在航空、航天领域中，为了实现减重增效，薄壁结构件已经广泛地应用于飞行器的蒙皮骨架、隔框、舱门等领域。但是，在焊接过程中薄壁焊接结构极易产生焊接应力和热变形。焊接应力和变形会引起裂纹和脆性断裂，影响结构的刚度、强度和受压稳定性[1～3]。无论采用哪一种焊接工艺，都需要较复杂的辅助措施以减小焊接变形。

由于电子束焊接是在真空密闭的环境中进行，所以很难采用常规手段抑制薄壁构件在焊接过程中产生的变形。目前，研究者在多束流电子束焊接领域中做了大量的研究工作，包括焊接温度场、焊缝区和热影响区的显微组织、焊接熔池大小以及焊后残余应力[4，5]等方面，但是对于焊接变形控制方面的研究比较少。

本文基于SYSWELD软件，对1.5mm厚304不锈钢薄板进行了随行辅助预热电子束焊接的数值模拟，并结合了试验验证。结果表明，采用电子束焊接随行辅助预热的方法可有效改善焊接残余应力分布并且减小焊接变形。

  

图1 随行辅助预热电子束焊接示意图Fig.1 EBW with simultaneous EB preheating

1 基本原理

采用高频偏转扫描技术，在距离焊缝D（10mm）处使电子束快速偏转扫描出两个矩形加热辅助热源FH1、FH2。辅助热源功率密度为2.1W/mm2，尺寸为A（30mm）×B（25mm），超前焊接电子束流H（10mm）。多束流电子束焊接示意图如图1所示。试验采用尺寸为1.5mm×170mm×80mm的轧制态304不锈钢，基本的电子束焊接参数见表1。

 

表1 常规电子束焊接工艺参数Table 1 Parameters of conventional EBW

  

工作距离/mm扫描频率/kHz 400 150 15 2470 25 10加速电压/kV束流/mA聚焦电流/mA焊接速度/（mm/s）

焊后工件用X射线衍射法进行残余应力测量。焊后变形采用百分表进行测量，如图2所示。图2中1-1中心线为焊接变形、焊接应力的测量位置，也是焊接温度的取点位置。

  

图2 工件变形测量示意图Fig.2 Distortion measurement of the plates

2 随行辅助预热电子束焊接的有限元模型建立

2.1 材料库模型的建立

1.4 随访 研究组患者临床、病理及基本资料齐全建档。所有患者出院后进行随访，手术后第1年，对患者每3个月随访1次；术后第2年每4-6个月1次。截止日期2018年3月，随访期如果患者出现死亡或消失联系不上者则终止随访。

2.2 有限元网格模型的建立

为了提高数值模拟的计算效率和精度，网格划分采用标准六面体八节点单元，焊缝区域网格细密，远离焊缝区网格逐渐变疏，建立的有限元网格模型如图3所示，共计有105171个节点和127796个单元。

图9（a）是单独提取的仅辅助热源作用时的工件纵向热应力曲线图，时间节点是3.6s，此时辅助热源中心正好在1-1中心截面处；图9（b）为焊后冷却至1000s时刻D参数变化工件纵向应力曲线图。观察图9（a）可知，辅助热源距离试板中心线越近，辅助热源作用区所形成的压应力范围就越窄；但是趋势上都是一致的，辅助热源作用的中心区域为压应力，两侧为拉应力。

  

图3 有限元网格模型（单位：mm）Fig.3 Finite element mesh model（Unit：mm）

2.3 热源模型和边界条件的定义

2.3.1 焊接热源模型建立

焊接热源模型采用系统内置的3D高斯圆锥体热源模型，如图4所示，其功率密度在一定范围内呈三维高斯函数分布，与电子束焊接能量作用方式相符。

  

图4 高斯圆锥体热源模型Fig.4 Gaussian heat source model with cone

数学表达式为：

 

