雙面平焊體生熱率熱源的有限元分析

紀良博

（營口理工學院，遼寧營口，115014）

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雙面平焊體生熱率熱源的有限元分析

紀良博

（營口理工學院，遼寧營口，115014）

摘要：基于有限元的焊接數字模擬技術現已成為檢測焊接質量的重要方法。本文從簡單模型出發，對金屬板的兩面各實施一道焊縫，采用體生熱率熱源模擬焊接熱源，通過生死單元模擬焊縫的移動，采用間接耦合的方法來模擬計算整個焊接過程的溫度場和應力場，對焊縫的殘余應力和應變進行分析，通過計算得出的結果與理論分析相一致。而間接耦合法不但易于理解，而且減少了非線性的計算，大大提高了計算效率，在分析復雜模型時，這一方法優勢會更加顯著。

關鍵詞：焊接；有限元；數值模擬

引言

焊接作為現代化生產的一項重要工藝應用十分廣泛，焊接就是要將兩塊金屬高質量的連接在一起，所以焊接接頭質量的好壞決定了焊接質量，其幾乎關系到整個工程的成敗[1]。在實踐操作中，焊接接頭質量、高熱量所產生的應力應變和溫度快速冷卻所產生的殘余應力的檢測檢驗十分重要。

如果通過實驗的方式，由于在焊接過程影響的因素太多，很難找到導致焊接失敗的原因，即使估計出因素，也會缺乏規律性和準確性。而通過有限元法[2]就可以很好的分析這個問題，既節省了成本，也提高了效率。

本文將以兩道焊縫的焊接有限元數值模擬，通過有限元軟件ANSYS,輸入材料基本參數、熱分析計算材料的溫度場，再把溫度場所得結果轉化成已知載荷耦合施加到應力場的相關結構上，通過應力場來進行結構分析，這樣既得到了焊縫隨溫度變化的相關數據，又得到了應力場殘余應力和應變隨溫度變化的規律分布，通過這些計算數據，對焊接質量可以作出準確的檢驗評估。

圖1　有限元計算原理示意圖

1　焊接數值模擬關鍵問題

1.1熱應力產生的理解

對于焊接來說，理解熱應力是如何產生的，非常重要。在焊接過程中，由于焊接熱源是絕對的高熱量，將導致整個工況環境產生溫度場。從微觀角度來說，它的環境周圍形成了溫度的梯度，而材料本身具有的線膨脹系數導致這些位置的節點上會出現線膨脹量，節點的原始位置會產生位移，這樣就在節點上產生熱應變。根據材料本身具有的力學參數，最終會導致熱應力的產生，使材料發生力學變化，而導致形變。

1.2溫度場的選擇及原因

本課題采用有限元軟件ANSYS來進行焊接過程中溫度場和應力場的數值模擬，采用的是間接耦合場的方式來分析相關問題，即先分析焊接過程中的溫度場，再利用溫度場的所得相關數據來進行應力場的相關求解。它與溫度場與應力場同時求解的直接耦合法有本質不同，選擇間接耦合的根本原因在于我們所要分析的模型主要是溫度場影響應力場，而應力場對溫度場的影響很小，可以簡化。利用間接耦合法還減少了非線性的計算，提高了計算的效率。

1.3焊接熱源的選取

焊接熱源具有溫度高度聚集，快速移動，溫度梯度大等特點[3]。選擇何種模擬熱源對于結果的準確性有著很大的影響，我們常見的模擬熱源有高斯熱源、雙橢球熱源、半橢球熱源和體生熱率熱源等[4]。高斯熱源、雙橢球熱源、半橢球熱源作為熱源模擬已被廣泛應用，但是它們是面熱源，無法體現出坡口對于整個焊接中熱量傳遞分配的影響，特別是超過6mm的金屬材料，高斯熱源不能焊透，不能完全體現出整個傳熱過程。所以，本文提出利用體生熱率熱源來進行模擬，在解決上述問題時，它的計算公式為：

