汽车消声器焊接变形与残余应力的数值模拟分析

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报5（2018）382汽车消声器点焊S.H. Leea，b，E.S.Kima，J.Y.帕克，J。Choia，Choia大韩民国蔚山44413 Jung-gu Jongga-ro 55号韩国工业技术研究所b蔚山大学材料科学与工程学院93，Daehak-ro，Nam-gu，Ulsan 44610，大韩民国阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年12月20日收到收到修订版，2018年4月19日接受，2018年2018年5月14日在线提供保留字：汽车消声器热变形焊接模拟残余应力热源配件A B S T R A C T在汽车工业中，金属惰性气体（MIG）焊接技术被广泛用于汽车消声器的制造。然而，消声器在焊接过程中会因热变形而变形本文利用SYSWELD软件对双头焊焊接变形和残余应力进行了模拟计算数值分析预测的熔池截面形状与实验结果进行了比较在应力的结果中，当在远离焊缝的区域中产生压应力时，在靠近焊缝的区域中产生高的变形值计算为2.5 mm。实际焊接变形的位置与实验结果相似。根据研究结果，SYSWELD将提供优化焊接工艺的方法，以提高消声器的生产率。©2018 计 算 设 计 与 工 程 学 会 Elsevier 的 出 版 服 务 这 是 一 个 在 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍汽车尾气排放对环境造成了很大的损害。近年来，对汽车消声器的降噪研究引起了广泛的关注.消声器的作用是降低废气的温度和压力，减少噪音。消声器的各个部件通过焊接组装。特别地，金属惰性气体（MIG）焊接广泛地用于组装，并且是最普遍的电弧焊接工艺之一。由于操作简单和生产率相对较高，因此可应用于广泛的板厚范围。然而，消声器在焊接过程中可能由于热变形而变形，这可能在制造过程中引起尺寸问题。焊接技术是制造船舶、汽车、火车和桥梁等众多产品的主要方法。例如，汽车工业中的装配过程基本上涉及各种部件的连接。在消声器的制造过程中，焊接变形主要是由焊接过程中的高温引起的。因此，在实际焊接过程中，焊接变形会导致尺寸问题。焊接变形具有由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者。电子邮件地址：junchoi@kitech.re.kr（J. Choi）。对制造精度和外观的负面影响。此外，这不仅降低了焊接结构的性能，而且还增加了制造结构的成本。此外，组装时间表的延迟可能会导致问题。虽然要完全消除这种变形是非常困难的，但预测焊接变形可以避免装配过程中的此类问题。此外，焊接变形必须在实际焊接过程之前解决提 高 焊 接 结 构 的 质 量 （ Deng& Murakawa ， 2007; Deng&Murakawa，2008; Yu，Li，&Zhang，2013; Yupiter例如，2015;Zhu，Dong，Lin，Lu，&Li，2014）。在过去的几十年里，焊接变形已经通过实验测量和经验公式进行了研究。然而，这些经验和公式不能准确地预测焊接变形的值（Yu等人，2013年）。为了获得准确的结果，热弹塑性有限元法（FEM）与实验和数值模拟一起使用。在采用SYSWELD软件进行点焊有限元分析时，采用合适的热源模型对焊接过程进行数值模拟，对获得准确的变形结果至关重要。此外，模拟结果应与实验方法进行比较以进行验证。利用SYSWELD软件对汽车消声器的热变形和残余应力进行了模拟计算建立了热变形的三维有限元模型，以生成低温度下的固体-壳型模型。https://doi.org/10.1016/j.jcde.2018.05.0012288-4300/©2018计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。S.H. Lee et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）382383计算成本在靠近热影响区（HAZ）的区域使用细网格，在远离焊接区的区域使用粗网格。焊接模拟的参数包括热源移动速度、单位长度能量输入、熔池形状、熔深、焊接顺序、焊接方向和夹紧条件。采用热弹塑性有限元法对汽车消声器焊接过程中的热行为和力学行为进行了采用SYSWELD公司的热源拟合法（HSF法）对双头焊的热源进行通过迭代法中热源的定义，优化了三维零件模型将HSF结果与实际焊接部分的横截面进行了比较双椭球热源是最合适的点焊热源模型将数值分析预测的汽车消声器的变形与实验结果进行了比较，两者基本一致。