采用SYSWELD对平板堆焊温度场的有限元分析 (1)
焊接工艺模拟分析软件SYSWELD
变形
© UFC Corp. 2009. All rights reserved.
温度场及金相
温度场
马氏体的转换
温度梯度
贝氏体的转换
© UFC Corp. 2009. All rights reserved.
应力场
热应变
塑性应变
屈服应力
应力
© UFC Corp. 2009. All rights reserved.
应力结果
σz
© UFC Corp. 2009. All rights reserved.
适当修改焊接参数可以减少应力热裂纹 的产生
σz
© UFC Corp. 2009. All rights reserved.
2. 列车转向架电弧焊变形控制
•采用手工电弧焊 •焊接速度5mm/s，电 压26V，电流280A，热 输入效率80% •4道焊缝 •焊缝总长达到近8m •采用混合网格 •焊接时两端装卡 •焊接完后释放装卡
焊接工艺模拟分析软件SYSWELD
© UFC Corp. 2009. All rights reserved.
主要内容
SYSWELD介绍 软件特色 软件功能及应用实例
热处理 焊接 焊接装配
总结
© UFC Corp. 2009. All rights reserved.
应用领域
3D
5.焊后热处理
回火前
回火后
500℃回火 一段时间 拉应力减少
© UFC Corp. 2009. All rights reserved.
焊接装配高级模块 PAM-ASSEMBLY
独特的“local-global”方法，用局部模型进行完整的焊接 模拟，结果映射到整体模型上，节省大量计算时间
平板对接焊的温度场和应力场有限元分析
过程中金属一般 要经历 两个 阶段 ，即加热 和冷却 。某一 时 刻构件上会 同时存在 固相 区 、液 相 区和固 、液共 存 区 ，影 响计算所采 用的方程 。固液 共存 区存在 时间短 ，可 以忽 略
服 强度 ，离开焊缝 区后焊接残余应力迅速 衰减 为压应力。
１ 焊接 温度场 控制 方程
在区域 Ｑ 中热过程控制方程 为 ：
关键词 ：中厚板 ；对接焊 ；温度场 ； 应 力场；有限元
中 图分 类号 ：Ｔ Ｇ ４ ０ ２ 文 献 标 志 码 ：Ａ
文章编 号 ： １ ６ ７ ２— ４ ０ １ １ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ — ０ ｏ ７ ４— ０ ３
Ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ａ ｎｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｔ ｏ ｂ ｕｔ ｔ ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎｇ
ｃ ＿ ｆ ， ｄ Ｔ＝Ｖ［ Ａ ］十
ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｌ ｙ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ，ｔ ｈ ｅ
式 中， Ｏ ／ 为对 流换热系数 ， 为零对流时 的参考 温度 。 （ ２ ）辐射换热导致 的边界热流 ：
ｑ ，＝ Ｏ ＂ ０ ８ ０ （ 一 ）
式 中， ｓ 。 和Ｇ ｒ ０ 分别为黑 度（ 发 射率 ）和 黑体 辐射 常数 ，
，
ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ —ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｌｙ ａ ｓ ｉ ｓ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ ｉ ｓ ａ ｐ —
基于Sysweld的T形管焊接件温度及应力应变场数值模拟分析
z z z PsgiolePfrp
z z z PsgiolePfrp
z z z PsgiolePfrp
９４
焊 接 学 报
第 ３７卷
z z z PsgiolePfrp
［上接 第 ８Ｏ页 ］
［６］ 黎超文 ，王 勇 ，李立英 ，等．Ｔ形接头 的焊接温 度场 三维 动态有限元模拟［Ｊ］．焊接学报 ，２０１１，３２（８）：３３—３６．
一 ． 生 产加工 中大多 由焊工 熟 练 的焊 接技 能 来 保证 仿 真 ，模 拟仿 真流程 如 图 １所 示 ．
焊 接质量 ，而焊 接 时的应力 影 响难 以掌 控 ，需 要 大量
