帶缺口的焊絲拉拔試驗及有限元分析

孫 莉，張 騰，劉晨曦

（1.天津大學材料科學與工程學院，天津300350；2.天津電力機車有限公司，天津300452；3.核工業西南物理研究院，四川成都610041）

帶缺口的焊絲拉拔試驗及有限元分析

孫 莉1，2，張 騰3，劉晨曦1

（1.天津大學材料科學與工程學院，天津300350；2.天津電力機車有限公司，天津300452；3.核工業西南物理研究院，四川成都610041）

對帶缺口的活性無鍍銅焊絲的變形趨勢進行試驗和有限元分析，解決金屬在拉拔過程中自接觸的算法問題。得出帶有縱向U型缺口焊絲添加活性劑的效果最好，縱向V型缺口次之，橫向U型缺口添加活性劑的效果最差。并對帶缺口的焊絲進行拉拔試驗，驗證有限元分析的正確性，同時對焊絲截面進行掃描電鏡能譜分析，得出閉合后的凹槽內部確實含有拉拔前涂覆的活性劑中的Se元素。

自接觸；帶缺口焊絲；拉拔；有限元分析

0 前言

CO2氣體保護焊憑借其成本低、能耗小、生產效率高、焊后無需清渣、抗腐蝕能力強、焊縫含氫量低等一系列優點，被廣泛應用于碳鋼及合金金屬的焊接。但該方法存在飛濺率高、焊縫組織金屬粗大等缺點?；钚院附臃ㄊ墙陙硌芯康臒狳c，具有成本低、能耗低等優勢。因此將活性劑應用到CO2氣體保護焊具有重要意義[1]。通過在焊絲表面刻槽來增加焊絲活性劑的含量，是工業上廣泛運用的方法。凹槽的形狀有很多種，且其在拉拔過程中的變形機理尚不明了，本研究應用有限元法對各種不同形狀的凹槽焊絲在拉拔過程中的變形進行模擬，找出最佳的凹槽形狀和尺寸，對提高活性焊絲中活性劑的含量，進而提高CO2氣體保護焊質量具有重要意義。

1 基本算法

1.1 金屬的塑性成形算法

金屬的拉拔分析是一個高度的塑性變形問題，會出現大位移、大轉動以及大應變。更新的拉格朗日罰函數能準確地模擬拉拔中存在的應力應變以及發展規律。其基本的平衡方程為[2，4]：

大塑性應變平衡方程

線性應變增量剛度矩陣

非線性應變（幾何或初始應力）

t時刻單元應力結點等效矢量

1.2 接觸算法

開凹槽的焊絲在拉拔過程中，凹槽各個表面的變形規律無法得知。在拉拔過程中，各個面上的點先經歷塑性變形，兩個點之間的距離小于一個固定值時，認為兩個面上的點發生了接觸，這時候啟動接觸算法。由于在拉拔過程中無法預知變形規律，所以在每一子步都要檢測節點之間的位置，將距離小于給定值的點增加一個法向力自由度，大于給定值的節點減少該法向力。本次選用罰函數法，是通過接觸剛度在接觸力與接觸面間的穿透值（接觸位移）間建立力與位移的線性關系（接觸分析的罰函數算法）：

式中FKN為罰函數系數；ΔU為穿透位移。當兩個點之間的距離小于U時，認為其發生了接觸[3]。

2 有限元計算

2.1 建模及其網格

計算采用大型通用有限元軟件ANSYS，通過實驗測得H08焊絲的真應力應變曲線，采用雙線性隨動強化材料模型，按照實際尺寸建模，為減少計算量且方便觀察開口焊絲的變形，取模型的一半分析。焊絲直徑為5 mm，U型槽尺寸為1 mm×1 mm，如圖1所示。單元選用SOLID185單元，全局網格尺寸為10mm，局部網格尺寸為焊絲開口面1mm，如圖2所示，接觸單元為CONTA173和TARGE170單元。通過不同的實常數區分不同的接觸對，由于開口焊絲的拉拔涉及到焊絲與模具的接觸分析以及焊絲自接觸分析，以U型缺口為例分別在模具、焊絲表面、焊絲可能發生接觸的三個面建立4組接觸對，在計算過程中，每一子步更新節點的位置，并開啟和關閉接觸對。