经确认，间隙出现在与实际焊接变形相同的位置残余应力在焊缝区及周围热影响区产生了较高的应力集中.焊接热影响区的应力集中是由于熔池的凝固和母材的收缩引起的。因此，拉应力发生在焊接区和熔化区周围，在远离焊接区的地方产生压应力。这种残余应力是引起焊接变形的主要基于结果，通过EAS-WELD提出了一种优化焊接工艺的方法，以提高消声器的生产率（ Friedman ， 1975; Kwon ， Lee ， Chae ， 2006; Gu Goldak ，1991; Näsström ， Wikander ， Karlson ， Lindgren ， 1991;Norrish ， Tieu ， Darmadi ， 2012;Osawa ， Hashimoto ，Sawamura ， Nakai ， Suzuki ， 2007; SYSWELD ， 2015; UedaYamakawa，1971）。2. 数值分析方法2.1. 热冶金现象近年来，焊接过程的数值分析得到了广泛的研究。仿真结果解释了复杂的物理现象，如焊接过程中的热、机械和冶金现象然而，模拟复杂的焊接过程并不是一件容易的事情。在焊接和热处理过程中，物理现象相互作用总结在图1中。SYSWELD的焊接现象涉及熔合区（FZ）凝固、焊接热流和电-热-机械模拟（SYSWELD，2015）。在焊接过程中会出现不同的物理SYSWELD可以测定焊接或热处理产生的残余应力和应变以及扩散沉淀和氢扩散。为了以可行的方式处理 这 种 复 杂 的 模 拟 ， 使用了基 于 热 弹 &&& 塑 性 有 限 元 方 法 的SYSWELD 软 件 （ Deng Murakawa ， 2007; Deng Murakawa ，2008; Ueda Yamakawa ， 1971; Yu 等人， 2013; Yupiter 等人，2015年; Zhu等人， 2014年）。2.2. 汽车消声器本文利用商用软件SYSWELD预测汽车消声器的变形和。 图 2示出了焊接的SYSWELD模拟的过程（Osawa等人， 2007年）。如示意图所示，在热分析之前进行以下步骤对样本的几何形状进行建模并生成网格。然后将热源与实际焊接方法进行拟合。初始和边界条件分别以热损失和环境温度的形式施加汽车消声器是由各种部件用平板连接而成它是通过焊接所有周围的组成部分的圆周采用有限元法对消声器的变形进行了研究。为了准确确定汽车消声器的焊接变形，采用三维有限元模型对焊接变形进行了预测焊接结构的几何形状，如图所示。3，使用两种类型的元素，如3D体积元素和2D膜元素建模。它们分别用于基体结构和焊接部分的表面。图3示出了图1的网格;Fig. 1. SYSWELD中相互关联的物理现象384S.H. Lee et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）382图二、SYSWELD焊接模拟结构示意图图三. 汽车消声器的几何模型和有限元网格模型。母材和焊缝。可以看出，网格使用了不同的单元尺寸。中心线附近的网格密度较高，以代表热源移动的发生将细网布置在熔融区中以产生高温。因此，网格尺寸在焊缝中心线附近是精细的，并且它逐渐变成远离焊接区的粗网格以减少计算时间（Gu &Goldak，1991;Näsström等人，1991; Osawa等人， 2007年）。2.3. 材料特性SYSWELD能够使用材料特性的预定义数据或开发热冶金和机械行为数据（Sulaiman等人，2011年）。本文选用SUS 436作为材料。母材的化学成分含有0.12%的C、1.00%的Si、1.00%的Mn、0.03%的S和0.04%的P，这可以认为与实验中所用的钢材相当（表1）。对材料的泊松表2基体金属的机械性能属性值密度7748 kg/m3比热476 J/Kg-k导热系数1700 W/m-k杨氏屈服强度300 N/mm2泊松常数和发射率列于表2中。在热弹塑性焊接计算中，材料以及物理特性是高度非线性的，并且依赖于温度。图4显示了基底金属的物理和机械性能（国际不锈钢论坛（ISSF），2007）。2.4. 边界条件焊接参数见表3。采用二维表面网格模型生成焊接过程中的冷却面。焊后冷却方式为自然随时间冷却。假设环境温度为20 °C。对表面采用移动热源模型通过设定随时间变化的热流分布，分析进行了3600 s，包括焊接和冷却过程。为了分析焊接完成后的残余应力，消声器板已被假定为由室温充分冷却。