郄彥輝，王秀紅，2，黃海新，胡海博

（ 1. 河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130；2. 天津商業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津 300134；3. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

基于數(shù)值模擬的中部槽多層多道焊接溫度場(chǎng)研究

郄彥輝1，王秀紅1，2，黃海新3，胡海博1

（ 1. 河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130；2. 天津商業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津 300134；3. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

利用 SYSWELD 有限元軟件，針對(duì)某型號(hào)中部槽之中板和槽幫間的多層多道焊接過程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬．利用修正的雙橢球熱源，模擬了雙絲電弧焊槍的移動(dòng)加熱過程，得到了焊接過程中不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖，給出了熱影響區(qū)和焊縫表面特定點(diǎn)的溫度時(shí)間曲線．所得曲線和云圖可以比較真實(shí)的反映中部槽焊接時(shí)溫度場(chǎng)情況，為進(jìn)一步研究中部槽的焊接變形和焊接殘余應(yīng)力問題奠定了基礎(chǔ)，為指導(dǎo)中部槽的焊接生產(chǎn)提供了參考．關(guān) 鍵 詞 溫度場(chǎng)；多層多道焊接；中部槽；數(shù)值模擬

多層多道焊接是重型刮板輸送機(jī)中部槽加工的關(guān)鍵工藝，但焊接制造會(huì)產(chǎn)生分布極不均勻的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致中部槽的焊接區(qū)域產(chǎn)生裂紋，使其承載能力和可靠性降低，難以滿足煤炭開采的高可靠性要求．因此中部槽的焊接研究，成為刮板輸送機(jī)研究的熱點(diǎn)之一．雷學(xué)敏等[1]針對(duì) SGB630/220 型刮板輸送機(jī)中部槽，給出了手工二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊時(shí)較合理的焊接工藝．韓金明、魏占靜等[2-3]采用德國(guó) CloosTandem 雙絲焊接設(shè)備和雙立柱龍門式焊接系統(tǒng)代替手工二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，解決了中部槽中板和槽幫間焊接時(shí)熔深無法保證、焊接效率低的問題．李晉霞[4]針對(duì)槽幫拼接式中部槽進(jìn)行了研究，改進(jìn)了槽幫凸凹端頭的焊接工藝及焊后熱處理流程．顏進(jìn)、王錦夏[5]對(duì)中部槽雙絲焊接工藝措施和焊接參數(shù)的選擇進(jìn)行試驗(yàn)研究．

但是上述研究均是從實(shí)驗(yàn)角度出發(fā)，為了確定合理可行的焊接技術(shù)方案往往需要幾次乃至幾十次試驗(yàn)，其研究需要花費(fèi)大量的人力和物力、周期長(zhǎng)、成本高[6-7]，而理論解則因?yàn)楹附舆^程變量繁多和非線性的存在亦難以得到，所以數(shù)值模擬技術(shù)成為研究中部槽焊接問題的主要和必然手段[8-11]．?dāng)?shù)值模擬不僅能在節(jié)省大量經(jīng)費(fèi)開支的條件下針對(duì)不同的邊界條件進(jìn)行多次模擬，得出不同邊界條件的焊接溫度場(chǎng)結(jié)果，還可以通過與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)對(duì)比確定一些實(shí)驗(yàn)手段難以采集的技術(shù)參數(shù)，為從根本上闡述中部槽焊接變形和焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理問題，探討中部槽合理的焊接工藝方案奠定基礎(chǔ)．

1 物理模型的建立

中部槽的焊接是兩種不同材質(zhì)的中板和槽幫構(gòu)成的多層多道焊接，其溫度場(chǎng)分析屬于高度的瞬態(tài)非線性問題[7-9]，在焊接過程中焊縫區(qū)溫度急劇變化產(chǎn)生較大的溫度梯度，因此建立能精確描述瞬態(tài)非線性傳熱過程的熱物理模型是解決焊接溫度場(chǎng)模擬問題的關(guān)鍵．

1.1 單元模型

為了在提高計(jì)算速度的同時(shí)，保證計(jì)算精度，采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元并利用局部網(wǎng)格加密技術(shù)對(duì)中部槽模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分．劃分完成后的網(wǎng)格模型如圖1所示．