离空 要卜 矗驽 的试验¨Ｊ．当前试验测量应力的方法主要有盲孔法
和 ｘ射线衍 射法 ，这 些方 法 需 要 专 门配 套 的 试验 设 备 ，试验周 期 长 ，并 且 很 难 得 到 分 布 复 杂 多 样 的应
图 １ 基 于 Ｓｙｓｗｅｌｄ数 值 仿 真 分 析 流 程
Ｆｉｇ．１ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｌｏｗ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｙｓｗｅｌｄ
成本 ．因此采 用计算 机模 拟 方法 模 拟 焊接 应 力具 有
较大 的经济 效益 ． 基于 Ｓｙｓｗｅｌｄ有 限元 分 析 软 件对 焊 接 过 程 中温
z z z PsgiolePfrp
第３ ７卷 第４期
焊 接 学 报
Ｖｏ１．３７ Ｎ。．４
２ ０ １ ６ 年 ４ 月 ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＷＥＬＤＩＮＧ ＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮ Ａｐｒｉｌ ２ ０ １ ６
基 于 Ｓｙｓｗｅｌｄ的 Ｔ形 管焊 接 件 温 度 及 应 力 应 变 场 数 值 模 拟 分 析
基于ansys的冻结过程中温度场的有限元分析
基于ansys的冻结过程中温度场的有限元分析冻结过程中温度场的有限元分析是现代冰川物理和热输运理论研究的重要部分。
冻结过程是冰川系统中最重要的物理过程，冰川及其周围的温度场的变化，将直接影响冰川的运动、凝固和融解。
温度场的有限元分析是使用计算机对冰川系统进行精确模拟的有效方法。
有限元分析基于定义在节点（域上）的有限个单元函数，利用这些函数将域区域分割成若干有限个单元，进而根据物理原理建立有限元方程组，最后利用某种数值方法求解该方程组，从而确定域上的物理量。
冻结过程中温度场的有限元分析，主要是基于非稳态的热输运方程进行分析。
实际上，基于有限元的冻结过程的模拟与实验室或室内试验更相似，可以使用有限元分析来生成不同时间步长的温度场，以此为基础进一步研究冰川及其附近环境的变化。
有限元分析是将计算机分析视为一种实验过程。
在实验室中，冰川及其周围的温度场的变化受到测量错误的影响，而在计算机分析中，模拟误差也很难避免。
因此，实验和分析之间的差异应尽量减少，以保证在有限元分析中获得可靠的结果。
首先，在使用有限元分析进行冻结过程模拟之前，需要对几何模型进行预处理。
通常，在分析中使用的几何模型是三维的，可以使用ANSYS软件来完成。
ANSYS软件可以根据分析的要求进行网格划分，网格划分准确性，直接影响分析结果的准确性，以及计算的时间和计算资源的占用等。
其次，在使用有限元分析对模型进行分析之前，需要对域上的初始条件和边界条件进行设置。
初始条件是指冰川系统的初始状态，包括温度、密度和流速等；边界条件是指冰川系统周围的条件，包括温度、压力和流速等。
此外，还需要设置材料参数（热导率、密度等）。
最后，在设置完边界条件和材料参数之后，可以使用ANSYS软件进行模拟。
ANSYS软件可用于求解热输运方程，使用多孔介质模型，根据不同的时间步长，以及由此产生的温度场，来模拟冻结过程中温度场的变化。
以上就是有限元分析模拟冻结过程中温度场的大致步骤。
焊接温度场和应力场的有限元分析
焊接温度场和应力场的有限元分析张华波;刘志义【摘要】本文通过ANSYS有限元分析软件平台,实现了高斯移动热源载荷下平板堆焊的焊接温度场和应力场的数值模拟分析,得到了焊接温度场和应力场的分布情况和变化规律.【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2016(019)009【总页数】4页(P27-30)【关键词】温度场;应力场;ANSYS;有限元模拟【作者】张华波;刘志义【作者单位】中南大学材料科学与工程学院, 湖南长沙 410083;中南大学材料科学与工程学院, 湖南长沙 410083【正文语种】中文焊接是一个快速升温并随后快速冷却的过程，焊接物理现象包括焊接时的传热过程、金属的熔化和凝固、电磁、冷却时的相变、变形、焊接应力等。
焊接时，在焊件上将产生局部高温的不均匀温度场，焊缝中心处的温度可达1500℃以上，焊缝填料受热向外膨胀但受到周围母材的约束，从而在焊件内产生较大的温度应力，此应力会随着温度和时间发生不断的变化，某些部位的焊接应力甚至达到材料的屈服强度而发生塑性变形，在焊件冷却后残存于内部成为残余应力。
焊接所产生的残余应力和变形，可对焊接结构质量产生重大影响。