其中，K為焊接效率，U為焊接電壓，I為焊接電流，A為焊縫橫截面積，V為焊接時間，DT為焊接載荷分步時間。這里特別注意的是，DT的設置最好為軟件劃分網格一個單元所經歷的時間，這樣為以后的計算提供了很多便利。

1.4焊接熱源移動的實現

熱源的移動需要生死單元才能實現，在焊接過程中焊縫是一個從無到有的過程，在最開始焊接時，焊縫還沒有出現，這時我們會默認為焊縫已被“殺死”；在焊接過程中焊縫不斷出現，這時利用生死單元使焊縫逐一“生成”，通過這一命令，可以形象準確的描述出焊接的整個移動過程[5]。

但是我們要特別注意的是：焊縫的“殺死”并不是真的把焊縫相關屬性參數刪除，而是在它的后面乘以了一個很小的因子，使它無限趨近于零，在這個過程中焊縫上單元的所有屬性都沒有改變，當焊接進行時，我們會逐一把單元恢復，即為“生成”。生死單元的命令流如下：

1.5焊接相變的處理

焊接過程中，固態和液態的轉換會產生相變，它會產生潛熱現象。潛熱對于焊接溫度場有著非常大的影響。對于這一問題，在ANSYS軟件中，我們可以輸入材料相關溫度的焓值，利用熱焓法來解決問題，焓的計算公式如下：

其中，p為材料的密度，c為比熱，它是一個溫度函數。

定義不同溫度下的焓值，對計算的準確性有很大幫助，特別是高溫度下的焓值，我們可以根據實際情況，加入數值修正。

1.6材料參數的處理方式

焊接過程中金屬的參數是通過實驗或查表來獲取的。但是對于高溫下，特別是熔點以上的參數基本上是空白。這里為了計算準確，我們可以根據已有參數運用內插法和外推法來完善數據，再根據實驗的真實結果，對數據加以修正，此數據即為相關溫度下的真實參數。

2　焊接換熱方式

2.1熱傳導

熱傳導是材料內部的一種導熱現象，它與材料自身的性質有關，通常我們認為只有固體間才能發生熱傳導，它的必要前提條件是系統產生溫度差，公式表示如下：

其中，-Knn為在N方向上的熱導率，從理論上來說有X，Y，Z三個方向，但是在計算過程中我們只考慮綜合三個方向的一個熱導率數值；aT為傳熱溫度；為熱梯度。

2.2熱對流和對流換熱

2.2.1熱對流

熱對流是流體之間的傳熱現象，它是換熱的重要方式。它表示流體熱部分與冷部分相互運動已到達溫度趨于均勻的過程。

2.2.2對流換熱

對流換熱是指流體與固體表面發生傳熱的一種方式，它與熱對流還是由一些區別，即對流換熱即包括固體與流體產生的熱對流，又包括固體向流體的熱傳導，只不過在本論文中的流體默認為25°的空氣，其熱導率很小，熱傳導現象不明顯，但也客觀存在，它的公式如下：

其中，hf為對流換熱系數，TS為金屬表面溫度，TB為流體表面溫度，即為空氣。

對流換熱必須有直接接觸面的宏觀運動（焊接金屬與空氣），也必須有溫差。

3　實例分析

3.1實例描述

兩塊尺寸同為0.3m*0.15m*0.02m的銅合金鋼板，上下各進行一道焊縫焊接，在完成上焊縫后冷卻一段時間在進行下焊縫焊接，焊完后再進行自然冷卻，觀察焊縫溫度隨時間變化情況，分析焊接冷卻后的殘余應力和應變。