1.2 熱源選擇與修正

中部槽的實(shí)際焊接工藝為厚板對(duì)接雙絲電弧焊，為了提高模擬計(jì)算的精度，采用適合三維厚板焊接的雙橢球熱源模擬焊槍的移動(dòng)加熱[8，10-11]．由于 SYSWELD 軟件內(nèi)嵌雙橢球熱源模型與實(shí)際中部槽焊接熱源模型存在一定的差異，會(huì)導(dǎo)致中部槽焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算存在較大誤差．因此，需要對(duì)其熱源模型進(jìn)行二次開發(fā)，以修正雙橢球熱源模型的相關(guān)參數(shù)．修正后雙橢球模型熱源中心溫度約 2200℃，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)與熱感應(yīng)區(qū)適合于中部槽的多層多道焊接，可以用于模擬實(shí)際焊槍的移動(dòng)加熱過程．修正的熱源模型如圖2所示．

1.3 邊界條件

中部槽在熱源移動(dòng)加熱過程和冷卻過程中會(huì)與周圍空氣介質(zhì)進(jìn)行熱交換，其相應(yīng)的邊界條件方程為：

圖1 中部槽體單元模型Fig.1 Finiteelementmodelofm iddle pan

圖2 修正后的雙橢球熱源Fig.2 Modified doubleellipsoid heatsource

式中： 為表面換熱系數(shù)，T 為周圍空氣溫度 20 ℃ ，Ts為中部槽表面上的溫度，nx、ny、nz為中部槽外法線的方向余弦．

2 中部槽的焊接順序

鑒于研究的中部槽焊接模型屬于大厚度對(duì)接電阻焊，在數(shù)值模擬時(shí)的每道次焊縫高度以不超過7 mm為宜，故采用多層多道焊的焊接工藝，即開K型坡口六道次焊縫上下交替進(jìn)行焊接的工藝順序，如圖3所示．這樣不僅保證了各道次焊縫在5 mm的理想高度，且第1道次的焊接對(duì)第2道次的焊接有預(yù)熱作用、第2道次的焊接對(duì)第1道次的焊接有緩冷作用，可以減少裂紋的萌生幾率．

6個(gè)道次焊接時(shí)，焊槍的移動(dòng)速度相同，熱輸入效率相同，但是單位長(zhǎng)度的焊接能量輸入不同，具體參數(shù)如表1 所示．

圖3 焊接順序Fig.3 Welding sequence

表1 各道次焊接時(shí)單位長(zhǎng)度輸入能量Tab.1 Energy heatperunit length atdifferentwelding-passesof them iddle pan

3 溫度場(chǎng)的數(shù)值分析結(jié)果

在第一道次焊接的熱源加載初期，由于能量輸入較高，焊縫溫度快速上升，但熱量在中板和槽幫上傳遞相對(duì)緩慢，熱影響區(qū)較小；熔池中心溫度達(dá)到 2 293 ℃ ，略高于焊接準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度峰值．隨著焊接繼續(xù)進(jìn)行，焊縫的最高溫度略有下降并快速趨于穩(wěn)定時(shí)的峰值．

當(dāng)焊接開始，溫度超過焊材的熔點(diǎn)溫度時(shí)，中部槽與焊絲在較小的熔池下進(jìn)行焊接，熱源初步顯示出橢球型形狀；隨著焊接的進(jìn)行，熔池逐漸增大，熱影響區(qū)也隨之變大．圖4顯示了中部槽第1道次焊接時(shí)的不同時(shí)刻焊接溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化情況，以及焊縫材料隨熱源移動(dòng)的填充過程．從圖4可以看出，第1道次焊接過程中不同瞬時(shí)溫度峰值變化較小，最高溫度峰值在 2 170 ℃左右；熱影響區(qū)覆蓋整個(gè)焊縫，且在熱影響區(qū)內(nèi)溫度呈準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布，溫度場(chǎng)隨時(shí)間呈線性變換．在焊接過程中，焊縫及其周邊區(qū)域的溫度梯度較大．對(duì)比熔池前后的溫度，熱源前面的溫度等溫線密度較大，即溫度梯度較大，而在熱源后面的等溫線明顯較前面稀疏很多，梯度明顯變?。?/p>