式中：Q0为热输入功率大小；re，ri均为模型高斯参数；ze为该热源模型上平面座标值；zi表示该热源模型下底面座标值。

2.3.2 辅助热源模型建立

从上述工艺试验及焊接结果可以看出：采用随行预热电子束焊接技术可以减少焊接变形，其中功率密度Q决定了辅助预热区域的热输入量，从而决定了预热的温度；A、B决定预热区域的大小，D、H决定了预热区域与焊缝之间的距离，这些参数共同影响辅助预热产生热应力的大小、位置，以及减小熔池前方压应力的效果。

干工作玉英没得说，扎实稳当一帆风顺。可她的婚事就曲折了。在家庭和工作之间，她总难两全，心中装满了对亲人的歉疚。

  

图5 辅助热源模型Fig.5 Auxiliary heat source model

由于辅助热源为面热源，这里只考虑二维分布，简化的数学表达式为：

 

式中：Q0为热输入功率大小；2a为矩形加热辅助热源长度（如图5所示）；2b为矩形加热辅助热源宽度。

由于SYSWELD软件本身自带304.mat材料库中的304不锈钢与实际生产中的304不锈钢仅在化学元素成分和含量上有所区别，因此材料的高温性能方面有轻微差别，这里参考304.mat文件进行轻微调整，创建304.mat材料库。

2.3.3 约束条件设定

ABB是全球领先的工业机器人供应商，向焊接、搬运、装配、涂装、精加工、拾料、包装、货盘堆垛和机械管理等作业环节提供机器人软件、外设、模块化制造单元及相关服务，主要市场涵盖汽车、塑料、金属加工、铸造、电子、机加工、制药和食品饮料等行业。ABB注重解决方案的开发，致力于提高制造企业的生产效率、产品质量及员工的人身安全。ABB机器人的全球装机量已超过160 000台。

由于电子束焊接是在真空条件下进行的，散热方式主要为热辐射，将发射率设置为0.8。

3 结果与讨论

3.1 温度场云图

采用SYSWELD有限元分析软件对304不锈钢随行辅助预热电子束焊接进行了数值模拟，计算过程分为焊接和冷却两个阶段，焊后冷却至1000s。多束流电子束焊接过程中4.0s时的温度场云图如图6所示。图6（a）～图6（d）分别为304不锈钢薄板在辅助预热电子束焊接过程中的温度场云图。从图6（a）中可以看到，刚开始作用时，辅助热源的形状十分规则，局部温度场最高温度仅75℃。图6（b）、图6（c）和图6（d）展示的是薄板结构电子束焊接过程，温度场向周围延伸，而且越来越均匀化；熔池局部最高温在2500℃以上，远高于304不锈钢的熔点，而且熔池附近温度梯度较大，等温线较密集；由于电子束焊接热输入量大、束流作用点集中，并且真空环境下缺少空气介质，因此，散热缓慢，可以在熔池后方形成一条很长的后拖带。图6（d）展示的是304不锈钢薄板焊后冷却阶段温度场云图，从云图中可以看到，试板整体温度逐渐下降。

3.2 温度场模拟

在试板1-1截面中心线上，依次选取焊缝、辅助热源边缘及中心、试板边缘处5个节点，分别距离焊缝0、10mm、22.5mm、35mm、40mm。提取出各节点的温度时间历程数据，利用Origin绘图软件可以得到各节点的温度热循环曲线，如图7所示。距离焊缝10～35mm（即辅助热源作用区）节点最高温度在熔池未形成前已上升到600℃左右，达到焊前预热的目的。由图7（a）、图7（b）对比可知，常规电子束焊接熔池附近温度梯度较大，距焊缝10mm处节点温度就下降到250℃。而多束流电子束焊接距焊缝40mm处节点最高温度也超过250℃，可见其温度梯度明显减小。