在焊接轨迹上，焊接热源模型在焊接方向上以9.5 mm/sec的速度移动（图5（a））。通过使用3D移动热源进行分析。机械边界条件由夹紧定义。夹紧条件被模拟为壳体表面上某些节点处的刚性夹紧，这与实验相似。图6示出了具有诸如UxUyUz的边界条件的夹紧位置。该组件正在表1SUS 436的化学组成（重量%）。CSiMNPSCR莫0.12最大1.00最大1.00最大0.040最大0.030最大16.00-8.000.75-1.50S.H. Lee et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）382385见图4。436铁素体不锈钢的物理机械性能表3汽车消声器点焊工艺参数的模拟。参数值速度（mm/s）9.5合模时间（s）287.529冷却时间（s）3600冷却方式自由空气冷却环境型（°C）20材料STS 436在x、y和z方向的两端边缘处受到约束以固定板的位移（Lee，Kim，Park，Choi等人， 2017年）。2.5. 热源配件HSF工具用于以迭代方式校准热源模型的参数。在本文中，最合适的模型为双椭球热源Nguyen等人（Deng Murakawa，2008）。图7示出了在迭代方法中使用3D部件模型来优化热源的定义。为了模拟焊接方向上的热量分布和流动，将焊接过程建模为三维移动热源。模型（一）热源在椭球体模拟的熔池上呈高斯热流分布。为了提高分析精度，该模型具有通过简单操纵与焊接参数相对应的各种几何参数来改变的功能。参考实际焊缝的金相横截面形状和尺寸，测量了HSF参数。使用定义的参数利用HSF热分析仪，对双头焊过程进行了瞬态热分析，得到了温度场分布。直到FZ由热源模型生成，通过调整热源的宽度（b）和穿透度（c）进行校准，与宏观图匹配（图5（b））。由FEM模型预测的焊池形状是温度高于1400 °C（SUS 436的熔点）的区域，如图7（b）所示。焊缝几何形状和尺寸的计算结果与试验结果吻合较好。表4示出了最终的双椭圆体参数（Lee等人， 2017年）。3. 控制方程3.1. 热分析利用控制方程进行了热分析。它是用傅里叶定律计算的。瞬态(a) 三维移动热源模型（b）双椭球热源模型图五. 三维热源模型随焊缝移动。（386S.H. Lee et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）382@x2@y2@z2QV¼qcp@t×··刚性夹紧刚性夹紧见图6。 焊接过程中板材表面的夹紧条件(a)（b）第（1）款(a) 焊接部分的横截面（b）使用热源装配工具预测的熔融区（高于1400ºC的焊接区域）见图7。 熔融区实验与模拟的对比。表4点焊热源模型参数此外，根据对流和辐射热损失的考虑，在有限元模型。在热分析中，假设有限元模型的所有表面都通过热传导损失热量对周围空气的影响。使用牛顿定律计算对流（qconvqconv 1/4-hconvTS-T1Þð2Þ其中hconv是传热系数，Ts是表面回火。板的温度，T是周围的温度，假设为20 °C。1时间（t）和空间（x，y，z）上的温度场T通过求解以下热传递方程获得：此外，使用Stefan-Boltzmann定律对辐射进行建模。qrad¼-rSBe0½TS273：154-T1 273： 1543K.@2T@2T@2T！@T1其中r是10- 12（J/mm2秒k4）其中Qv是体积热流密度，单位为W·m-3，k（T）是导热系数作为温度的函数，单位为W·m-1·k-1，cq（T）为比热随温度变化关系为J·kg-1·K-1，q（T）是密度与温度的函数关系，单位为kg·m-3。（SYSWELD，2015年，国际不锈钢论坛（ISSF），2007年，Kwon等 人 ， 2006 ， Nishikawa ， Serizawa ， &Murakawa ， 2007 ，Tsirkas ， Papanikos ， &Kermanids ， 2003 ， Michaleris&Debiccari， 1997 ， Deng& Murakawa ， 2008 ， Ueda ， Fukuda ，&Nakacho ， 1975 ， Bate ， Charles ， Warren ， et al. ， 2009 ，Nguyen，Ohta，Matsuoka，Suzuki，&Maeda，1999）。SB参数值热源功率（J/mm）272焊接电流（A）185焊接电压（V）14焊接效率（%）80c1（mm）4.00c2（mm）8.00a（毫米）3.25b（mm）1.00速度（mm/s）9.5S.H. Lee et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）382387.Z-3RR-.