党永刚1，张伟2
（1.中航工业西安航空计算技术研究所，陕西西安710068；2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191）
摘要：针对某型号导管安装感应钎焊的特点，建立不锈钢导管的有限元分析模型。基于电磁场和温度场顺序耦合的有限元分析方法，采用ANSYS软件对导管焊接区域的温度场进行三维瞬态分析。结果表明，导管接头焊接区域的温度场分布不均匀，在轴向上呈中间位置高，往两边逐渐降低的分布，温度梯度较大。重点讨论保护气体和软式感应线圈缠绕方法对温度场分布的影响，在此基础上提出了工艺改进方法，其改善了温度场分布，并在现场获得了成功应用。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：不锈钢；感应钎焊；温度场分布；有限元分析方法
中图分类号：TN911-34；TG439.1 文献标识码：A 文章编号：1004-373X（2015）12-0115-03 收稿日期：2014-12-27
0 引言
某型号飞机的部分输油、液压、灭火和空调导管需要在飞机部装和总装现场的安装条件下进行密封连接，具有安装位置狭窄、可达性差的缺点，并且连接时大都不允许有金属飞溅和高温辐射。因此，一般的连接方法很难满足安装位置狭窄空间导管连接的要求，常采用导管安装感应钎焊技术进行连接[1-3]。受夹具长度的限制，感应线圈最多只能缠绕8匝，线圈匝数较少，其边缘效应使工件加热不均匀；同时，保护气体的非均匀冷却作用也加剧了温度场分布的不均匀。
由于焊接时导管外面有夹具，夹具上缠绕软式感应线圈，很难用现有的测量手段对焊接区域的温度和液态钎料的流动情况进行直接测量和观察。因此，数值模拟分析方法就成为研究导管安装感应钎焊温度场分布的重要手段。在国外，有关导管安装感应钎焊温度场数据的报道很少见；而在国内，关于该项技术的钎焊温度场数值模拟的研究也才刚刚起步[1-2]。
本文采用有限元方法对导管焊接区域的温度场进行三维瞬态分析，重点讨论了保护气体和感应线圈的缠绕方法对温度场分布的影响，可为测温点的选取，钎焊过程控制方法的制定，以及焊接缺陷形成机理的分析提供依据，并为改进工艺方法、改善温度场分布提供技术参考。
1 建模分析
1.1 有限元模型的建立
在现场焊接时，采用夹具固定导管，并通过夹具和导管输送惰性气体保护钎焊接头的内外表面，软式电缆在夹具上绕制成感应圈，内部通水并与功率传输电缆相连进行感应钎焊[2-3]。
由于夹具的结构非常复杂，直接对夹具、导管和线圈进行整体建模将会十分困难，因此对三维实体建模进行简化，只对导管和线圈进行建模，夹具对感应加热的损耗采用功率损耗的方式进行折算[3-5]。
图1 为不锈钢导管导管安装感应钎焊的三维实体模型，导管和线圈的尺寸如图2所示。
建立导管和线圈的三维实体模型后，采用ANSYS有限元分析软件对实体模型进行网格划分。网格划分采用有利于节省计算时间的局部网格划分，通过单元边长来控制总体单元尺寸。工件采用最大的网格密度，作为热源的感应线圈采用较密的网格进行划分，而外层空气的网格划分得疏些。
导管安装感应钎焊加热过程为电磁场和温度场耦合分析，选择SOLID117作为电磁场分析单元，而温度场分析选用SOLID90单元。
1.2 材料模型的建立
在不锈钢导管安装感应钎焊中，导管和套管均为奥氏体不锈钢（1Cr18Ni10Ti ），其发射率ε 为0.7，密度ρ为7.9×103 kg/m3，相对磁导率μ 为1.01，其余物理参数均是温度的函数，见表1。
1.3 载荷及边界条件处理
现场实际焊接时，软式感应线圈内部通过频率为20 kHz、幅值为1 000 A的正弦交流电流。因此，感应线圈中加载的是均匀的电流密度Js 。
导管边界传热主要考虑导管外表面的对流换热，其对流换热系数随导管温度变化而变化，如图3 所示[5]。工件的初始温度为27 ℃，工件给定边界上的热流输入为0，电磁场边界条件采用齐次边界条件。
2 计算结果及分析
2.1 简化模型
首先将保护气体的流量假定为0，不考虑保护气体的非均匀冷却作用。当线圈匝数为8匝，对称缠绕，且线圈中加载频率为20 kHz，峰值1 000 A 正弦交变电流，加热50 s后工件的温度场分布如图4所示[6]。