在实际结构中，多数开裂都是从焊缝处发起的［1］，因此对焊接温度场和应力场进行分析是十分必要的。
焊件尺寸及相关参数如下：焊件材质为低碳钢25#，焊丝为H08Mn2SiA，焊件几何尺寸为120 mm×120 mm×6mm，焊缝位于焊件的Y-Z平面中心线。
焊接电压25V，电流180 A，焊接速度10 mm/s，电弧有效半径r=6mm，焊接热效率η=0.75。
在ANSYS有限元分析中，经常会涉及到对称性的构件。
ANSYS给我们提供了对称和反对称两种对称分析类型。
如果分析对象呈对称的几何形状，且所受载荷也对称的话，根据其对称性，可以只考虑采用计算模型的一半进行分析，采用对称分析可以节省计算时间，提高工作效率。
对称面每增加一个，有限元模型就相应地减少近一半［2］。
sysweld教程求解及后处理
4. Save .在生成的MECH_C.DAT文件中，在每一层的 INITIAL CONDITIONS后加上 ELEMEN GROUP $ADDn+1$ $ADDn+2$ $ADDn+3$ / IS -1 表示组ADDn+1 ADDn+2 ADDn+3不激活，如有更多的层，同理。
•The results stored in these two files are converted into post-processing format and then stored in the files : •TEST06_POST1000.FDB for the thermo metallurgical results •TEST06_POST2000.FDB for the mechanical results
19
Multi Layers-2 method
1. 建立模型，定义组
2. 对第一层进行welding advisor定义
a. 在定义Material Properties时，所有体
组都要定义，包括其它层的组。
b. 在定义Phase proportions时，所有体组
都要定义，包括其它层的组。 3. Save .在生成的MECH_C.DAT文件中，在INITIAL
4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
导入后处理文件
5
选择时间步和结果类型
6
显示温度场结果
1.选择Group Name “ALL”
2.单击,以云纹 图形式显示
基于SYSWELD软件的多束流电子束焊接过程的数值模拟
基于SYSWELD软件的多束流电子束焊接过程 * 的数值模拟
王西昌1，左从进1，崔启玉2，刘寒龙2，赵海燕3
（1.北京航空制造工程研究所 高能束流加工技术重点实验室, 北京, 100024） （2.法国ESI公司北京办事处，北京，100012 3.清华大学机械工程系，北京，100084）
55
第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
r0 z re
图2
r i re z ze z i ze
热源模型
锥形热源模型不仅体现了能量在厚度方向上的衰减规律，也更好地体现了能量在电子作 用层及束流匙孔中的分配。实际焊接时能量先在工件表面电子作用层上聚集熔化金属，从而 形成较大的熔池，凝固后形成“钉子”头部；而后能量在束流匙孔中逐渐衰减形成较大的熔 深，凝固后形成“钉子”底部，见图 3a。图 3b 为采用 SYSWELD 软件进行热源校核之后，模拟 得到的电子束焊接的焊缝截面图。
3.1 温度场结果
整个求解计算过程共分为焊接和冷却两个阶段。 焊接过程共用 40s 完成， 然后冷却至 700s。 计算过程中载荷步的选择由程序进行自适应控制，即焊接过程非线性较强，适当减小步长， 而冷却过程在保证计算精度的同时，适当增大步长。图 6 为多束流电子束焊接过程中的温度 场分布。
图 6 焊接过程中的温度场分布
58
第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
单束流 纵向距离dx
350mm 280mm 230mm 180mm
纵向残余应力 /MPa
距焊缝中心距离 /mm
图 9 纵向距离对纵向残余应力的影响
辅助加热区产生一个拉应力峰，整体上残余应力形成一个较低拉应力状态下的分布。随着纵 向距离dx从180mm增大到280mm时，焊缝及近缝区残余应力相比较于单束焊逐渐减小，但从 280mm增大到350mm时，多束焊接相比较于单束焊接残余应力减小量逐渐减小。 3.2.2.3 辅助热输入的影响 如图 10 所示，取纵向距离 dx 取为 350mm，横向距离 dy 为 25mm，辅助热源能量分配从 38％增大到 47％，焊缝及其临近区的残余拉应力的降低效果。
