袁訓(xùn)鋒，柯昌珍，陳武彥，田 敏

（商洛學(xué)院，陜西商洛 726000）

不銹鋼平板焊接過程的溫度場模擬

袁訓(xùn)鋒，柯昌珍，陳武彥，田 敏

（商洛學(xué)院，陜西商洛 726000）

以厚大不銹鋼平板件作為焊接材料，采用直接差分法求解熱傳導(dǎo)方程，運用C++語言編寫模擬程序，再現(xiàn)焊接過程中的溫度場分布，研究了熱量集中系數(shù)對溫度場分布及熱影響區(qū)的影響。結(jié)果表明：焊接過程中，在移動熱源前方等溫線較密集，熱源后方等溫線較稀疏，以焊接點為中心，熱擴散層呈輻射狀。隨著熱量集中系數(shù)k的增加，材料的最高溫度和最低溫度均升高，熱影響區(qū)域面積減小。

焊接過程；溫度場；直接差分法；數(shù)值模擬

焊接是涉及電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程。采用理論方法分析將遇到巨大的數(shù)學(xué)困難，采用傳統(tǒng)試驗方法研究無法揭示焊接過程的物理本質(zhì)，數(shù)值模擬技術(shù)能夠克服理論分析和傳統(tǒng)試驗研究所遇到的困難，已經(jīng)成為研究焊接過程的重要工具。

在焊接過程數(shù)值模擬的發(fā)展中，Goldak［1］針對激光焊接、電子束焊接，焊接電弧的穿透作用而不考慮電子束，提出一個半球形的源分布函數(shù)，建立了焊接過程數(shù)值模擬的熱源模型。薛忠明［2］等在激光小孔傳熱模型的基礎(chǔ)上進行深度的分析，將移動線熱源條件下的穩(wěn)態(tài)溫度場與高斯分布熱源下的溫度場二維瞬態(tài)有限元分析結(jié)果進行對比。曾祥呈［3］等利用APDL編寫程序，模擬了激光焊接過程中的焊接原材料表面溫度場的變化。王希靖［4］等建立了攪拌摩擦焊的熱輸入模型，借助ANSYS有限元工具，再現(xiàn)了鋁合金薄板攪拌摩擦焊過程的溫度場，獲得了溫度場空間分布隨時間的變化規(guī)律。胡瑢華［5］等以薄板件單層成形為研究對象，分析了不同的堆積軌跡對溫度場的影響，從而為合理選擇成形過程的掃描路徑提供理論依據(jù)。楊勝［6］等應(yīng)用ANSYS軟件，建立了管道焊接模型，獲得了焊縫區(qū)的瞬態(tài)溫度場情況。魏艷紅等［7-9］采用數(shù)值模擬技術(shù)模擬研究了焊縫凝固微觀組織演變過程。王中輝［10］、宮大猛［11］詳細介紹了焊接過程數(shù)值模擬的發(fā)展現(xiàn)狀。這些研究中，對于焊接過程中的溫度分布情況和熱影響區(qū)的形狀及尺寸規(guī)律仍處于探索階段。

本文采用直接差分法求解熱傳導(dǎo)方程，使用C++語言編寫模擬程序，Tecplot可視化模擬結(jié)果，再現(xiàn)了厚大不銹鋼平板材料焊接過程中的溫度分布，詳細研究了熱量集中系數(shù)對溫度場分布及熱影響區(qū)形狀尺寸的影響。

1　焊接過程計算模型

1.1焊接工件及工藝的選擇

以不銹鋼1Cr18Ni9Ti合金材料，10×10×0.5（cm）的板件為研究對象，采用直接差分法對TIG焊接溫度場進行模擬。

不銹鋼1Cr18Ni9Ti合金材料的熱物理性能參數(shù)為：密度ρ=7 830 kg/m3； 凝固點溫度T=1 713 K （1 440 ℃）；導(dǎo)熱系數(shù)λ=25.89 W/（m·K）；比熱cp=0.6 327 kJ/（kg·K）；換熱系數(shù)（工件表面與周圍環(huán)境）hr=100 J/（m2·s·℃）。