3.3 焊接应力模拟

利用SYSWELD软件求解器Postprocessing模块中的Display功能，提取出1000s时刻各模拟参数下试板焊接纵向应力数据，而后利用Origin制图软件获得纵向焊接应力曲线图。纵向焊接应力H参数变化如图8所示。

  

图6 不同时刻随行预热电子束焊接温度场云图Fig.6 Temperature distribution of EBW with simultaneous EB preheating at various times

如图8所示，可以看到当改变辅助热源中心与焊接电子束流的距离H时，焊件纵向应力整体呈现出两个拉应力尖峰，第一个峰值出现在焊缝中心附近，第二个尖峰出现在辅助热源作用区。对比可以发现，当H值为0～15mm时，工件焊接纵向应力基本一致；当H值变为25mm或者50mm时，试件纵向应力曲线图整体上移，辅助热源作用区拉应力峰值提高约100MPa，试板边缘5mm左右和距离焊缝中心线5～15mm区域内压应力明显减小，相差约75MPa。

  

图7 节点温度热循环曲线图Fig.7 Thermal cycle curve of welding nodes

  

图8 纵向焊接应力—H参数变化Fig.8 Welding longitudinal stresses with different H

总而言之，探究式教学是一种以学生为主体，充分发挥学生主动性的教学模式.在该教学模式下，教师需要把握好自己引导者的角色，认真分析教学内容，精心设计教学活动和问题，不断地引导鼓励学生主动地完成探究.该教学模式可以有效地提高学生的自学能力和探究能力，从而向着综合性人才方向发展.

  

图9 试件纵向应力—D参数变化Fig.9 Longitudinal stresses of the plates with different D

观察图9（b）可知，D值越小，试板中心承受拉应力的范围就越大，而且焊缝区域拉应力值越大。当D=0和5mm时，距离焊缝中心线25mm以内均为拉应力，而且拉应力值都超过150MPa；当D=10mm和15mm时，工件纵向应力呈拉应力、压应力交替分布。

对原始数据采用先中心化再标准化的方式进行量纲统一，即采用z-score标准化，操作较为简单直观，防止边际样本增加、整体分布改变带来的全体分值变动，有利于原样本与新增样本数据的横向对比。在统计年鉴只有总量的情况下，例如“移动电话交换机容量”“局用交换机容量”，根据地区常住人口除以其总量得到人均拥有量，能更直观地展现地区的水平，同时也更符合普通评价和认知标准。具体测算方法如下：

3.4 焊接变形分析

根据上述304不锈钢薄板数值模拟的结果进行了随行预热电子束焊接工艺试验，开展工艺适应性研究，所制定的工艺参数及焊接结果见表2。

辅助加热区域近似等效为均匀的面热源。因此，采用Fortran语言编写了矩形加热辅助热源函数程序，其热源模型如图5所示。在矩形扫描加热区，热源均匀作用，热输入功率为Q0，其他区域热输入为0。

 

表2 焊接工艺参数及焊后变形Table 2 Welding distortions with different parameters

  

序号 预热功率密度Q/（W/mm2）焊接变形/mm 1 常规电子束 — — — — 3.95 2 0.3 30 25 10 10 2.10 3 1.0 30 25 10 10 2.89 4 3.0 30 25 10 10 0.85 5 2.1 30 25 10 10 0.82 6 2.1 10 25 10 10 3.18 7 2.1 30 10 10 10 8.50 8 2.1 30 25 0 10 6.15 9 2.1 30 25 5 10 7.24 10 2.1 30 25 15 10 5.14 11 2.1 30 25 10 0 0.88 12 2.1 30 25 10 5 0.94 13 2.1 30 25 10 15 0.92 A/B/D/H/mm mm mm mm

试验结果表明，Q=2.1W/mm2、A=30mm、B=25mm、D=H=10mm时，可以获得最好的控制焊接变形，焊接变形可减小79%。针对前文的模拟结果总结分析，可知当采用电子束同步预热焊接时，辅助热源与焊缝中心线的距离D=10mm、与主热源的距离H=10mm、热输入功率大小Q=2.1W/mm2、A=30mm、B=25mm，焊接变形控制效果较好。