基于SYSWELD对低合金钢焊接接头的数值模拟及实验分析
２０１０年１２月
基于ＳＹＳＷＥＬＤ对低合金钢焊接接头的
数值模拟及实验分析
康惠。凌泽民，齐喜岑 （重庆大学材料科学与工程学院。重庆４０００４４）
摘 要：基于焊接专用有限元模拟软件ＳＹＳＷＥＬＤ对Ｑ３４５Ｄ低合金钢Ｃ０２焊焊缝组织成分进行了数值模拟研 究。并对焊接接头进行了金相分析。结果表明：模拟结果与实验结果基本吻合，Ｑ３４５Ｄ低合金钢焊后冷却至大约３００℃
目前焊接领域大量采用数值模拟的方法研究焊 接温度场、应力应变场等，对于焊接过程中熔池的相 变和组织成分的模拟研究还处于探索阶段。法国 ＥＳＩ公司开发的焊接专用数值模拟软件ＳＹＳＷＥＬＤ 拥有自身强大的数据库，将材料的ＣＣＴ曲线融合进 去。使得该软件对材料焊接过程中接头组织的分析 成为可能。进而为预测材料的各种物理性能奠定了 基础。本文采用该软件，考虑到材料热物理性能的
ｗｅｌｄｉｎｇ Ｗａｓ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｗｈｅｎ ｌｏｗ－ａｌｌｏｙ ｓｔｅｅｌ Ｑ３４５Ｄ ｃｏｏｌｓ ｔｏ ａｂｏｕｔ ３００℃ａｆｔｅｒ
Ｋ ＡＮＧ Ｈｕｉ．ＬＤＪＧ Ｚｅｍｉｎ，ＱＩ Ｘｉｃｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＳＹＳＷＥＬＤ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｓｅａｍ ｏｆ ｌｏｗ－ａｈｏｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｅｅｌ ｂｙ Ｃ０２ ａｒｃ
运用ANSYS对焊缝残余应力及温度场分析
（ 4） 通过对异种材料钢铜连接处的铝焊缝的数 值模拟，能 够 比 较 直 观 地 显 示 残 余 应 力 分 布，为 焊 后热处理工艺提供指导。
参考文献
3 结论
通过 有 限 元 软 件 ANSYS 中 生 死 单 元 技 术 和 热 － 结构耦合技术［4］，对异种材料钢铜连接处的铝 焊缝进行了焊接过程中的温度场模拟，并得出过程 中温度场的分布情况，同时将温度场作为载荷施加 在结构中，进 而 得 出 过 程 中 的 应 力 分 布 情 况，由 以 上计算结果及后处理得出以下结论：
同时对于 钢、铜、铝 材 料 各 个 温 度 下 的 材 料 密 度、泊松比、传热系数、线膨胀系数、比热容，设定为 常数，如表 2 所示。
160
科学技术与工程
11 卷
表 2 钢、铜、铝的物理常数
材料密度 材料
/ （ kg·m － 3 ）
传热系数 / 线膨胀系数 比热容 /
泊松比 ［w·（ m － 1 · / （ 1·℃ － 1 ） （ kg·℃ ）
图 4 焊接过程中内部应力的分布情况
（ 3） 图 5 为选取的节点 1、节点 2、节点 16、节点 23、节点 36 的温度随时间变化历程图，节点 1 是钢板 与焊料铝交界边界线的上端，节点 16 位于焊缝低端，
图 5 温度随时间变化曲线
图 6 残余应力随时间变化曲线
2． 2 焊接残余应力分析 焊接后，焊缝处的残余应力是引起开裂故障的
GAO Ming-bao，LI Shi-yun，ZOU Yun-he
（ Department of Mechanical and Electronic Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，P． R． China）
SYSWELD焊接热源校核部分教材
图右如格网维3成生 上面界主在�hsem etaerC击点
。面界核校源热到回返 。存保行进�evaS击点后入输 3 寸尺格网大最 )5( 1 寸尺格网小最 )4( 51 离距的端末最的伸拉 离距置位在所心中源热 )3( 03 格网密细 分划内域区大多在 )2( 09 度长总伸拉 )1( 下如数参�伸拉择选中例本 �数参入输钮按sretemaraP击点 �)noitatoR(转旋者或)noitalsnarT( 伸数函个一是也后好义定们我源热 �的数函53S 择选均料材例本�料材赋件零接焊给
rewoP
0551
3 c
b
6
ra
3
fa
2
65740.6 rQ
436.72 fQ
�mm3 度厚�源热金合铝�加附 0 例本。正为针 时顺�度角的转旋轴 0y 着沿向方入进源热是 ya�向方反的轴 0z 着沿是向方入进源热 ya 0,0,0 例本 。标坐的中)轴 0z 定确则定手右�0y 为向方线接焊着沿�0x 为向方线考参向指线接焊�点 原标坐为点始开线接焊以(系标坐部局的定确线考参和线接焊由在心中源热示表 0z�0y�0x 2 )度深深熔(径半向纵 c 8.1 )半一的宽融:议建(度长向横 b 5.4 度长轴半后球椭双 ra 3 度长轴半前球椭双 fa 1 2.1 议建 )系关例比是的入输始初 ,3^mm/ttaw 是位单 �量能入输的上积体位单示表( rQ 与 fQ 下如置设数参型模 )STT_ECRUOS 字名中例本( 名数函源热入输先首
