李 波

（吉林廣播電視大學(xué) 遼源分校，遼源 136200）

0 引言

在焊接實(shí)驗(yàn)中，僅僅依靠物理測(cè)量對(duì)焊接溫度場(chǎng)的研究, 不但浪費(fèi)了大量的人力物力，而且現(xiàn)有的條件也限制了其發(fā)展，隨著數(shù)值分析的引入及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用有限元分析可以迅速準(zhǔn)確地獲得焊接溫度場(chǎng)的整體分布，并實(shí)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程的模擬[1,2]。由于鋼結(jié)構(gòu)具有高的高溫?zé)釋?dǎo)率，使焊件局部存在較長(zhǎng)的高溫停留時(shí)間，從而引起焊后焊件發(fā)生較大的殘余應(yīng)力和變形，因此對(duì)焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)分布及接熔池的傳熱和流體流動(dòng)過(guò)程的研究是十分有必要的。

1 試驗(yàn)方法與材料

本文選擇316L不銹鋼作為實(shí)驗(yàn)材料，試驗(yàn)所用材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1，焊接試樣為50mm×50 mm×4 mm的鋼板，焊接方式采用對(duì)接。為提高計(jì)算精度定義了隨溫度變化的材料熱物理性能參數(shù)，如圖1所示。

表 1 試驗(yàn)所用材料的化學(xué)成分（wt%）

2 模型描述

2.1 熱源模型

圖1 通過(guò)JMatPro獲得與溫度相關(guān)的熱物理性能參數(shù)

TIG焊接是一個(gè)涉及熱傳導(dǎo)、對(duì)流和融化凝固等許多熱物理化學(xué)現(xiàn)象、高度非線性的瞬態(tài)熱傳遞過(guò)程。為便于建立模型、提高計(jì)算精度和節(jié)約計(jì)算成本，本文對(duì)TIG熱模型作了如下假設(shè):

1）將焊接過(guò)程中的輻射散熱部分等效到工件與周圍環(huán)境的對(duì)流散熱；

2）忽略焊接母材的各向異性，同時(shí)定義了隨溫度變化的材料熱物理性能參數(shù)（如圖1所示）；

3）在焊接模型建立中忽略相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

其熱傳導(dǎo)控制方程為：

式中：T為溫度；t為時(shí)間；ρ為密度；κ為導(dǎo)熱系數(shù)；c為材料定壓比熱容；Q為體熱源熱流密度。

為更好地模擬焊接后焊縫的形狀，本文選用旋轉(zhuǎn)高斯體熱源作為本模型中的焊接熱源：

其中，η為焊接效率，σr是熱源分布參數(shù)；Q為焊接電弧的功率；H為熱源高度。

其邊界條件描述如下：

鋼板下表面：與墊板之間的熱傳遞損耗，以等效熱傳導(dǎo)系數(shù)κe描述如下（T0為環(huán)境溫度）：

工件其他表面：自然對(duì)流和輻射熱損耗，為便于計(jì)算，將輻射散熱等效為對(duì)流散熱，因此，以等效對(duì)流換熱系數(shù)he表示自然對(duì)流和輻射熱損耗：

2.2 電弧模型

在焊接過(guò)程中，由于電弧的移動(dòng)，電弧下方焊件上的熔池形狀及溫度達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，焊接熔池隨著電弧的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，為簡(jiǎn)化計(jì)算和方便建模，該模型做出以下假設(shè)：

1）由于在TIG焊接中，熱源，即電弧是一個(gè)軸對(duì)稱的鐘罩狀的熱源，因此選用兩維的軸對(duì)稱模型進(jìn)行建模；

2）等離子體是光學(xué)薄的；

3）忽略重力和黏性耗散。

在軸對(duì)稱、層流和定常條件下，根據(jù)磁流體動(dòng)力學(xué)理論構(gòu)建電弧模型的連續(xù)性方程、能量守恒方程和動(dòng)量守恒方程等控制方程組：

能連守恒方程：

動(dòng)量守恒方程：

連續(xù)性方程：

其中，T是溫度；U、V、W是流體速度在x、y、 z方向上的分量；P是流體內(nèi)的壓力；t是時(shí)間；ρ是金屬的密度；cp是定壓比熱容；λ是導(dǎo)熱系數(shù)；μ是液態(tài)金屬的動(dòng)力粘度系數(shù)；Fx、Fy、Fz分別是在x、y、 z方向上的體積力分量。

根據(jù)電磁學(xué)理論建立電弧模型的麥克斯韋控制方程組：

電流連續(xù)方程：

安培定律：

歐姆定律：

3 結(jié)果和討論

圖2所示焊接速度為24mm/s穩(wěn)定焊接階段的有限元計(jì)算結(jié)果。從圖2知在316L不銹鋼TIG焊接過(guò)程中熱影響區(qū)較小，焊縫附近的溫度場(chǎng)梯度較大；而在熱源后部溫度場(chǎng)的等溫線分布較為稀疏，導(dǎo)致溫度梯度較??；在熱源前部溫度場(chǎng)等溫線分布相對(duì)密集，導(dǎo)致溫度梯度大。究其原因是熱源的移動(dòng)和熱慣性導(dǎo)致熱源前后部有明顯不同的溫度分布，因此在熱源前部附近溫度梯度相對(duì)較大。隨著熱源的移動(dòng)，相鄰位置的金屬經(jīng)歷不同的熱循環(huán)史，熱源后方的熔融金屬開(kāi)始冷卻凝固并逐漸形成焊縫，而恢復(fù)彈性對(duì)后冷卻的焊縫金屬產(chǎn)生拘束作用，這是誘導(dǎo)殘余應(yīng)力變形產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。