圖1 各種刻槽模型Fig.1FE-models of transversal and longitudinal grooves on wire rods

圖2 焊絲和模具網格Fig.2FE-elements of wire with longitudinal grooves and mold

2.2 有限元計算結果

由圖3、圖4可知，焊絲前段拉出模具部分的等效塑性應變塑性變形最大，焊絲金屬的流動規律為拉拔的焊絲金屬在軸向發生拉伸塑性應變，最大值在焊絲的外表面，而在環向發生壓縮塑性應變，最大值發生在U型凹槽的根部。

圖3 拉拔后U型凹槽焊絲等效位移Fig.3Equivalent displacement of U type longitudinal during drawing by FEA

2.3 橫向U型缺口焊絲

橫向U型缺口焊絲在拉拔過程中，凹槽的寬度會隨著拉拔的進行而增加，凹槽的深度隨著拉拔

的進行而變淺，最終從焊絲表面消失，如圖5所示。因此使用這種橫向刻痕的方式在焊絲表面涂覆活性劑是無法將活性劑加入焊絲內部的，最終僅僅是在焊絲表面形成一層活性劑薄膜，無法起到活化作用。

圖4 拉拔后U型凹槽焊絲等效應變圖Fig.4Equivalent strain of U type longitudinal grooves during drawing by FEA

圖5 橫向U型缺口焊絲拉拔過程中的形狀變化Fig.5Changes in shape of U type transversal grooves during drawing by FEA

2.4 縱向U型缺口焊絲

縱向U型缺口焊絲拉拔過程中的形狀變化如圖6所示，不論是1 mm缺口的縱向凹槽的焊絲，還是0.5 mm缺口，隨著拉拔的進行，U型縱向凹槽先是凹形槽的兩垂直邊相向運動，當兩垂直邊接觸后，凹槽閉合，然后凹槽尺寸隨著拉拔的進行變小，在焊絲拉拔出模具后，凹槽的兩接觸邊又有稍許的回彈。并且由于凹槽是沿焊絲縱向分布，活性劑加入的均勻性會大大提高?？梢姴捎眠@種刻槽方式，在凹槽中加入活性劑后，能將大量的活性劑添加到焊絲當中。

圖6 縱向U型缺口焊絲拉拔過程中的形狀變化Fig.6Changes in shape of V type longitudinal grooves during drawing by FEA

2.5 縱向V型缺口焊絲

縱向V型缺口焊絲拉拔過程中的形狀變化如圖7所示，由圖7可知，90°V型缺口在拉拔過程中，根部焊絲先閉合，隨著拉拔的進行，缺口上半部分張開，添加至焊絲中的活性劑將無法包裹至焊絲中，活性劑的添加效果很差。

圖7 縱向V型缺口焊絲拉拔過程中的形狀變化Fig.7Changes in shape of V type longitudinal grooves during drawing by FEA

60°V型缺口的焊絲在拉拔過程中，首先是凹槽的角度變小，然后凹槽缺口兩面接觸閉合，在拉拔出模具之后，又有一個小的回彈，這種缺口的焊絲能將一部分活性劑保留在焊絲內，所以60°V型缺口的焊絲的活性劑添加效果較好。

3 帶凹槽的焊絲實際拉拔實驗

為了驗證拉拔模擬結果的正確性，分別對焊絲表面進行橫向和縱向刻痕，研究其在實際拉拔過程表面凹槽形貌變化。焊絲直徑5 mm，橫向刻痕深度1mm、寬度0.5 mm。拉拔后焊絲直徑變為3 mm。V型缺口為60°，缺口深度1 mm。