�数参的型模格网D2成生置设sretemarap�入载KO击点后之
。成完载加�KO 击点 打
�口窗闭关来钮按 esolC 者或 tiuQ 的面下择选应�时口窗闭关 上面界件软的 dlewsys 在意注� 示所图右如骤步库据数料材载加�a 库据数数函和库据数料材载加 .2
热处理、焊接模拟软件Sysweld简介
独有的向导技术是SYSWELD迅速工业化地成功秘诀。简洁、易用而有条理的 向导指示，一步一步地引导用户完成复杂的热物理模拟过程。模拟向导能根据不同的工艺特征，自动智能化的选择求解器进行物理分析。
系统主要功能模块和模拟向导：
Heat treatment Advisor 热处理向导
Welding Advisor 焊接向导
SYSWELD的操作环境SYSWORLD也可直接建立几何模型和生成各种网格。配合GEOMESH几何网格工具，SYSWELD可以直接读取UG, CATIA的数据和接受各种标准交换文件(STL, IGES, VDA,STEP, ACIS等)。
能与大部分CAE数据接口
SYSWELD能兼容大部分CAE系统的数据模型，如NASTRAN，IDEAS，PAM-SYSTEM，HYPERMESH等。
应力
材料晶相变化后的屈服
强度
塑性变形
SYSWELD后处理提供的显示功能
云图显示
等高线或等高面显示
矢量显示
符号显示
X-Y曲线
断面显示
动画等
功能强大的后处理
ESI国际工程科学中国有限公司
SYSWELD的标准用户界面
材料数据
得益于长期的合作开发和工业验证，SYSWELD的材料数据库包含了热、与温度和相成分相关的异常复杂的机械和冶金材料数据库。在商业版本中，直接著名钢铁、铝合金和灰铁厂商的材料已经包含在内。
后处理
SYSWELD后处理提供的主要结果
温度场
加热与冷却速率
材料的晶相组织变形与Fra bibliotek曲SYSWELD的计算模型
SYSWELD的电磁模型允许模拟点焊和感应加热，并可实现能量损失和热源加载的计算模拟。SYSWELD扩散与析出模型可实现渗碳、渗氮、碳氮共渗模拟，先计算化学元素的扩散和沉积，然后再考虑对热和机械性能的影响。SYSWELD的氢扩散模型能计算模拟氢的浓度，预测冷裂纹的严重危害。
MIG堆焊温度场有限元求解及验证
MIG堆焊温度场有限元求解及验证黄健康;韩日宏;薛诚;石玗;樊丁【摘要】A temperature field model of MIG bead weld was set up and it was used for temperature computations by using the double ellipsoid heat sources. Taking account of the impact of temperature on the material properties and heat dissipation from its surface and using the adaptive grid technology, a numeric analysis of model was performed and the transient temperature field of the welding process as well as the thermal cycle curve for the characteristic points on the back of workpiece were got. Experiment of MIG bead weld was conducted and thermal cycle curves of the corresponding points were got by using thermoelectric couple and its results were compared to those of simulation computation. The results showed that calculated and experimental results were basically the same, and the model of MIG bead weld was accurate and the finite element solution was feasible.