基于ANSYS的L型焊接件溫度場分析

張樹麗，郭忠，柳丹，李月琳

（煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺 264000）

引言

目前一些大型化器械及其鋼框結構常用到焊接結構，焊接是通過加熱或者加壓等方式將工件連接到一起，其連接性能好、設計靈活、生產效率高；但是焊接工藝的特點決定了焊接處強度較低，易產生疲勞損傷，因此研究焊縫溫度場具有重要意義[1-3]。工程中常采用有限元軟件ANSYS對焊接溫度場進行模擬分析，以獲得焊接試件上較準確的溫度分布情況。

1 焊接過程的有限元分析理論

1.1 溫度場數學模型的建立

焊接是一個金屬熔化后填充焊縫的過程，可將其溫度場的變化簡化為非線性瞬態傳熱過程，因此可以采用能量守恒方程對熱源的移動進行數值模擬，以對溫度的分布進行求解。

能量守恒方程：

當不考慮傳質過程時 方程（1）可以展開為：

式中：ρ是密度，c是比熱容，T為溫度，k為傳熱系數，ST為物體內熱源。材料參數ρ、c和k一般隨溫度變化。

焊接溫度場的計算的熱流和換熱邊界條件為：

式中：n是邊界表面法線方向，q是單位面積上的外部輸入熱流，α是表面換熱系數，Tα是周圍介質溫度。

但是焊接傳熱過程中溫度變化大，相關的材料性能也會隨之改變，是一個復雜的非線性傳熱過程，利用方程（1）或方程（2）很難直接求出焊接溫度場。因此工業生產中常采用有限元分析法，將連續體離散化得到結構的近似解[4]。

1.2 生死單元技術

生死單元技術就是利用生死單元模擬焊縫填充的方法來模擬焊接熱輸入過程。在計算模擬前期，首先將焊縫處的所有單元“殺死”，然后在模擬焊縫填充時再將單元“激活”。激活單元的同時，在單元上施加生熱率，熱載荷作用的時間與實際的焊接時間相同。

式中：HGEN是單個載荷步上的生熱率，K是焊接熱源的熱效率，U是焊接電壓，I是焊接電流，A是焊縫的橫截面積，V是焊接速度，DT是每個載荷步的時間。

2 焊接過程的有限元分析過程

試件采用兩個L型Q345鋼板進行分析，尺寸示意圖如圖1所示。焊接采用埋弧自動焊焊接，焊接的工藝參數為：焊接電壓為30V，焊接電流為200A，焊接速度為10mm/s。

2.1 建模與劃分網格

采用8節點六面體熱單元solid70建立三維幾何模型，圖1為劃分好網格的有限元模型，其中包括個12675單元、5768個節點。劃分網格時，既要保證得到較為精確的溫度分布，同時又要考慮到計算效率，因此焊縫及熱影響區的網格劃分較細，距離焊縫較遠位置選擇較大的網格單元。

圖1 有限元模型

2.2 基于生死單元的熱源加載

進行溫度場分析前，焊縫模型早已建立好，因此在分析時先將焊縫處的單元“殺死”，然后依次“激活”焊縫單元施加生熱率，單個載荷步上的生熱率為HGEN=(K×U×I)/(A×V×DT)[5]。

2.3 定義材料特性

模型選用 Q345鋼板，為計算方便，焊縫填充材料特性與鋼材模板一致。焊接溫度場的分析需定義材料的密度、比熱容、對流換熱系數等，應力場的分析需要定義材料的彈性模量、線膨脹系數、泊松比等參數。焊接過程中材料特性隨溫度變化而改變，因此需通過實驗及文獻調研合理選取材料性能參數數值。

3 溫度場的計算結果分析

3.1 焊縫填充過程溫度場分析

以室溫 25度為初始溫度，將其加載到模型的單元節點上。焊接是一個動態過程，如圖2所示，隨著熱源的移動，焊縫區域局部逐步被加熱，溫度超過材料熔點；熱源遠離后，又逐步冷卻降溫。本文試件焊接過程為15s，時間步長為0.2s。為分析方便，在焊縫處均勻選取六個節點構成路徑R，對焊縫填充過程的溫度場進行分析，圖3為路徑示意圖。

