楊 莎

（遵義師范學(xué)院，貴州遵義563002）

基于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的薄板GTAW焊接接頭溫度分布

楊 莎

（遵義師范學(xué)院，貴州遵義563002）

使用類似K型熱電偶測量不同薄板焊縫接頭在GTAW焊接過程中熱影響區(qū)溫度的分布。對比通過有限元分析軟件建立的三維有限元模擬測量板材的溫度分布情況。由于熱電偶與熔合線接近且冷卻速度相似，證明實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果吻合，尤其表現(xiàn)在熱影響區(qū)的微觀組織上。另外，還可在焊接過程缺少填充材料時(shí)，觀察峰值溫度和不同材料的冷卻速度。

計(jì)算機(jī)模擬；GATW焊接；溫度分布

1 簡介

焊接是可靠、高效和實(shí)用的金屬填充過程，在各行業(yè)被廣泛使用，如航空航天、汽車、運(yùn)輸和石油等。盡管這種填充過程具有許多優(yōu)點(diǎn)，但會受到一些條件的影響。例如：熱周期等參數(shù)顯著影響焊縫的殘余應(yīng)力、變形、微觀組織、熱影響區(qū)硬度等。導(dǎo)致的焊接缺陷直接影響焊縫性能。由于焊接是局部加熱過程，因此控制熱循環(huán)至關(guān)重要。

在此主要研究計(jì)算薄板焊接瞬態(tài)溫度分布。使用K-type熱電偶測量兩組相同材質(zhì)和一組不同材質(zhì)的GATW單道焊縫的焊接溫度分布。并運(yùn)用有限元分析軟件，開發(fā)3D有限元模型，預(yù)測溫度循環(huán)，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)采用S304型不銹鋼和St37碳鋼材料，使用相同的對接焊縫接頭，焊接方法為鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）。本試驗(yàn)會將結(jié)果與有限元法獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。熱電偶位于工件水平表面中部孔上，從而測量焊縫兩邊不同位置的溫度。試件和熱電偶的位置示意如圖1所示。試件規(guī)格200mm×200mm× 3mm。在記錄測量溫度時(shí)，收集到的信號被轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)記錄器和電腦上。數(shù)據(jù)記錄器設(shè)置10次/s讀數(shù)記錄熱電偶的信號。同時(shí)，使用Labview顯示溫度曲線。

圖1 熱電偶在工件表面的位置

當(dāng)熱電偶與薄板連接時(shí)，熱電偶通過兩根導(dǎo)線接通并記錄數(shù)據(jù)，此時(shí)必須保證沒有其他導(dǎo)線與熱電偶導(dǎo)通，否則會導(dǎo)致測量值不準(zhǔn)確。

工件焊接屬于沒有填充材料的單道焊，焊接保護(hù)氣為氬氣。在焊機(jī)上讀取電壓和電流。此外，記錄焊接時(shí)間，并根據(jù)時(shí)間計(jì)算出焊接速度。試驗(yàn)電壓（U）、電流（I）、焊接速度（v）如表1所示。GTAW焊接的熱效率為50％，每毫米的熱輸入量為Q

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)和計(jì)算數(shù)據(jù)

下面將詳細(xì)討論瞬態(tài)溫度以及溫度隨距離焊縫熔合線遠(yuǎn)近的變化情況。S304和St37化學(xué)成分如表2所示。

表2 S304不銹鋼和St37碳鋼的化學(xué)成分％

3 數(shù)值計(jì)算

在使用有限元分析軟件的基礎(chǔ)上，通過熱有限元計(jì)算三次單道焊接過程中溫度的分布，使用傳熱分析獲取溫度記錄。因材料的熱屬性不同，瞬態(tài)溫度場與工件的材料有關(guān)。