%建立MIG堆焊过程的温度场模型,通过移动双椭球热源模型进行计算,考虑温度对材料性能参数以及工件表面散热条件的影响,并运用自适应网格技术,对模型进行数值分析,得到MIG堆焊过程的瞬态温度场和工件背面特征点的热循环曲线.并进行MIG平板堆焊的实际焊接试验,利用热电偶采集对应特征点的试验数据并与模拟结果进行对比比较.结果表明:计算得到的特征点焊接热循环曲线与试验结果基本一致,所建立的MIG堆焊温度场模型是准确的,温度场有限元求解是可行的.【期刊名称】《兰州理工大学学报》【年(卷),期】2011(037)003【总页数】5页(P23-27)【关键词】MIG堆焊;双椭球热源;温度场分析;有限元【作者】黄健康;韩日宏;薛诚;石玗;樊丁【作者单位】兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料重点实验室,甘肃兰州,730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州,730050;兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室,甘肃兰州,730050;兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料重点实验室,甘肃兰州,730050;兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料重点实验室,甘肃兰州,730050【正文语种】中文【中图分类】TG409由于MIG焊具有焊接过程稳定、焊缝成形美观等特点，所以广泛应用于实际生产中.在焊接过程中工件的温度场分布情况对焊接的质量有重要影响［1］.因此对焊接温度场进行研究具有十分重要的意义，而如何准确获得焊接温度场便是首先要解决的问题.通过试验很难得到完整的温度场分布情况，而且还要耗费大量的时间和成本.而对焊接温度场进行有限元求解不但可以得到完整的瞬态温度场分布情况，而且还具有效率高、成本低等优点，所以发展迅速.求解过程中，热源模型的选择对数值分析的结果有很大影响，许多学者对此进行了研究.Eagar和Tsai将电弧范围内热流密度的分布近似地用高斯数学模型来描述，提出了平面高斯热源模型［2］.平面高斯热源只考虑了电弧对工件表面的加热，而没有考虑电弧的穿透作用.经过发展出现了半球形高斯热源，半球形高斯热源虽然考虑了电弧的穿透作用但仍有局限性，因为实际中的熔池并不是球对称的.为了克服这一缺点，A Goldak进一步提出了双椭球热源模型［3］.本文将动态的双椭球热源模型加载到工件上，使其在工件上运动，且考虑了材料热物性参数和工件表面散热条件随温度的变化情况，建立了MIG堆焊温度场模型并对模型进行数值分析.进行了相同参数和规范下的实际MIG堆焊试验，使用热电偶采集了相对应的温度场数据，并将模拟结果与试验结果进行对比.文中使用的有限元软件为FlexPDE.1 建立模型及求解1.1 几何模型工件为250 mm×100 mm×4 mm的平板，取工件长度方向为y方向，宽度方向为x方向，厚度方向为z方向，工件尺寸及坐标系统如图1a所示.由于工件为对称结构且焊缝在工件中心，所以焊缝2侧的温度场呈对称分布.为了减少计算量，取焊缝中心线一侧的工件建立几何模型.建模过程中忽略焊缝堆高的影响，不考虑熔池中的化学反应以及液态金属的流动，设定工件材料为各向同性，工件表面通过对流和辐射向空气散热.在工件背面取A、B、C、D 4个特征点，距离焊缝中心的距离分别为1.5、10、20、30 mm，具体位置如图1b所示.图1 工件示意图Fig.1 Schematic diagram of workpiece1.2 网格划分在计算过程中，细密的网格可以得到更加精确的结果，但同时会增加计算量.为了在结果精度满足要求的基础上尽量减少计算量，所以在温度梯度很大的焊缝区域使用细密的网格，在温度梯度较小的区域使用稀疏的网格，如图2a所示为手动划分的网格.为了得到更加准确的结果，在手动划分网格的基础上同时采用自适应网格.熔池周围具有最大的温度梯度，由于熔池在工件上是移动的，自适应网格可以随着熔池位置的变化自动加密熔池部位的网格，使计算结果更加精确.图2b中所示的为采用自适应网格后焊接过程中某时刻的网格划分.图2 网格示意图Fig.2 Schematic diagram of mesh1.3 温度场控制方程及边界条件焊接过程中热源在工件上不断移动，使工件上的温度场随着时间和空间不断发生变化.所以焊接温度场属于非线性瞬态传导问题，其三维温度场控制方程如下：式中：ρ为材料的密度，Cp为材料的比热，T为温度，t为时间，K 为材料的热传导率，Q（x，y，z，t）为随时间和空间变化的热源.