3.2模型分析方法

焊接模型的熱分析單元類型定義為solid70，應力分析單元類型定義為solid185，對于焊縫單元，我們采用較為密集的六面體進行劃分，而距離焊縫較遠的部分我們采用相對較疏的六面體劃分網格。對于兩者之間的過度區域，我們采用四面體過度使網格連續，利用單元的生死技術達到模擬焊縫移動的效果，在每個載荷步移動后，刪除它的熱流密度，使模擬更加準確。先對模型進行熱單元分析再轉化為力學單元分析，間接耦合法來解決問題。

3.3模型結果分析

圖2　焊縫溫度隨時間變化情況

如圖2所示，5s、30s、70s和180s分別是第一道焊縫開始和完成，第二道焊縫完成以及基本冷卻后的時間，可以看到經過長時間冷卻后焊縫及其周邊溫度迅速下降，這與時間情況相符，經過180s冷卻后焊縫溫度在140℃左右，這也與實際情況大致相同，因此，所得結果與理論結果相一致。

圖3　焊縫節點溫度分布圖

實踐中，也可以通過圖3來驗證圖2的結論。圖3是焊縫下表面水平分布的節點的溫度分布圖，橫坐標零點表示焊接起始位置在180s冷卻后的溫度，以此類推，可以看到，距離焊接結束位置越近焊接溫度越高，而焊縫末端由于對流換熱原因溫度有所下降，這與理論分析相一致，可以進一步驗證溫度場分析的準確性。

圖4　冷卻后鋼板的殘余應力和應變圖

圖4就是焊接鋼板在雙面焊接結束后冷卻至180s時的殘余應力與應變情況，可以看到應力與應變主要產生在焊縫附近，由于我們想觀察焊縫的冷卻收縮情況，所以在限制自由度的時候我們限制焊接板的左右兩側，遠離焊縫的區域應力與應變逐漸趨近于零，這與實際情況相一致。

4　結論

模型的分析結果可以用理論的計算證明其真實可靠，由于銅合金的線膨脹系數較大，很容易產生熱裂紋，利用ANSYS進行數值模擬計算可以優化整個焊接過程中的工藝，避免熱裂紋的產生，在生產中有很大的現實意義，同時，耦合法的計算方式還提高了分析速度，為更復雜的模型分析提供了很好的參考模式。

參考文獻

[1]Eager T.W.and T saiN.S.,Temperature fields produced by traveling distributed heat sources[J].Welding Journal,1983,62(12):346-s to 355-s.

[2]高耀東,賀建霞,喬云芳.焊接過程有限元分析[J].北京大學校報(自然科學版),20104,6(6):1007-1009.

[3]陳家權,肖順湖,楊新彥,吳剛.焊接過程數值模擬熱源模型的研究進展[J].裝備制造技術,2005(3):10-14.

[4]陳家權,肖順湖,吳剛,楊新彥.焊接過程數值模擬熱源模式的比較[J].焊接技術,2006,35(1):9-11.

[5]陳家權.基于單元生死的焊接溫度場模擬計算[J].熱加工工藝,2005,34(7):64-65.

紀良博(1987-)，營口理工學院金工實訓員任助理工程師，學歷本科。研究方向：焊接數值模擬有限元分析。

Finite Element Analysis of Double-sided Downward Welding

Liangbo Ji
(Yingkou Institute of Technology,Liaoning,Yingkou,115014,China)

Abstract:Based on finite element welding digital simulation technology has become an important way to detect the welding quality,this article based on the simple model,implementation of butt-joint plate metals on two welding line,use heat rate to simulate welding heat source,through element birth and death technology to simulate the movement of the welding,use indirect coupling method to analog calculate the temperature field and stress field of the whole welding process,analyzed the weld residual stress and strain,the results obtained by calculate is consistent with the theoretical analysis.The indirect coupling method is not only easy to understand,but also reduce the nonlinear of the computation,improved the computation efficiency greatly,based on the analysis of complex models,this advantage will be more sign ificant.

Key words:Welding;Finite element;Numerical simulation

作者簡介：

DOI:工業技術創新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.007

中圖分類號：TG402；TP15

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412(2016)01-644-05