1.2參數(shù)值的選取

對1Cr18Ni9Ti不銹鋼試件在TIG焊接時的溫度場進行數(shù)值計算。通過查閱各種相關(guān)資料，在計算過程中焊接規(guī)范參數(shù)取值如下：

（1）焊接電流I=180 A，焊接電壓U=14 V，焊接速度ν0=0.4 cm/s；

（2）熱效率η=0.65；

（3）集中系數(shù)k=5.0 cm-2。

2　溫度場模擬程序的實現(xiàn)

2.1網(wǎng)格剖分

先標(biāo)出物理邊界，使單元邊界和物理邊界重合，再選擇合適的空間步長。單元體各面采用圖1所示方法標(biāo)記，各單元相鄰關(guān)系如圖1右圖所示。

圖1　單元體各面的標(biāo)記方法（左）及相鄰關(guān)系（右）

2.2程序?qū)崿F(xiàn)過程

將熱量守恒直接應(yīng)用到差分單元上，根據(jù)傳入熱量等于熱量積蓄，建立節(jié)點方程：

3　結(jié)果與分析

3.1焊接過程中不同時刻的溫度分布

圖2為焊接過程中材料側(cè)面不同時刻溫度場分布，圖3為材料整體不同時刻溫度場分布。從圖中可以看出，在焊接初期，焊槍位于焊接材料左端，在側(cè)面形成楔形熱影響區(qū)，在焊槍的近鄰區(qū)域顏色深、溫度高；以焊接點為中心，熱擴散層呈輻射狀，較遠區(qū)域顏色淺、溫度低，如圖2.a和3.a所示。隨著焊槍的移動，熱源不斷向焊件傳遞熱量，顏色較深的高溫區(qū)域向右移動，將固態(tài)材料熔化，原來的高溫區(qū)域由于熱量向外傳遞，相關(guān)區(qū)域單元的顏色變淺，逐漸凝固，如圖2.b、2.c和3.b、3.c所示。在t=20 s時刻，焊槍達到模擬區(qū)域邊界，在移動熱源前方等溫線較密集，熱源后方等溫線較稀疏，最開始焊接的位置已接近淺藍色，相關(guān)區(qū)域凝固結(jié)束，如2.d和3.d所示。

圖2　焊接過程中材料側(cè)面不同時刻的溫度分布圖

圖3　焊接過程中材料整體不同時刻的溫度分布圖

3.2熱量集中系數(shù)對溫度分布的影響

不同熱量集中系數(shù)焊接時間為20 s時材料整體溫度場分布如圖4所示。從圖中可以看出，在熱量集中系數(shù)k=0.005 cm-2條件下，此時焊槍位于焊接材料右端位置，在整體形成楔形熱影響區(qū)。在焊槍的近鄰區(qū)域顏色深、溫度高，以焊接點為中心，熱擴散層呈輻射狀，較遠區(qū)域顏色淺、溫度低。材料最高溫度為311 K，最低溫度為295 K，以焊接點為中心，熱擴散層呈輻射狀，熱影響區(qū)域面積占據(jù)整個面積3/4以上。此時，材料最高溫度未達到熔點溫度，材料未能熔化無法達到焊接連接的目的，如圖4.a所示；隨著熱量集中系數(shù)k的增加，顏色較深的高溫區(qū)域逐漸變小，材料最高溫度和最低溫度均升高，熱影響區(qū)域面積減小，如圖4.b、4.c所示；當(dāng)熱量集中系數(shù)k=5 cm-2時，熱源位置不變，在整體形成楔形熱影響區(qū)明顯變小，熱源近鄰位置深顏色高溫度區(qū)域減小，以焊接點為中心，呈現(xiàn)的熱擴散層輻射狀區(qū)域縮小。材料最高溫度達到1 800 K，高于材料的熔點溫度，焊接材料能夠充分熔化從而達到焊接連接的目的，熱影響區(qū)域面積減少到整體面積的1/4左右。因此，對于熔點較高的材料應(yīng)該選擇增加熱集中系數(shù)，使得焊點附近材料融化的更加充分。