þ þΣ3.1.1. 双椭球热源模型方程采用双椭球体热源模型来模拟点焊过程（Ravisankar，Velaga，Rajput，Venugopal等人，2014年）。双椭球模型的示意图如图5所示。参数f1和f2决定了热源产生的总热量中有多少流向方程中的各个椭球体。（四）：f1 f2¼2 4通过热膨胀系数来计算关于塑性应变，采用率无关塑性模型。塑性应变速率具有以下特征：Von Mises屈服面、温度相关的机械性能和线性运动 硬 化 模 型 （ Deng ， Murakawa 等 人 ， 2006; Gery ， Long ，Maropoulos，et al.，2005; Nguyen等人， 1999年）。残余应力分析采用热弹塑性材料公式和Von Mises屈服准则。在任意（x，y，z）点，在前半椭球和后半椭球内，用Qf或Qrrv¼r1hr1-r2r2-r32 r 3-r12ið8Þ通过以下等式（5）和（6）：对于前热源：其中r1、r2和r3是主应力，与动态硬化规则相结合（Robert等人，2013年）。6 p 3 ffQQf x;y;zafbcpppe2y22a2200b2200c2Fð5Þ4. 模拟结果和讨论4.1. 焊接残余应力分析对于后热源：6p3f Q Qrx;y;zharbcpppe3x2 y2z2a 2b2c 2ð6Þ残余应力由热分析确定的温度分布计算。焊接变形是由温度极不均匀产生的残余应力引起的。其中Q（x，y，z）是进入材料的热流密度[W/m-3]，Q是总源功率Q=g。V. I [ W ]、af、ar、b、c是熔化区域[m]的参数，z是源位置取决于焊接[m]，x、y和z是点3.2. 力学分析在热分析中，使用估计的温度，进行机械分析以计算作为输入信息的焊接变形。在力学分析中，除了单元类型或边界条件之外，采用与热分析中使用的相同的网格配置。一般总应变增量E_可表示为单个应变增量的和，组件的弹性，塑性和热应变，并可以被称为-由电子邮件：info@tb.com.cn式中e_e、e_p、e_tp和e_ph分别为弹性应变率、塑性应变率、热应变率和相变应变率。焊接材料的弹性应力-应变关系采用各向同性虎克将热应变考虑到单位：MPa焊接方向：z方向真实磁场、高热输入和夹紧条件。因此，考虑了焊接部分存在的残余应力，即由这些因素引起的外部或内部约束所产生的应力。在汽车消声器板的横截面上，对三个方向的残余应力测量值进行了数值预测分析。应力分析采用弹塑性分析。通过计算Von Mises应力分布来确定最终的残余应力状态（图8（a））。在横截面上，应力（rx;ry;rz）的模拟结果如图所示 。 8（b）-（d），分别为1 y。（ ±符号表示压缩应力和拉伸应力。）如图8（a）所示，在焊接区中，Von Mises应力的大小为406MPa。436不锈钢的屈服应力为372 MPa。由于超过屈服应力，导致塑性变形。因此，残余应力保留在焊接区中和焊接区附近由于该地区靠近在焊缝区，残余应力表现为拉应力，而当该区域远离焊缝区时，残余应力表现为压应力（图1）。 8（a））。此外，在三个方向中，我们可以看到z方向的分布集中在FZ和HAZ区域（图8（d））。最大值沿熔合区出现，向母材逐渐减小。由于熔池的固化和基材的抗收缩性的组合，在HAZ处出现较高的应力集中（Bachorski，Painter，见图8。 汽车消声器板横截面残余应力的变化规律。2388S.H. Lee et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）382---（一）单位：（(a) 焊接前后钢板变形对比（放大10倍，侧视图）(b) 焊接后板顶面变形（俯视图）见图9。 焊接时消声器板热变形的模拟结果（侧视图）。Smailes，Wahab，1999年; Bilenko，2011年; Chand等人，2014; HoLee等人，2017; Nguyen等人，1999; Sulaiman等人， 2011年）。4.2. 消声器板计算了汽车消声器板的热变形（图1）。 9（a））。在冷却完成后，参照消声器板的原始准则来研究热变形结果表明，基体金属的变形另一方面，部件（B）在+y方向上经历变形消声器板的最大变形发生在部分（B），而最小变形发生在部分（A）。图图9（a）比较了汽车消声器板焊接前后的变形情况。部分（B）沿y方向向下发生，部分（A）沿y方向向上发生。在实际焊接之后，产生了大约3mm的间隙表5焊接顺序的配置。