焊接过程中工件表面主要通过对流和辐射2种方式向环境散热.为了方便计算，设置一个综合传热系数来表示这2种传热方式.由于对称面2侧的温度场对称分布，所以对称面没有热流通过.具体边界条件如下：对称面：1.4 热源模型热源模型采用双椭球热源模型［5］，这种模型将焊接熔池的前半部分作为一个1／4椭球，后半部分作为另一个1／4椭球，如图3所示.设前半部分椭球能量分数为f1，后半部分椭球能量分数为f2，且f1＋f2＝2.具体表达式如下：前半球：图3 热源模型示意图Fig.3 Schematic diagram of heat source model1.5 模拟参数取值取焊接电压为30 V，焊接电流为300 A，焊接速度为80 cm／min，焊接热效率η＝0.8.工件材料为低碳钢Q235，密度为7 850 kg／m3.材料的热传导率和比热容随着温度的不同有很大的变化，如果将其设为常数值进行计算，很难得到精确的结果.因此在计算中考虑了材料的热传导率、比热容随温度的变化情况，不同温度下的具体取值如表1所示［7］.表1 材料热物性参数Tab.1 Thermophysical parameters of material温度／℃ 热传导率／（W·m－1·℃－1）比热容／（J·kg－1·℃－1）20 50 460 250 47 480 500 40 530 750 27 675 1 000 30 670 1 500 35 660 1 700 140 780 2 500 142 8202 模拟结果分析及验证2.1 模拟结果通过对所建立的模型进行求解，得到了整个工件的瞬态温度场分布.图4为焊接开始后第3、7、11、15 s时工件上的瞬态温度场分布情况.从图中可以看出工件上的温度场分布随着熔池的移动不断变化，工件上越靠近熔池的部位温度梯度越大，说明焊接过程中的热量是由熔池向整个工件传导的.熔池前后的温度梯度分布并不均匀，前方的温度梯度大于后方的温度梯度，这是由于熔池的运动造成的.图5是通过有限元求解得到的A、B、C、D 4个特征点的焊接热循环曲线，特征点位置如图1b所示.从图中可以看出，A点在9 s时达到峰值温度，峰值温度约为1 100℃，在100 s 时冷却至280℃；B点在18 s时达到峰值温度，峰值温度约为450℃，随后开始冷却，在100 s时冷却至260℃；C点在37 s时达到峰值温度，峰值温度约为280℃；D点在70 s时达到峰值温度，峰值温度约为200℃.C点和D点的冷却速率相对缓慢.2.2 试验及对比分析试验采用的工件尺寸、工件材料、以及焊接参数与模型中一致.试验使用国产华意隆NBC－630－S焊机进行堆焊试验，焊丝牌号为CHT711，焊接过程中采用氩气保护，保护气流量为12 L／min.焊接过程中使用K型镍铬－镍硅热电偶丝采集工件背面对应特征点的焊接热循环曲线，特征点位置如图1b中所示.将通过有限元求解得到的特征点焊接热循环曲线与试验结果进行比较，结果如图6所示.图4 工件上不同时刻的温度场Fig.4 Temperature field at different justant图5 特征点热循环曲线模拟结果Fig.5 Simulation results of thermal cycle curve of characteristic points图6 特征点热循环曲线对比分析Fig.6 Comparison and analysis of thermal cycle curve of characteristic points从图6a中可以看出，在升温阶段和降温阶段，A点的模拟结果与试验结果吻合较好，计算所得的峰值温度与试验值基本一致.从图6b中可以看出，在降温阶段，B 点的模拟结果与试验结果吻合较好，B点由计算所得的峰值温度比试验值略低.从图6c中可以看出，在升温阶段C点的模拟结果与实验值基本一致，降温阶段吻合较好，计算所得的峰值温度略低于试验值.从图6d中可以看出，D点的模拟结果低于试验结果，模拟结果与试验结果趋势基本一致.从上述4个特征点热循环曲线模拟结果和试验值的比较可以看出，由计算得到的热循环曲线与试验值基本一致，表明所建立的温度场模型是准确的.其中A点模拟结果与试验结果吻合最好，D点模拟结果与试验结果存在一定偏差.这是由于D点距离热源较远，热量传导路径长，模拟结果受材料热物性参数以及边界条件的影响较大.3 结论1）特征点热循环曲线的模拟结果与试验结果基本一致，所建立的MIG堆焊温度场模型是准确的.2）对MIG堆焊温度场进行有限元求解是可行的，明确了MIG堆焊中热量的传递过程，为进一步研究提供了理论支持.参考文献：［1］朱亮，陈剑虹.