由圖8可知，隨著拉拔道次的增加，缺口變得寬而淺，拉拔過后，橫向凹槽寬度變大、深度減小。與模擬結果相似?？梢?，這種刻痕方式的焊絲不利于活性劑的添加。

由圖9可知，縱向V型凹槽的焊絲在實際拉拔過程中，首先是凹槽的根部先接觸閉合，然后是缺口上半部分開始變形至閉合，與有限元分析有一些出入（V型缺口焊絲在拉拔過程中，兩面的角度

減小至閉合，且拉拔完成后有少許回彈）。仔細觀察焊絲缺口可知，這并不是一個標準的V型缺口，在缺口的左邊有一小塊焊絲金屬缺失，若將其補上，則變形趨勢與有限元分析的結果一致。

圖8 橫向U型凹槽拉拔變形Fig.8Changes in shape of U type transversal grooves during drawing by FEA

圖9 縱向V型凹槽拉拔變形Fig.9Changes in shape of V type longitudinal grooves during drawing by FEA

為了確定活性劑是否有效進入凹槽中，對拉拔后的焊絲截面進行掃描電鏡及能譜分析，如圖10所示。通過分析可以看出，閉合后的凹槽內部確實含有拉拔前涂覆的Se元素，從另一個方面驗證了有限元分析的正確性。

圖10 拉拔后凹槽內部掃描電鏡及能譜分析Fig.10SEM-EDS analysis of the inside of the grooves

4 結論

本研究對開口焊絲在拉拔過程中進行數值模擬，解決了金屬塑性變形中的自接觸算法及參數選用的問題，對解決金屬塑性成形中的自接觸問題具有重大意義。

焊絲金屬的流動規律為拉拔的焊絲金屬在軸向發生拉伸塑性應變，最大值在焊絲的外表面，而在環向發生壓縮塑性應變最大值發生在U型凹槽的根部。

通過有限元模擬可知，橫向U型缺口焊絲在拉拔過程中并不能將活性劑有效地加入焊絲中，縱向凹槽為U型時加入活性劑的數量最多。但在實際生產中，U型凹槽只能通過切削的加工方法實現。因為在實際焊絲的生產過程當中，無法連續切削出符合要求的U型缺口。

焊絲表面縱向刻V型凹槽的方式在連續生產的過程中容易實現，同時還可以通過控制V型槽的大小和角度來控制活性劑的加入量，這對活性無鍍銅焊絲日后的產業化生產十分重要。因此，選擇縱向60°V型刻槽方式作為添加活性劑是切實可行的方式。

[1]孫莉.應用與CO2氣體保護焊的活性劑的研究[D].天津：天津大學，2012.

[2]劉明霞，阮峰.拉絲成型的彈塑性有限元分析[J].鍛壓機械，1996，69（3）：47-49

[3]博弈創作室.ANSYS9.0經典產品基礎教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4]T Shinohara，K Yoshida.Deformation analysis of surface flaws in stainless steel wire drawing[J].Journal of Materials Processing Technology，2005，162（15）：579-584.

Drawing experiments and finite element analysis of wires with different grooves

SUN Li1，2，ZHANG Teng3，LIU Chenxi1
（1.School of Materials Science&Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Electric Locomotive Co.，Ltd，Tianjin 300452，China；3.Center for Fusion Science of Southwestern Institute of Physics，Chengdu 610041，China）

This paper investigated the deformation trend of active wires without copper plating by finite element analysis and drawing experiments.A suitable algorithm was selected and used to simulate the self-contact ofwires with grooves during drawing.It was found the best method ofadding active fluxes into the wire was to score U Type grooves along the wire.The Se element which belongs to active fluxes was detected in the section ofwire with SEM-EDS.

self-contact；wire with grooves；drawing；finite element analysis

TG422.3

A

1001-2303（2016）10-0129-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.27

獻

孫莉，張騰，劉晨曦.帶缺口的焊絲拉拔試驗及有限元分析[J].電焊機，2016，46（10）：129-132.

2014-02-26；

2016-06-30

國家自然科學基金項目（51501126）

孫莉（1983—），女，天津人，博士，主要從事金屬成形與加工的研究工作。