配置焊接顺序Seq0①+ ②？③？④Seq1②？ ①？你说呢？ ③Seq2？ ①？ ③？ ②Seq3①？② + ③？ ④Seq4①？ ③？ ②？ ④32.521.51在汽车消声器的板和盖之间。最大和最小变形约为分别为+2.2 mm和0.3 mm。（±符号以y方向表示。）因此，总变形约2.5图9（b）示出了消声器板的顶表面上沿着图9（b）中所示的线A-B的变形。 9（a）。通过与实验结果的比较，验证了数值计算结果的正确性确认在相同位置处出现间隙，并且变形量与实际焊接变形一样实验与模拟的误差为16.7%。基于这些结果，它是建立模拟分析结果与实验结果显示出良好的一致性通过焊接变形的这种分析结果，由于物理性能、化学成分、厚度、夹紧条件和热输入等的变化，可能导致结果的偏差（Bachorski等人，1999; Bilenko，2011; Chand等人，2014;Duan ， Vincent ， Boitout 等 人 ， 2007;Goldak ，Chakravarti，&Bibby，1984;Hackmair，Werner，&Ponisch，2003; Ho Lee 等 人 ， 2017; Lee ， 2015; Nguyen 等 人 ， 1999;Pamnani等人，2016; Price等人，2008; Sulaiman等人， 2011年）。4.3. 焊接顺序对变形研究了汽车消声器最终变形过程中焊接顺序对焊接质量的影响。的3mm实际焊接变形Seq 0 ~ Seq 4变形0.50见图10。 不同焊接顺序的热变形比较。2.52.32.12Seq0Seq2序列Seq3Seq4Seq11.8变形（mm）S.H. Lee et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）382389焊接顺序的配置见表5。Seq0表示实际焊接顺序，按以下顺序① + ②执行。 ③？ 其中① DOC、②、③ SCR、③管盖。并将实际焊接顺序（Seq0）与其它焊接顺序进行了比较。从Seq1到Seq4的焊接保持相同的焊接条件。图10中展示了取决于焊接顺序的y方向板变形分析的结果。最小的热变形发生在对角顺序（Seq1）焊接时。基于这些结果，通过显示当施加相同约束并且仅改变焊接顺序时高达28%的应变减少效果，证明了应精确地考虑焊接顺序以减少变形（Bachorski等人，1999;Bilenko，2011; Chand等人，2014; Duan等人，2007; Goldak等人，1984; Hackmair等人，2003; Ho Lee，2017; Lee，2015; Nguyen等人， 1999; Pamnani等人，2016; Price等人，2008; Sulaiman等人，2011年）。5. 结论针对某汽车消声器，采用SYSWELD焊接工艺，对焊接过程中的热变形和残余应力进行了分析。 模拟是基于三维有限元模型和热弹塑性方法。模拟结果与实验结果进行了比较。根据模拟结果，可以得出以下结论被吸引。(1) 并将热源模型的参数与实验和计算的截面进行了利用HSF法得到了汽车消声器板热源模型的合适参数。焊缝几何形状和尺寸的计算结果与试验结果吻合较好。(2) 热影响区和熔合区存在较大的应力焊缝附近区域为拉应力，远离焊缝区域为压焊接区是由加热和快速冷却引起的膨胀和收缩变形产生的。因此，应力是通过熔池的凝固和母材的收缩产生的焊接残余应力对结构的低温开裂、屈曲强度和脆性断裂强度有决定性的影响。(3) 通过计算得到的变形值出现了约2.5 mm的间隙。将模拟结果与试验结果进行比较，确认了间隙出现在相同的位置，变形量与实际焊接变形量相同。仿真分析结果与实验结果吻合较好.模拟和实验之间的变形误差可能会继续导致结果的偏差，例如物理性质的变化、材料的不均匀性、尺寸的不准确性和工艺参数的波动。(4) 当按对角交叉顺序焊接（Seq1）时，热变形较小，而按连续顺序焊接通过改变焊接顺序，0.7 mm已验证。结果表明，在汽车消声器制造企业中，采用合适的焊接顺序可以大幅度地减少焊接变形量。(5) 基于仿真结果，为优化汽车消声器的焊接工艺提供了一种方法。利益冲突作者声明不存在利益冲突确认这项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，资助号为2016R1C1B1014508，由韩国政府（MSIP）资助。引用Bachorski，A.，Painter，M. 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