圖2 不同時(shí)刻鋼板的整體溫度場(chǎng)分布

如圖3所示為在不同電流參數(shù)下，TIG焊接電弧溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布結(jié)果。從圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)，在焊接陰極區(qū)域附近有相對(duì)較大溫度梯度的存在，而在陽(yáng)極區(qū)域附近的溫度梯度相對(duì)較少；圖3（a）和圖3（c）分別是焊接電流為100A和200A時(shí)焊接熔池的溫度場(chǎng)分布云圖，從以上兩圖中均可發(fā)現(xiàn)，其熔池內(nèi)的溫度場(chǎng)呈典型的鐘罩形分布，并且在弧柱附近呈現(xiàn)比較平緩的變化趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)[3]中描述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是比較一致的，從而證明了該模擬的可靠性，此外，通過(guò)對(duì)比圖3（a）和涂3（c）可以發(fā)現(xiàn)，隨著電流的增大，其熔池也隨之增大，同時(shí)熔池溫度也相應(yīng)增大。

圖3（b）和圖3（d）分別是焊接電流為100A和200A時(shí)的焊接熔池的速度場(chǎng)分布云圖，從速度場(chǎng)分布圖中可以發(fā)現(xiàn)，焊接熔池中流體的流動(dòng)規(guī)律均是從陰極向陽(yáng)極沿著軸向流動(dòng)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于在靠近陽(yáng)極接近電弧邊緣區(qū)域，其電流密度相對(duì)較小，根據(jù)安培定律，這部分區(qū)域所受到的電磁力也相對(duì)較小，這樣就形成了一個(gè)壓力梯度，在加上電磁力的方向是向下向內(nèi)的，因此合成的驅(qū)動(dòng)力的方向也是向下向內(nèi)，這樣熔池內(nèi)流體的流動(dòng)趨勢(shì)是自上而下沿著對(duì)稱軸向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)比圖3（b）和圖3（d）速度場(chǎng)分布可以發(fā)現(xiàn)，熔池內(nèi)流體（即電弧等離子體）的流動(dòng)速度及隨著電流的增大而增大，同時(shí)在近電極附近的區(qū)域流動(dòng)速度最大。

圖3 不同電流參數(shù)下的焊接溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布

4 結(jié)論

本文基于有限元法，利用ANSYS軟件成功地模擬了316L不銹鋼動(dòng)態(tài)焊接過(guò)程，同時(shí)為提高計(jì)算精度，定義了隨溫度變化的材料熱物理性能參數(shù)，得到結(jié)論如下：

1）基于ANSYS/Mechanical模塊建立TIG焊接熱源模型實(shí)現(xiàn)了TIG焊接過(guò)程整體溫度場(chǎng)的模擬，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不銹鋼TIG焊接過(guò)程中熱影響區(qū)較小，焊縫附近的溫度場(chǎng)梯度較大；而在熱源后部溫度場(chǎng)的等溫線分布較為稀疏，導(dǎo)致溫度梯度較?。辉跓嵩辞安繙囟葓?chǎng)等溫線分布相對(duì)密集，導(dǎo)致溫度梯度大。

2）根據(jù)磁流體動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)理論，基于ANSYS/Fluent建立TIG焊接電弧模型實(shí)現(xiàn)了焊接熔池的傳熱和流體流動(dòng)過(guò)程的模擬，其電弧溫度場(chǎng)呈典型的鐘罩形分布，并且在弧柱附近呈現(xiàn)比較平緩的變化趨勢(shì)；同時(shí)，其焊接熔池大小、熔池溫度以及電弧等離子體的流動(dòng)速度也隨著電流的增大而增大， 模擬結(jié)果與許多文獻(xiàn)中描述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了該模擬的可靠性。

[1] 郭彥兵, 童彥剛, 賀曉娜. 低合金鋼薄板件TIG焊接溫度場(chǎng)三維有限元模擬[J]. 熱加工工藝, 2010, 39(21): 158-160.

[2] 陳玉喜, 朱錦洪, 石紅信, 丁高劍. 基于ANSYS的鋁合金薄板焊接溫度場(chǎng)三維有限元模擬[J]. 熱加工工藝, 2009,38(9): 88-90.

[3] 徐火青, 凌澤民, 李金閣, 句孝飛. 基于SYSWELD分析焊接電流對(duì)TIG點(diǎn)焊熔池尺寸的影響[J]. 熱加工工藝,2012, 41(1): 142-144.