在GTAW焊接過程有限元模擬中，三種接頭同樣使用S304不銹鋼和St37碳鋼，模型尺寸與試驗(yàn)工件相同，材料特性如表3所示，模型網(wǎng)格如圖2所示。在焊縫區(qū)及其附近劃分細(xì)網(wǎng)格。前期已有專家研究過網(wǎng)格尺寸大小的影響，其結(jié)果表明峰值溫度隨網(wǎng)格大小而變化。本次模擬中選擇劃分細(xì)網(wǎng)格，峰值溫度與實(shí)際值相差小于2％。DFLUX用戶子程序使用FORTRAN語言和模型來計(jì)算熱通量。建立一個(gè)近似于焊接熔池形狀和尺寸的雙橢球熱模型，模型中單個(gè)橢球內(nèi)熱源分布方程為

后部分橢球內(nèi)熱源分布方程為

式中x、y、z為焊接熔合線在雙橢球熱模型中的坐標(biāo)；ff和fr分別為前后橢球熱量分布函數(shù)，ff+fr=2.0，本次實(shí)驗(yàn)中ff=1.4，fr=0.6，可以看出在焊接過程中前半部分橢球內(nèi)溫度斜率比后半部分大；Q為焊接熱源功率，其計(jì)算方法見式（1）。a1、a2、b、c為橢球形狀參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)研究計(jì)算上述參數(shù)，從而調(diào)整焊接參數(shù)以得到理想的焊縫熔合區(qū)。

圖2 焊接模擬三維有限元模型

表3 St37碳素結(jié)構(gòu)鋼和S304型不銹鋼的熱物理性質(zhì)

由于在本次實(shí)驗(yàn)中，GTAW焊接沒有使用焊縫填充金屬，其中一些焊接參數(shù)不再使用，如起弧、收弧等。當(dāng)焊接電弧應(yīng)用于工件，整個(gè)焊縫存在并且經(jīng)過加熱。因此，上述技術(shù)的應(yīng)用在仿真中引起了誤差，在這項(xiàng)工作的整個(gè)模擬時(shí)間模型中，移動熱量源靠近焊縫元件。

焊接中瞬態(tài)傳熱分析控制方程為

非線性各向同性傅里葉熱通量方程為

式中k是與溫度有關(guān)的熱導(dǎo)率。

在焊接過程中，熱輻射和焊縫表面的對流會引發(fā)熱量流失。在焊縫附近高溫區(qū)主要是熱輻射損失，遠(yuǎn)離焊縫的低溫區(qū)主要是熱對流導(dǎo)致的熱量損失。因此使用聯(lián)合導(dǎo)熱邊界條件，從而避免輻射建模的難度。同樣，在模型中使用熱對流系數(shù)。對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)如表4所示。

表4 對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)

4 結(jié)果和討論

4.1 St37碳鋼對接焊縫

沿著焊接方向的等溫線和焊縫接頭的有限元仿真模型如圖3所示。工件表面上離焊縫熔合線距離不同的各個(gè)點(diǎn)的溫度分布如圖4所示。其中距離熔合線3mm處的溫度最高，達(dá)到了550°C。由圖4可知，隨著距離的增加，溫度出現(xiàn)非線性趨勢的降低。其原因是焊槍的局部加熱和材料的熱性能與溫度的變化是非線性關(guān)系。圖5是上述各點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果對比的情況。兩種方法結(jié)果吻合良好，區(qū)別在于實(shí)驗(yàn)初始階段工件溫度上升更快。這可能是由于試驗(yàn)會有熔合物飛濺以及仿真模型熱源與實(shí)際焊接不同造成的。焊縫熔線周圍各點(diǎn)的峰值溫度如圖6所示。

圖3 仿真模型中熔合線的等溫線

4.2 S304型不銹鋼對接焊縫

通過實(shí)驗(yàn)測量焊縫接頭左邊薄板的各點(diǎn)溫度，分布如圖7所示。其最高溫度約470°C。對比圖4和圖7的結(jié)果，由于不同材料的熱屬性（熱導(dǎo)率）不同，St37比S304冷卻更快。實(shí)驗(yàn)和仿真模擬過程中焊縫熔線周圍各點(diǎn)的峰值溫度如圖8所示。