沿工件表面A（1.8，0，-3.45），B（1.8，0，-1.75），C（2.0，0，-1.75），D（2.0，0，1.75），E（1.8，0，1.75），F（1.8，0，3.45）六点连接成路径T1，其中A 为路径的起点，则可以得到该路径上各节点的温度分布曲线，如图5所示。
由图5 可见，导管焊接区域的温度场分布不均匀，中间位置高，往导管两端逐渐降低，温度梯度较大，仅套管区域的温度差值就有60 ℃。
2.2 保护气体对温度场分布的影响
在实际的钎焊过程中，分别通过导管和夹具内部输送氩气至导管内外表面，以保护其内外表面不被氧化.在导管内部，保护气体流速慢，冷却作用弱且均匀，对工件的均匀加热影响不大。而在套管外表面与夹具内表面形成的封闭空间中，保护氩气通过夹具内部输送，然后从多个直径为1 mm的圆孔喷射至套管表面，具有流速快、冷却作用强且不均匀的特点，不利于工件的均匀加热[5]。为了考察夹具内部输送的氩气对温度场分布的影响，将该气流的不均匀冷却作用等效为套管外表面的对流换热进行分析。图6为氩气流量4.8 L/min，其余模拟条件与图4相同时，工件加热50 s后温度场分布结果。
沿套管中间位置外表面圆周指定路径T2（O-P-Q-R-O，如图7（a）所示），则可以得到路径T2上各节点的温度分布曲线，如图7（b）所示。
由图7 可见，通过夹具向腔体内部吹氩气，在工件表面产生强烈的非均匀冷却作用，在套管圆周方向产生较大的温度差，不利于均匀加热。因此，在获得良好保护效果的前提下，应尽量减小保护气体的流量。
2.3 对乘边缘骑绕感应线圈对温度场分布的影响
由图4、图5的分析结果可知，工件轴向上温度场分布不均匀，其主要原因是受夹具长度的限度，感应线圈最多只能缠绕8匝，线圈匝数较少，其边缘效应使工件加热不均匀。
为了使温度场分布更均匀，采用如图8（a）所示的对乘边缘骑绕感应线圈的缠绕方法加热工件（其余模拟条件与图4相同），加热50 s后路径T1上各节点的温度分布如图8（b）所示。
由图8（b）可见，加热50 s 后导管焊接区域的温度场分布渐趋均匀，在轴向上套管区域的温度差减小至18 ℃。
这样，在不增加线圈整体长度的条件下，通过对称边缘骑绕线圈的方法调整了电磁场的分布，有效地增加了套管两端的热输入，改善了加热条件，使工件加热更均匀，能更好的满足导管安装感应钎焊的温度分布要求。目前，这种线圈的缠绕方法在现场已经得到了很好的应用，提高了导管焊接质量。
2.4 单端边缘骑绕感应线圈对温度场分布的影响
在图8（a）中，仅在线圈的左端边缘处骑绕感应线圈（其余模拟条件与图4相同），则加热50 s后工件表面路径T1上各节点的温度分布曲线如图9所示。
由图9 可见，在工件轴向套管区域，骑绕线圈的一端比另一端的温度高250 ℃左右，温度差异很大。该温度分布非常适合焊后一端有缺陷的导管补焊，既可以满足补焊端高温的要求，又可以避免另一端焊好的钎缝钎料二次熔化流动形成新的焊接缺陷。
3 结论
建立了导管安装感应钎焊焊接区域温度场分布的3D 有限元分析模型，分析结果表明导管焊接区域的温度场分布不均匀。保护气体对导管产生不均匀的冷却作用，在保护良好的前提下，应尽量减小保护气体的流量。对乘边缘骑绕感应线圈可有效增加套管两端的热输入，使工件加热更均匀，能更好地满足导管安装感应钎焊的温度分布要求。单端边缘骑绕感应线圈可在套管两端得到温度差异很大的温度分布，非常适合焊后一端有缺陷的工件补焊。
作者简介：党永刚（1977—），男，陕西富平人，高级工程师。研究方向为航空机载产品生产管理。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
[1] 邱惠中.先进钎焊技术在航天器上的应用[J].宇航材料工艺，2000（3）：11-13.
[2] 赵晶.导管导管安装感应钎焊控制技术的研究[D].北京：北京航空航天大学，2002.
[3] 张伟，齐铂金，金玉兰，等.安装位置导管感应钎焊[J].北京航空航天大学学报，2005，31（2）：242-246.
[4] MATEN E J W，MELISSEN J B M. Simulation of inductive heating [J]. IEEE Transactions on Magnetics，1992，28（2）：1287-1290.
[5] 陆大有.传热基础[M].北京：宇航出版社，1985.
[6] 张伟，齐铂金，许海鹰.导管安装感应钎焊温度场数值模拟[J].焊接学报，2009，30（5）：73-76.