3.5 焊接残余应力分析

当试件焊后冷却至1000s时，观察到的焊缝纵向残余应力场云图如图10所示。分析应力场云图可知，常规电子束焊接焊缝及其热影响区主要承受拉应力，拉应力最大在300MPa左右。当远离焊缝区时，拉应力逐渐减小至零，而后转变为逐渐增大的压应力。而随行预热电子束焊接应力变化比较剧烈，在垂直焊缝方向拉、压应力交替出现。

我今年上小学五年级，今年暑假开学之后，我被班主任任命为班里的纪律委员，主要管理班级的课堂纪律。教室后排总有几个捣蛋鬼，上课的时候悄悄说话，一下课就飞的影子都没有了。我之前还与他们一起玩来着，但自从我在全班同学面前说过他们之后，他们像是变成了我的敌人一般，再也没有和我说过话。而且班里其他的同学看见我的时候，也没有以前那样自然了。其鹿哥哥，我不知道该怎么办了。一方面，我要尽自己的职责，管理班里的纪律；另一方面，对于实在不好管理的同学，我还要与班主任商量，让班主任来对其进行教导。这让我在班里的处境越来越艰难，就连我的“死党”现在也很少与我说话了。你说，我该怎么办呀？

实测工件焊后残余应力结果与模拟结果如图11所示。由图11可知，常规电子束焊接的最大纵向拉应力模拟值达到280MPa，随行预热的焊缝中心处拉应力则在260MPa左右。常规电子束焊接焊缝纵向残余应力变化比较平缓，随着取样点与焊缝的距离增大，纵向残余应力由拉应力逐渐转变成压应力。随行预热电子束焊接纵向残余应力变化比较剧烈，受辅助热源作用区域（距焊缝10～35mm）的随行预热电子束焊接应力场呈拉应力状态，而相应地常规电子束焊接则为压应力。

从模拟的焊缝纵向应力结果与工件X射线衍射法实测焊后纵向残余应力结果比较可知，焊后纵向应力趋势基本一致，证明了焊接应力模拟结果的准确性。

  

图10 焊接应力云图Fig.10 Welding stress graphs

  

图11 焊接纵向残余应力Fig.11 Welding longitudinal residual stresses

4 结论

通过分析，可得出以下结论：

（1）基于SYSWELD软件的随行预热电子束焊接模拟能够清晰反映薄板结构焊接应力场和焊后变形。

（2）与常规单道电子束焊接相比，当D=10mm、H=10mm时，辅助热源尺寸为30mm×25mm，焊缝两侧辅助热源分配2.1W/mm2的能量时，工件最大焊接变形量明显较小。

（3）随行预热电子束焊接方法不仅可以改变熔池前方材料的受力状态，而且可以减小熔池形成瞬间熔池前方材料的压应力峰值；有利于减小熔池的前方压缩塑性应变，进而减小薄板结构的焊接变形。

我国基层水利设施大都修建于20世纪六七十年代，受当时资金、技术等因素的制约，部分工程没有严格按照基建程序和遵守设计审批、竣工验收等制度进行建设，造成水利基础设施先天不足。同时，由于基层水利自身资产造血功能不足，经费短缺，我国基层水利设施普遍存在着工程老化失修、设施损坏严重等现象。截至2007年年底，我国自流灌区渠系的完好率只有36%，渠系建筑物完好率为51%；扬水灌区的设备完好率仅为35%，配套渠系的完好率为42%，渠系建筑物的完好率为47%；井灌区的机井完好率为59%，配套渠系的完好率为52%。

5) 细骨料：天然中砂，含泥量1.4%，表观密度为2591 kg/m3，堆积密度为1613 kg/m3；

参考文献

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