圖4　不同熱量集中系數(shù)下焊接時間為20 s時的溫度分布圖

4　結(jié)論

（1）在焊接過程中，在移動熱源前方等溫線較密集，熱源后方等溫線較稀疏，以焊接點為中心，熱擴散層呈輻射狀。

（2）隨著熱量集中系數(shù)k的增加，材料的最高溫度和最低溫度均升高，熱影響區(qū)域面積減??；對于熔點較高的材料應(yīng)該選擇增加熱量集中系數(shù)，使得焊點附近材料融化的更加充分，從而達到焊接連接的目的。

［1］ Goldak J， Chakravarti A， Bibby M.A new finite element model for welding heat sources［J］.Metallurgical Transactions B，1984，15（2）：299-305.

［2］ 薛忠明，楊廣臣，張彥華.焊接溫度場與力學(xué)場模擬的研究進展［J］.中國機械工程，2002，13（11）：83-87.

［3］ 曾祥呈，黃健文，張慶茂.激光焊接過程溫度場的模擬［J］.應(yīng)用激光，2008，28（3）：190-195.

［4］ 王希靖，韓曉輝，郭瑞杰，等.攪拌摩擦焊接過程溫度場數(shù)值模擬［J］.焊接學(xué)報，2005，26（12）：17-20.

［5］ 胡瑢華，張華，徐健寧，等.接成形中堆積軌跡對溫度場影響的數(shù)值模擬［J］.焊接學(xué)報，2005，26（11）：75-78.

［6］ 楊勝，劉國榮.道焊接過程的溫度場數(shù)值模擬［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2007，28（6）：33-35.

［7］ 魏艷紅，占小紅，董志波，等.基于CA模擬焊縫凝固過程枝晶生長的分析［J］.焊接學(xué)報，2009，30（3）：13-16.

［8］ 馬瑞，董志波，魏艷紅，等.鎳基合金焊縫凝固組織演變過程模擬和仿真［J］.焊接學(xué)報，2010，31（7）：43-46.

［9］ 占小紅，董志波，魏艷紅，等.Ni-Cr二元合金焊接熔池中柱狀枝晶生長模擬［J］.中國有色金屬學(xué)報，2009，19（8）：1431-1436.

［10］ 王中輝，李冬雪.焊接數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.焊管，2010，33（6）：28-31.

［11］ 宮大猛，雷毅.數(shù)值模擬在焊接中的應(yīng)用分析［J］.電焊機，2012，42（6）：58-62.

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Temperature Field Simulation in Welding Process of Stainless Steel Plate

YUAN XunFeng， KE ChangZhen， CHEN WuYan， TIAN Min
（Shangluo University， Shangluo 726000， Shaanxi， China）

The effect of heat concentration coeffi cient on the temperature fi eld distribution and heat-affected zone has been studied， with thick stainless steel plates being used as welding material of which the temperature fi eld distribution in the welding process reappeared with the operation of a simulation program written by C++ language for the heat conduction equation built with direct difference method. The results showed that in the process of welding， isotherm appeared intensive in front of moving heat source and sparse behind it， and with the welding point as the center， heat diffusion layer appeared radially. With the increase of heat concentration coeffi cient k， both the maximum and minimum temperature of the material increased while the heat affected zone reduced.

Welding process； Temperature fi eld； Direct difference method； Numerical simulation

TG457;

A；

1006－9658（2015）01-0009-03

10.3969/j.issn.1006—9658.2015.01.002

陜西省教育廳專項科研計劃資助項目（14JK1223）；陜西省教育科學(xué)“十二五” 規(guī)劃資助項目（SGH13401）；商洛學(xué)院博士啟動基金資助項目（12SKY01-1）

2014-10-09

稿件編號：1410-673

袁訓(xùn)鋒（1984—）， 男， 博士， 主要從事凝固過程的模擬研究與試驗研究.