厚板多層多道焊的有限元數(shù)值模擬分析

賀宏偉，剛發(fā)云，楊 娜

（廊坊廣廈新源石化設(shè)備制造有限公司，河北 廊坊065600）

1 引 言

多層多道焊的方法通常應(yīng)用在中厚焊板的焊接中，在多次焊接熱循環(huán)的影響下工件會出現(xiàn)非常復(fù)雜的溫度場變化，而溫度場的變化則直接影響著焊接的質(zhì)量，因此有必要對工件溫度場與焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行研究。在本文的研究中采用了一種非常簡便可行的方法來分析的溫度場，即數(shù)值模擬技術(shù)。本文在計算多層多道焊的焊接過程以及瞬態(tài)溫度場的分布時主要利用了ANSYS 有限元軟件中的單元“生死法”。

2 焊接溫度場的數(shù)學(xué)模型

2.1 邊界條件

將熱流和換熱邊界假定為測試工件的上下表面和周圍的邊界進(jìn)行處理：k gradT·n=-q+b(T-Tα)，其中邊界表面外法線方向用n 表示；表面換熱系統(tǒng)用b 來表示；單位面積上的外部輸入熱流用q 來表示；周圍介質(zhì)溫度用Tα來表示。另外，在本文的實驗研究中室溫取293K。相關(guān)的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在焊接的過程中輻射損失是熱能損失的主要形式，與此相對的是表面熱傳導(dǎo)的損失比較小，另外隨著溫度的不斷升高，會出越來越強烈的輻射換熱作用。當(dāng)溫度達(dá)到300℃左右時，輻射損失就會超過對流損失，這也就是說當(dāng)溫度在300℃以下時，輻射損失要小于對流損失。此外，只對上下兩個表面進(jìn)行表面?zhèn)鳠釗p失的計算，其余的側(cè)面都不再進(jìn)行計算。

2.2 焊接熱源的選擇

在本文的實驗研究中，在進(jìn)行電弧焊接的過程中，采用熱流密度為高斯分布的表面熱源，由此得出的溫度場結(jié)果最為滿意。不過對于每一條焊縫的上表面都要假設(shè)其是一個平面。高斯熱源的表達(dá)式為：q*=q*maxe-kr2，其中系數(shù)用k 來表示，熱源密度用q*來表示，離斑點熱源中心的距離用r 來表示。

3 建立幾何模型

3.1 實體模型

在建立實體模型時要以測試工件的幾何尺寸為依據(jù)，在本文的研究中選用Q235 鋼板兩塊，這兩件鋼板的長寬高分別為：200mm、100mm、14mm。由于在本文的研究中采用的多道焊方法，因此不能應(yīng)用對稱的原則來簡化處理模型，所以整個焊接構(gòu)件都是有限元模型。在進(jìn)行實際的焊接時還存在著兩個問題：一是基體與焊縫填加金屬之間相互融化的問題；二是先填加金屬與后填加金屬之間相互融化的問題，對于這兩個問題在有限元的計算過程中很難實現(xiàn)，因此需要將焊縫的幾何模型加以處理，使之成為比較規(guī)則的形狀，從而使模型得以簡化。另外，由于存在余高，因此需要處理第三層焊縫的每一道上表面，使之形成比較小的弧面。

3.2 劃分網(wǎng)格

在整個焊接過程中，測試工件的加熱并不均勻，特別是在工件的焊縫處存在比較大的溫度梯度變化。在本文的研究中采用不均勻網(wǎng)格劃分的方法來劃分工件的網(wǎng)格，并采用加密的網(wǎng)格來劃分焊縫及其附近區(qū)域。對于距離焊縫比較遠(yuǎn)的區(qū)域，由于溫度分布梯度并不會出現(xiàn)比較明顯的變化，因此可以忽略其細(xì)節(jié)。

3.3 施加溫度載荷

完成工件的網(wǎng)格劃分之后，在利用高斯熱源進(jìn)行相應(yīng)的計算時，要對ANSYS 中的多載荷步功能進(jìn)行充分的利用，將當(dāng)前的熱流密度施加到每個載荷步，從而使高斯熱源能夠在工件表面隨著時間進(jìn)行移動。之后單載荷步的施加載荷、載荷步時間控制的設(shè)置、載荷步選項的設(shè)置以及對輸出控制進(jìn)行求解都要重復(fù)進(jìn)行，一直到整個時間歷程的求解完成。

（1）熱源的簡化。假設(shè)在焊接之前已經(jīng)存在由焊條或者焊絲填充的焊道部分，由于對于整個焊件來說焊道部分并沒有占據(jù)較大的體積，因此對于整個焊接過程的熱傳導(dǎo)分析來說以上的假設(shè)并不會帶來較大的影響。之后可以將有限元分析中的單元生死法充分的利用起來模擬多層多焊道。