圖4 E1實(shí)驗(yàn)各點(diǎn)的溫度分布

圖5 實(shí)驗(yàn)各點(diǎn)溫度和仿真模擬結(jié)果對比

圖6 E1實(shí)驗(yàn)和仿真模擬各點(diǎn)的峰值溫度

圖7 E2實(shí)驗(yàn)各點(diǎn)的溫度分布情況

圖8 E2實(shí)驗(yàn)和仿真模擬各點(diǎn)的峰值溫度

圖9 E3實(shí)驗(yàn)中St37各點(diǎn)的溫度分布情況

圖10 E3實(shí)驗(yàn)中S304各點(diǎn)的溫度分布情況

4.3 不同金屬的對接焊縫

由St37碳鋼和S304型不銹鋼兩種不同材料的薄板組成的對接焊縫溫度分布如圖9、圖10所示。可以看出S304的溫度高于St37。實(shí)驗(yàn)測量和有限元模擬結(jié)果如圖11、圖12所示。圖13為兩種材料的冷卻曲線，明顯S304比St37冷卻更快。在焊接時(shí)工件中沒有填充材料，同時(shí)考慮到焊接的對稱性，得出兩種材料薄板的峰值溫度和冷卻速率主要取決于它們的熱屬性，特別是熱導(dǎo)率。峰值溫度出現(xiàn)差異的另一個(gè)原因是由于St37碳鋼受到相變的影響，因?yàn)镾t37碳鋼固態(tài)相變時(shí)會吸收一定比例的熱源能量。

圖11 St37碳鋼實(shí)驗(yàn)和仿真模擬時(shí)各點(diǎn)的溫度對比

圖12 S304碳鋼實(shí)驗(yàn)和仿真模擬時(shí)各點(diǎn)的溫度對比

圖13 兩種材料在實(shí)驗(yàn)和仿真模擬中的冷卻曲線

5 結(jié)論

使用S304型不銹鋼和St37型碳鋼薄板進(jìn)行了三組GTAW焊接實(shí)驗(yàn)，通過三維有限元進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，并將實(shí)驗(yàn)測量的溫度分布和仿真模擬的結(jié)果進(jìn)行對比。其結(jié)果表明該種溫度模型在焊接過程中具有良好的預(yù)測能力。

（1）各點(diǎn)的焊接峰值溫度分布和溫度降低速度與其到熔合線的距離呈非線性關(guān)系。通過預(yù)測冷卻速率與距離的關(guān)系，可用于熱影響區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的預(yù)測。

（2）由于熱傳導(dǎo)率不同，在焊接過程中，在焊縫熔合線周圍S304的峰值溫度高于St37。

[1]高侖.鎂合金成形技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用[J].輕合金加工技術(shù)，2004（3）：5-12.

[2]邢靜忠，李軍.ANSYS的建模方法和網(wǎng)格劃分[J].中國水運(yùn)（學(xué)術(shù)版），2006，6（9）：16-18.

[3]何良菊,李培杰.中國鎂工業(yè)現(xiàn)狀與鎂合金開發(fā)技術(shù)[J].鑄造技術(shù)，2003，24（3）：161-162.

[4]Kou S，Le Y.Improveweldqualitybylow frequencyarcoscillation[J].Welding Journal，1985，64（3）：51-55.

Tem perature distribution of sheet GTAW welding joint based on computer simulation technology

YANG Sha
（ZunyiNormalCollege，Zunyi 563002，China）

Use similar type K thermocouple tomeasure different sheetweld joint in heat affected zone temperature distribution in the process of GTAW welding.The temperature distribution of three dimensional finite element simulation ofmeasuring plate at the same time by comparing the finite element analysis software to establish.The thermocouple and the fusion line near and cooling rate are similar，prove that the experimental and simulation results agree，especially themicrostructure in the heat affected zone.In addition，also the lack of fillingmaterial in the welding process，the observation of the peak temperature and cooling rate of differentmaterials.

computer simulation；GATW welding；temperature distribution

TG409

A

1001-2303（2015）07-0101-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.22

2014-11-17；

2015-07-07

楊莎（1982—），女，貴州銅仁人，講師，碩士，主要從事電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)的研究。