比、热导率、比热容、热膨胀系数、屈服强度、杨氏模量等；

步骤3：基于热弹塑性法建立Fe-36％Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合有限元模型，包括热过程计算时需要的能量守恒方程，和应力/变形计算时需要的应力-应变本构方程；

步骤4：在有限元计算软件中求解上述控制方程，施加脉冲电弧焊的热边界条件，定义多层多道摆动焊接路径，进行Fe-36％Ni合金PMIG摆动焊热-机械耦合建模与计算。

步骤5：分析温度场、焊接变形及残余应力计算结果，确定是否满足工艺要求，否则，通过改变焊接工艺参数、调整焊接热源摆动路径等方法重新求解计算，得出最优工艺方案。

进一步地，步骤2中完成网格模型建立后，为了简化有限元模型建立过程中对网格中特定节点和单元的选取操作，在将网格模型导入有限元模拟软件之前，针对焊接路径、边界条件等设置，建立相应的点集和单元集。