圖4 第1道次不同時(shí)刻的溫度等值線圖Fig.4 Temperature contoursat the different timewhen the firstweld pass

第 1 道次焊接完成后，依次焊接第 2 至第 6 道次，由于第 2、4、6 道焊縫分別與 1、3、5 道焊縫的焊縫形狀，熱源函數(shù)及能量參數(shù)等焊接工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)相同，也就是說，第1道焊縫與第2道焊縫溫度場(chǎng)分布基本相同，同樣的，第3與第4道焊縫、第5與第6道焊縫的溫度場(chǎng)分布也基本相同．經(jīng)過分析還發(fā)現(xiàn)，第2至6道次焊接溫度場(chǎng)的分布趨勢(shì)與第1道次焊接時(shí)基本相同，在焊接開始時(shí)，焊縫溫度迅速升高，熱源加熱區(qū)焊材溫度迅速升至準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度峰值后依照焊接速度隨熱源前進(jìn)，與此同時(shí)溫度場(chǎng)在中板及槽幫上逐步擴(kuò)散形成準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，距離焊縫越遠(yuǎn)溫度越低．第2至6道焊縫與第1道焊縫不同的是，除了焊接溫度受到上一道焊縫余熱的影響外，亦受到不同焊縫尺寸及不同能量輸入等因素的影響，熱源中心處的最高溫度比第1道次時(shí)略高．

為了顯示在焊接過程中焊縫上節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，繪制了第5道焊縫上從起弧端開始到收弧端結(jié)束的 14 個(gè)節(jié)點(diǎn)的選取示意圖及其溫度-時(shí)間曲線，如圖5 所示．各節(jié)點(diǎn)之溫度時(shí)間曲線的最高點(diǎn)均超過了焊材的熔化溫度，并且各曲線的特征相似，除起弧和收弧階段的溫度最高值較高外，焊縫中間區(qū)域呈現(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的溫度分布，最高溫度均穩(wěn)定在 2 280 ℃左右．

熱源前端相比熱源后端溫度梯度大，說明熱源的加熱速率大于中部槽材料的散熱速率[12]．其原因是由于熱源尚未到該節(jié)點(diǎn)位置時(shí)，熔池內(nèi)的高溫金屬就會(huì)對(duì)其產(chǎn)生預(yù)熱作用，而當(dāng)熱源移動(dòng)到該節(jié)點(diǎn)位置時(shí)節(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到峰值，隨著熱源繼續(xù)移動(dòng)離開該節(jié)點(diǎn)時(shí)，但該節(jié)點(diǎn)還處于熔池內(nèi)，減緩了冷卻速度．

雖然在整個(gè)焊接過程中熱源的加熱和中部槽的散熱速率是隨時(shí)間變化的，但在焊接溫度場(chǎng)達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，焊縫附近的加熱速率和冷卻速率卻近似不變，保持穩(wěn)定．以第 5 道次焊接為例，時(shí)間為 258 s、270 s、290 s 、304 s時(shí)刻最大熱速率分別為 1 068.95 ℃/s 、1 068.14 ℃/s、1067.72 ℃/s、1066.71 ℃/s，最大冷卻速率為 427.49 ℃/s、 427.57 ℃/s、 427.59 ℃/s、427.62 ℃/s ．焊縫區(qū)域的最大加熱速率平均值為1 067.79 ℃/s，最大冷卻速率平均值為 427.57 ℃/s．最大加熱速率誤差不超過 0.1% ，最大冷卻速率誤差不超過 0.02% ，認(rèn)為穩(wěn)定狀態(tài)下熱源的加熱與冷卻速率保持穩(wěn)定．

在全部6個(gè)道次焊接過程結(jié)束的瞬時(shí)，中部槽仍然處于較高的溫度水平，且分布極不均勻，隨著冷卻時(shí)間的增加，其熱量逐漸散失．但是由于溫度分布不均且散熱不均導(dǎo)致中部槽較大的溫度變化，而這會(huì)導(dǎo)致中部槽產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形．為了研究中部槽在空冷過程中的溫度和能量變化，在圖6中給出冷卻過程的不同時(shí)刻的中部槽溫度云圖．