(a) t=1.8s (b) t=15s

圖2 熱源移動過程

圖3 路徑示意圖

首先分析溫度隨位置的變化趨勢，分別選取9.8s時刻和15s時刻R路徑上的溫度進行分析，溫度分布曲線如圖4所示。通過分析可得到如下結果： 9.8s時刻，熱源中心在100mm處，0-100mm焊縫段距離熱源較遠位置逐步冷卻、溫度降低，100-150mm焊縫段因熱源未通過而處于室溫；15s時刻，熱源中心在 150mm處，即熱源移動到焊縫末端，此時距離熱源較遠位置不斷冷卻、溫度降低。

(a) t=9.8s (b) t=15s

圖4 不同時刻溫度隨位置變化分布圖

圖5是將9.8s時刻與15s時刻的溫度分布曲線放同一坐標下進行分析。熱源從9.8s移動到15s,即從100mm處移動到150mm處：在小于100mm的焊段部分，由于熱交換，試件不斷冷卻，因此15s時刻的曲線溫度低于9.8s時刻的曲線溫度；在100-150mm的焊段部分，9.8s時刻熱源還未通過，15s時刻熱源已通過，因此 15s時刻的曲線溫度遠高于 9.8s時刻的曲線溫度。

圖5 不同時刻溫度隨位置變化曲線對比圖

其次分析溫度隨時間的變化趨勢，選取R路徑上的的六個節點N1-N6，其溫度隨時間的變化如圖6所示。當焊接熱源作用在焊縫單元上時，熱源中心的溫度迅速從室溫升到焊材熔點。焊縫起點處溫度峰值較低，此時焊接熱源剛接觸到試件；隨著熱源移動形成準穩態場，中間四個節點溫度峰值幾乎相等；焊縫末端處溫度峰值較高，是因為前面的焊接過程存在預熱，與焊接熱源溫度進行疊加的緣故。

圖6 N1-N6節點溫度隨時間變化分布圖

3.2 試件整體冷卻過程溫度場分析

不同時刻整體冷卻過程的溫度分布云圖如圖7所示。要使試件完全冷卻到室溫25度，還需要相當長的一段時間。考慮到計算效率，本次溫度場計算試件冷卻到與室溫接近的25.3071度停止運算。由圖可看到最后的高溫集中在腹板處，這是因為腹板處是兩塊20mm的板相重疊，相比試件其他部分較厚，熱交換慢。

(a) t=19.8s (b) t=7015.2s

圖7 試件整體冷卻過程溫度分布云圖

依然選取R路徑上的六個節點N1-N6進行冷卻過程溫度場的分析。分別選取15-30s、40-100s、6000-7015s三個時間段，圖8為溫度變化趨勢曲線圖。由分析可得，冷卻初期，試件溫度與環境溫度懸殊大，熱交換大，因此溫度迅速下降；冷卻中后期，試件溫度與環境溫度溫差減小，熱交換也逐漸減小，溫度下降趨于平緩；冷卻末期，6000-7015s內試件整體溫度只下降了約0.26度。

(a) t=15-30s (b) t=40-100s (c) t=6000-7015s

圖8 不同時間段溫度變化趨勢圖

4 溫度場分析總結

以R路徑上的六個節點N1-N6為例，圖9是整個焊接過程及冷卻過程溫度變化曲線圖。不難發現，焊接溫度場高溫中心隨焊接熱源勻速向前移動，熱源前后的溫度梯度變化明顯；焊接冷卻過程中，由于試件溫度與環境溫度溫差越來越小，因此降溫速度逐漸變慢。

圖9 節點焊接過程及冷卻過程溫度變化曲線

焊接溫度場分析的結果可作為載荷直接加載在焊接應力場的分析計算中，因此溫度場分析一方面可確定試件上的溫度分布，另一方面也為應力場的計算奠定基礎[6]。本文利用ANSYS分析焊接溫度場的結果與理論相符，可為相關分析提供參考。