張益銘

摘 要：本文基于ANSYS參數(shù)化的程序設(shè)計(jì)APDL語言對分段退焊的焊接溫度場進(jìn)行有限元分析，建立焊接瞬態(tài)溫度分布數(shù)學(xué)模型，該方法解決了焊接熱源移動的數(shù)學(xué)模擬問題，提供了一種選擇最優(yōu)工藝參數(shù)的焊接方法。

關(guān)鍵詞：分段退焊 數(shù)值模擬 有限元 溫度場

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的一個重要推動力。焊接是一個牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程，焊接的工藝參數(shù)值對焊接效果影響較大，怎樣選擇焊接工藝參數(shù)值而使焊接工藝效果達(dá)到最佳呢？本文運(yùn)用ANSYS軟件模擬焊件分段退焊焊接過程中的焊接溫度場，借助ANSYS軟件使焊接溫度場可視化，對分段退焊焊接溫度場進(jìn)行具體分析。采用空間和時間有限元模擬焊接時材料和構(gòu)建的熱行為，焊接過程中焊接溫度場隨時間和空間的變化情況，并整理數(shù)據(jù)和對結(jié)果進(jìn)行分析。

分段焊接模型的建立與分析

1、熱源模型

焊接熱過程取決于外加熱源的分布形式，材料熱物理性能及材料與周圍的換熱。熱源把熱能傳給焊件是通過焊件上一定的加熱面積進(jìn)行的。對于焊接電弧來講，該面積稱為加熱斑點(diǎn)，如圖1所示，加熱斑點(diǎn)區(qū)的熱能分布是不均勻的，中心多而邊緣少。在電流密度不變的情況下，電弧電壓越高，則中心與邊緣的熱能相差越小。如電壓不變，電流密度越大時，則中心與邊緣的熱能相差越大。

圖1 加熱斑點(diǎn)上熱流密度的分布

單位時間內(nèi)通過單位面積提供給焊件的熱能稱為熱流密度q（r）.根據(jù)研究表明，加熱斑點(diǎn)上的比熱流分布可以近似的用高斯曲線來描述，如圖2所示：

圖2 電弧作用下的加熱斑點(diǎn)

距斑點(diǎn)中心為r的點(diǎn)A的熱流密度可用下式計(jì)算：

q（r） =qmexp（-Kr2） （1）

式中q（r）——A點(diǎn)的熱流密度；qm—加熱斑點(diǎn)中心最大比熱流；K——能量集中系數(shù)；r—A點(diǎn)距加熱斑點(diǎn)中心的距離。

由式（1）可以看出，由qm和K值就可以求出任意點(diǎn)的熱流密度，高斯曲線下面所覆蓋的全部熱能為：

■

故■（2）

式中 q——電弧的有效功率，■

K值說明熱流集中的程度，由實(shí)驗(yàn)可知，它主要取決于焊接方法、焊接規(guī)范等。不同焊接方法的K值也一般不同。從今后的發(fā)展趨勢來看，應(yīng)采用K值較大的焊接方法，如高壓真空電子束和激光焊接等。

2、幾何計(jì)算模型

研究對象材料為Q235鋼，幾何尺寸為270mm×99mm×8mm（L*W*T），分段退焊是將焊件按焊縫劃分成若干段分段焊接，每段施焊方向與整條焊縫長方向相反的焊接方法。焊接是需要兩塊拼接進(jìn)行焊接，兩塊模型對稱，我們只需對其中一塊模型進(jìn)行分析，如下圖分段退焊原理圖。

圖3 分段退焊原理圖

而幾何建模模塊的設(shè)計(jì)首先要定義和設(shè)置各種幾何參數(shù)和工藝參數(shù)。其中幾何參數(shù)包括焊件的長寬高，以及焊件網(wǎng)格劃分參數(shù)的設(shè)置等。工藝參數(shù)包括高斯熱源加載計(jì)算時的電弧電壓、焊接電流、焊接速度、焊接熱源效率、電弧有效功率、熱源有效加熱半徑、熱源集中系數(shù)、熱源串長度、熱源串的總熱量、最大電流等。對模型的熱物理常熟，需要計(jì)算的載荷組數(shù)也要加以設(shè)定。為程序計(jì)算預(yù)先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，把焊接工藝參數(shù)、焊接尺寸、幾何建模、網(wǎng)格劃分、加載等各參數(shù)設(shè)計(jì)成可變參數(shù)。