（2）熱源的移動。在實際的焊接過程中，隨著時間的變化熱源會在工件表面進(jìn)行移動，因此溫度場實際上是一個函數(shù)并且隨著時間的變化而變化。不過對于模擬焊接瞬態(tài)過程來說移動的高斯熱源更加合適。不過在工件的表面要使高斯熱源隨著時間的移動而移動，還需要按照時間將施加熱載荷的過程劃分為一個個比較小的時間段。以L 為長度沿焊接方向?qū)⒄麄€焊接結(jié)構(gòu)的焊縫等分為n 段，然后將當(dāng)前的熱流密度施加到每個時間段。這樣每當(dāng)開始加載下一個時間段時，上一個時間段中所加的高斯熱流密度就會被消除，而下一次加載的初始條件就是上一次加載所得的溫度場。每一次加載都是一個時間步，在這種情況下對各點依次進(jìn)行加載就可以對移動焊接瞬態(tài)溫度場進(jìn)行有效的模擬。

（3）數(shù)值模擬的結(jié)果。在以上的分析中溫度場的有限元模型已經(jīng)建立起來，各項參數(shù)也已經(jīng)在熱分析的過程中加以明確，這樣厚板多層多道焊的三維瞬態(tài)溫度場的模擬結(jié)果就可以計算出來。在熱源的移動過程中，焊縫的熔池也發(fā)生移動并且不斷向前，同時通過對每道焊縫焊接中間時刻的模擬溫度場分布圖的觀察可以發(fā)現(xiàn)：第一，在焊接熱源的前移過程中熔池也在移動并不斷向前，同時溫度場的分布開始出現(xiàn)明顯的變化且呈現(xiàn)出連續(xù)性。剛進(jìn)行焊接時，由于在工件上施加熱源的時間較短，因此金屬的溫度在熱源的作用下超出熔點的溫度較低，同時熔池區(qū)域也并沒有較大的面積，在這種情況下隨著焊接的不斷推進(jìn)大幅增加了焊縫區(qū)的溫度以及基體部分的溫度，與此同時也加大了熔池區(qū)域的面積；第二，在焊接中間時刻，溫度場的分布情況表現(xiàn)的是處于穩(wěn)定狀態(tài)下的焊接過程，此時已經(jīng)基本穩(wěn)定的溫度場分布已經(jīng)近似于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布，以焊接方向為長軸的橢圓形就是溫度場的形狀，可以看出它們的最高溫度分別是保持在1800℃和1900℃左右；第三，通過觀察第一層各個時間點的溫度場可以發(fā)現(xiàn)，位于焊縫中心位置的焊接熱源，使兩邊的機體出現(xiàn)對稱性的受熱作用，并且其對稱性的溫度場分布在焊接過程中以及冷卻過程中都是相同的。另外，通過觀察第二層第一道各個時刻的溫度場分布可以發(fā)現(xiàn)，在整個圖像中熱源的中心位置向上方偏出，從而使基體出現(xiàn)不對稱的受熱作用。與此同時，與圖像下方的基體溫度相比圖像上方的基體溫度明顯要高出許多。

4 模擬結(jié)果與實測焊接溫度場的比較

在焊接過程和質(zhì)量控制技術(shù)的研究過程中焊接溫度場的實時測量技術(shù)是非常重要的方向之一，同時還能夠?qū)碚撨M(jìn)行驗證并對焊接溫度場方法精確程度進(jìn)行求解。在本文的研究中通過比較模擬結(jié)果與實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)以下三點：一是在ANSYS 中得到的是呈現(xiàn)出細(xì)長紡錘形狀的高溫區(qū)形狀，并且具有較長的尾部區(qū)域。而在實際測量中拍攝到的也是呈現(xiàn)出細(xì)長紡錘形狀，并且具有較長尾部區(qū)域的高溫區(qū)形狀。由此可見，就高溫區(qū)域的分布形狀來說，仿真和實驗基本上是一致的；二是，當(dāng)焊縫的中心位置不是焊接熱源的位置時，計算得到的溫度場的偏移情況與實際測量的溫度場的偏移情況相同；三是通過比較分析溫度場的最高溫度定量可以發(fā)現(xiàn)：實際測量得到的最高溫度與仿真中的熔池溫度基本相同，與實驗溫度相比仿真溫度略高。造成以上誤差的原因主要有三個方面：一是公式中推導(dǎo)出來的熱物理參數(shù)理論值與實際值存在偏差；二是簡化模型時所作的假設(shè)；三是熱像儀的原因。雖然紅外熱熱像儀具有比較高的精度，在實際的測量中出現(xiàn)的誤差非常小，但是在進(jìn)行焊接時，電弧所發(fā)出的弧光會在一定程度上影響紅外熱像儀的測量精度。

5 結(jié) 語

綜上所述，通過分析比較模擬溫度場與實測溫度場的可以發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果的溫度場分布以及高溫區(qū)的分布情況與實驗結(jié)果基本一致，這充分說明了數(shù)值模型是有效的并且是正確的，希望能夠為以后相關(guān)方面的工作提供一些參考。