圖5 第5道焊縫節(jié)點(diǎn)選取與溫度時(shí)間曲線Fig.5 Node selection diagram along the fifth passweld centerline and temperature-time curves

圖6 各冷卻時(shí)刻溫度場(chǎng)Fig.6 Temperature field in air cooling

由圖6中溫度云圖可知，在焊后冷卻過程中，靠近焊縫的區(qū)域溫度變化梯度較大．為了描述中部槽槽幫上靠近焊縫處不同節(jié)點(diǎn)的溫度變化規(guī)律，在槽幫表面焊縫區(qū)附近由近到遠(yuǎn)的選取垂直于焊縫的3個(gè)節(jié)點(diǎn)：m（9 699）、n（9 698）、p（9 564） 繪出溫度時(shí)間歷程曲線，如圖7 所示．其中 m 點(diǎn)溫度變化最大，在 340 s左右節(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到最高，接近 1 500℃ ，這是因?yàn)閙點(diǎn)更靠近焊縫，移動(dòng)熱源和殘余熱量對(duì)它的影響很大；而p點(diǎn)溫度變化一直相對(duì)穩(wěn)定，在整個(gè)焊件冷卻過程中，最大溫差在 100℃左右．熱源對(duì)中板及槽幫遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域的影響比較小，因?yàn)闊嵩此a(chǎn)生的熱量主要用于熔化焊絲以及焊縫附近的金屬．焊接過程中距焊縫遠(yuǎn)近不同，其最大溫差的明顯不同，這是導(dǎo)致中部槽在冷卻過程中發(fā)生變形和應(yīng)力的主要原因．

圖7 焊接及冷卻過程中槽幫表面上不同節(jié)點(diǎn)的溫度變化曲線Fig.7 Temperature-time curveof three points in them iddle pan

4 結(jié)論

1）在中部槽焊接過程中，溫度場(chǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，每道焊縫在開始焊接 2 s左右時(shí)，溫度場(chǎng)開始進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，溫度場(chǎng)的梯度與范圍基本不變，隨時(shí)間均勻的向前移動(dòng)，呈線性變化．

2）中部槽焊縫區(qū)域的溫度場(chǎng)隨熱源的移動(dòng)急劇變化，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的加熱速率高于散熱速率，且熱影響區(qū)的加熱速率、散熱速率及最高溫度決定于到焊縫的距離，離焊縫越近，加熱及散熱速率越大，最高溫度也越大．

3）焊接溫度場(chǎng)達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)，中部槽焊縫附近的加熱速率和冷卻速率近似不變，保持穩(wěn)定．

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[責(zé)任編輯 楊 屹]

Study of themulti-layerandmulti-passwelding temperature field of m iddle pan based on numericalsimulation

QIEYan-hui1，WANG Xiu-hong1，2，HUANG Hai-xin3，HU Hai-bo1
(1.SchoolofMechanicalEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin300130,China;2.Schoolof Science,TianjinUniversity of Commerce,Tianjin 300134,China;3.Schoolof Civil Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

Temperature field formulti-layerandmulti-passwelding of them iddle panwassimulated by SYSWELD code. Themobileheating processof tw inw irearcweldingwassimulated by themodified doubleellipsoid heatsource.Thewelding temperature fieldwhen differentwelding-passesof them iddlepanwereobtained.The temperaturehistoriesofspecified nodewere drawn which to appointon the centerline and in the heat-affected zone of the fifthweld pass.The results show thatboth the temperature field and temperature-timediagram are in accordancew ith the fact.These lay a foundation forstudy ofwelding deformation field and residualstress field form iddlepan,and also provideavailable reference for the weldmanufactureofm iddle pan.

temperature field;multi-layerandmulti-passwelding;m iddle pan;numericalsimulation

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.05.013

1007-2373(2014)05-0072-05

TG404

A

2014-06-29

河北省自然科學(xué)基金（E2011202011）

郄彥輝（1976-），男（漢族），副教授，博士．