3、有限元網(wǎng)絡(luò)劃分及加載計(jì)算

首先定義網(wǎng)絡(luò)劃分參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的模型幾何參數(shù)來進(jìn)行網(wǎng)格劃分參數(shù)的定義。這里將網(wǎng)格邊長定為9mm，則模型的長邊被劃分為Ldiv=Length/0.009，寬被劃分為Wdiv=Width/0.009。根據(jù)前面定義分兩次劃分，如圖4所示便是網(wǎng)格劃分后的模型。

圖4 模型網(wǎng)格劃分示意圖

加載計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，其中包括：首先溫度場的求解，然后再設(shè)定邊界散熱條件，焊接電弧加熱階段的循環(huán)加載求解計(jì)算以及節(jié)點(diǎn)上高斯熱源的加載計(jì)算。

程序運(yùn)行結(jié)果分析

1、等溫線云紋圖

從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取計(jì)算結(jié)果，并以溫度云圖顯示出來，可以直觀的看到焊接過程中焊件溫度場的分布情況，如圖5所示。不難發(fā)現(xiàn)分段退焊的溫度場在焊接過程中形狀時刻變化。

（a） 第1段 （b） 第2段

（d） 第4段 （e） 第5段

圖5 分段退焊不同分段的溫度場分布圖

分段退焊的焊接方向與整條焊縫增長方向相反，后一次退焊的終點(diǎn)是前一次退焊的起點(diǎn)。在分段端點(diǎn)附近存在二次加熱的過程，兩次退焊形成的焊縫首位相接，在相接時溫度場的高溫區(qū)呈一個較為對稱的“8”字型分布在兩次退焊形成的焊縫中間，焊縫兩端是低溫區(qū)，溫度場分布對稱性好。

2、溫度的空間分布

為了比較焊件上焊接溫度在不同位置的分布情況，特意選取了如圖6所示的幾條直線，1～6分別表示為焊件不同位置，選取其中4個路徑作為代表，根據(jù)程序中設(shè)定的坐標(biāo)，調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的計(jì)算結(jié)果，在ANSYS分析結(jié)果中輸出其沿各直線的溫度分布曲線。

圖6 焊件模型空間溫度路徑設(shè)定圖

通過觀察對比發(fā)現(xiàn)在最后一段焊縫與前一段焊縫相接的端點(diǎn)處均有峰，是溫度最高點(diǎn)。前一個分段焊端點(diǎn)處也存在一個小的峰，在分段端點(diǎn)附近存在二次加熱的過程，兩次退焊形成的焊縫首尾相接?？梢悦黠@看出分段退焊的溫度場分布很均勻。因此分段退焊分段端點(diǎn)兩端的溫度場分布有比較好的對稱性。通過觀察得出焊縫處溫度最高，離焊縫距離越遠(yuǎn)溫度越低，溫度變化比較平緩，溫度分布很均勻。

3、溫度的時間分布

為了研究焊件溫度隨時間大變化過程，特選取了熱循環(huán)曲線顯示了焊件上不同點(diǎn)的熱循環(huán)過程，選取參考點(diǎn)可以更直觀的看到焊件加熱過程溫度的變化。這里主要是焊件上LENTH/2處沿寬度方向上的各點(diǎn)溫度隨時間的變化過程，如圖7所示。

圖7 分段退焊LENTH/2處溫度變化過程圖

各曲線表示在LENTH/2處沿寬度方向上的各點(diǎn)溫度隨時間的變化過程。由于將焊件分為六段，所以LENTH/2處正好是分段端點(diǎn)，因此從圖中可以清晰的看到其溫度變化曲線有兩個峰。點(diǎn)上二次加熱的過程，不但消除前一次退焊時產(chǎn)生的焊接應(yīng)力與變形，并且能使分段端點(diǎn)兩端的溫度場分布有比較好的對稱性。

結(jié)論

根據(jù)本課題實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的觀察與分析，可以總結(jié)出如下幾點(diǎn)結(jié)論：①分段退焊的焊接溫度場形狀不停的變化，在分段端點(diǎn)上兩次退焊形成的焊縫相接時高溫區(qū)呈“8”字型分布，焊縫兩段是低溫區(qū)，溫度場分布均勻。②分段退焊分段端點(diǎn)上的二次加熱過程不但消除了前一次退焊時產(chǎn)生的焊接應(yīng)力和變形，并且使其兩端溫度場分布有比較好的對稱性。③運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行焊接過程的模擬分析，可以在同一物理模型下改變加載熱源參數(shù)，可以為不同的焊接方法選擇最優(yōu)的工藝參數(shù)，為焊接參工藝參數(shù)的選擇提供參考。

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