不銹鋼平板焊接過程的溫度場模擬

袁訓鋒，柯昌珍，陳武彥，田 敏

（商洛學院，陜西商洛 726000）

不銹鋼平板焊接過程的溫度場模擬

袁訓鋒，柯昌珍，陳武彥，田 敏

（商洛學院，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方程，運用C++語言編寫模擬程序，再現焊接過程中的溫度場分布，研究了熱量集中系數對溫度場分布及熱影響區的影響。結果表明：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k的增加，材料的最高溫度和最低溫度均升高，熱影響區域面積減小。

焊接過程；溫度場；直接差分法；數值模擬

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

在焊接過程數值模擬的發展中，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，建立了焊接過程數值模擬的熱源模型。薛忠明［2］等在激光小孔傳熱模型的基礎上進行深度的分析，將移動線熱源條件下的穩態溫度場與高斯分布熱源下的溫度場二維瞬態有限元分析結果進行對比。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。楊勝［6］等應用ANSYS軟件，建立了管道焊接模型，獲得了焊縫區的瞬態溫度場情況。魏艷紅等［7-9］采用數值模擬技術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值模擬的發展現狀。這些研究中，對于焊接過程中的溫度分布情況和熱影響區的形狀及尺寸規律仍處于探索階段。

本文采用直接差分法求解熱傳導方程，使用C++語言編寫模擬程序，Tecplot可視化模擬結果，再現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對溫度場分布及熱影響區形狀尺寸的影響。

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為：密度ρ=7 830 kg/m3； 凝固點溫度T=1 713 K （1 440 ℃）；導熱系數λ=25.89 W/（m·K）；比熱cp=0.6 327 kJ/（kg·K）；換熱系數（工件表面與周圍環境）hr=100 J/（m2·s·℃）。

1.2參數值的選取

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

（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k=5.0 cm-2。

2　溫度場模擬程序的實現

2.1網格剖分

先標出物理邊界，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所示方法標記，各單元相鄰關系如圖1右圖所示。

圖1　單元體各面的標記方法（左）及相鄰關系（右）

2.2程序實現過程

將熱量守恒直接應用到差分單元上，根據傳入熱量等于熱量積蓄，建立節點方程：

3　結果與分析

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，在側面形成楔形熱影響區，在焊槍的近鄰區域顏色深、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，顏色較深的高溫區域向右移動，將固態材料熔化，原來的高溫區域由于熱量向外傳遞，相關區域單元的顏色變淺，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，相關區域凝固結束，如2.d和3.d所示。

圖2　焊接過程中材料側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熱量集中系數對溫度分布的影響

不同熱量集中系數焊接時間為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。在焊槍的近鄰區域顏色深、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，熱影響區域面積占據整個面積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k的增加，顏色較深的高溫區域逐漸變小，材料最高溫度和最低溫度均升高，熱影響區域面積減小，如圖4.b、4.c所示；當熱量集中系數k=5 cm-2時，熱源位置不變，在整體形成楔形熱影響區明顯變小，熱源近鄰位置深顏色高溫度區域減小，以焊接點為中心，呈現的熱擴散層輻射狀區域縮小。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該選擇增加熱集中系數，使得焊點附近材料融化的更加充分。

圖4　不同熱量集中系數下焊接時間為20 s時的溫度分布圖

4　結論

（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k的增加，材料的最高溫度和最低溫度均升高，熱影響區域面積減小；對于熔點較高的材料應該選擇增加熱量集中系數，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值模擬［J］.焊接學報，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值模擬［J］.焊接學報，2005，26（11）：75-78.

［6］ 楊勝，劉國榮.道焊接過程的溫度場數值模擬［J］.熱處理技術與裝備，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］.中國有色金屬學報，2009，19（8）：1431-1436.

［10］ 王中輝，李冬雪.焊接數值模擬技術的發展現狀［J］.焊管，2010，33（6）：28-31.

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

［12］ 杜世宇，申根林，蔡繼新.整體鑄造構架焊接變形的控制［J］.中國鑄造裝備與技術，2013（5）：3-6.

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“十二五” 規劃資助項目（SGH13401）；商洛學院博士啟動基金資助項目（12SKY01-1）

2014-10-09

稿件編號：1410-673

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