热影响区软化焊接接头流变行为及抗拉强度预测［J］.兰州理工大学学报，2004，30（2）：5－9.［2］ EAGER T W，TSAI N S.Temperature fields produced by traveling distributed heat sources［J］.Welding Journal，1983，62（12）：346－355.［3］ GOLDAK A，CHAKRAVARTI A，BIBBY M.A new finite element model for welding heat sources ［J］.Metallurgical Transactions B，1984，15（6）：299－305.［4］张明贤，武传松，李克海，等.基于有限元分析对新型DEGMAW 焊缝尺寸预测［J］.焊接学报，2007，28（2）：33－3.［5］董志波，魏艳红，刘仁培，等.不锈钢焊接温度场的三维数值模拟［J］.焊接学报，2004，25（2）：9－14.［6］陈家权，肖顺湖.焊接过程数值模拟热源模式的比较［J］.焊接技术，2006，35（1）：9－11.［7］武传松.焊接热过程与熔池形态［M］.北京：机械工业出版社，2007.。
SYSWELD焊接过程数值模拟的应用及发展前景
SYSWELD焊接过程数值模拟的应用及发展前景摘要：本文对近年来SYSWELD焊接过程数值模拟的应用情况作了概括介绍，总结了SYSWELD在应用中存在的问题，并展望其在焊接生产领域的发展前景。
关键词：SYSWELD；焊接模拟；发展前景引言仿真技术已成为早期预测产品设计、加工工艺性能、实际使用中可能产生问题的主要手段之一。
而SYSWELD已经成为焊接、热处理、焊接装配工艺模拟的先导。
它综合考虑了材料性能，设计因素，工艺条件。
能够揭示出包含在焊接、热处理、焊接装配中的复杂物理现象，从而降低产品成本和焊接结构的重量，能通过SYSWELD焊接模拟指出所有物理作用引起的构件变形和焊后残余应力，在产品设计最初阶段保证最大安全性，并控制加工工艺。
焊接关键是尽可能的减少和消除焊接变形，减少修复量，研究不同工艺下的构件耐久度等。
焊接工程师需要通过优化工艺类型及焊接工艺参数找到变形、残余应力和塑性变形的最佳结合点，研究它们对焊后材料性能和零件最终形状的影响。
而SYSWELD可以在如下几点帮助焊接工程师：①SYSWELD焊接模拟能够估测焊接构件最终变形量，因为装配结构需要按一定顺序进行连续焊或点焊，所以合理的焊接位置和焊接顺序是焊接装配工艺设计的关键；②SYSWELD焊接模拟能够预测并使焊接变形量最小化，从而提高产品的整体质量，降低成本；③SYSWELD焊接模拟能够使残余应力最小化，通过焊接模拟使应力梯度最小化是控制焊接工艺的有效途径；④SYSWELD能够研究几何敏感性、材料和工艺参数，尤其是在设计阶段，可以减少设计错误，避免了后期昂贵的工程修改；⑤优化焊接工艺，SYSWELD中可以定义焊接顺序，控制焊接工艺参数，如焊接速度、热输入量等等。
1 SYSWELD焊接过程数值模拟的应用近十几年来，大量工程技术人员和科研专家应用SYSWELD焊接模拟使其在焊接领域的应用得到了快速发展，总计有近1000多项的研究成果，特别在2012年有近100多项的研究成果，并且有很多成果在指导工程实践中发挥了重要作用。
超高强钢板多层多道焊温度场有限元分析
超高强钢板多层多道焊温度场有限元分析翟紫阳;王克鸿【摘要】针对616超高强钢板焊接出现裂纹等问题,为优化焊接工艺参数,准确提供焊接条传下的温度场,采用Sysweld软件建立了15 mm厚板脉冲MIG多层多道焊有限元分析模型,对多道焊焊缝及热影响区形状尺寸透行计算,并分析比较模拟结果.结果表明,有效热输入功率为3 600W时,校核热源熔融最佳;距热源最近的特征点温度变化最迅速,最先升到峰值点,高温驻留时间最长;道间温度伴随焊接道次增多而逐步上升,控制道间温度可预防热影响区晶粒粗大,有助于改善接头组织.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2014(044)005【总页数】4页(P202-205)【关键词】616装甲钢;有限元模拟;多道焊;温度场【作者】翟紫阳;王克鸿【作者单位】南京理工大学材料科学与工程学院,江苏南京210094;南京理工大学材料科学与工程学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TG4020 前言焊接采用的是瞬态加热，从开始焊接到最终焊完冷却，经历了传热，金属熔化与凝固，冷却时的相变、应力变形等过程［1］。
准确描述焊接热过程是分析接头组织变化、应力变形分布的基础，计算机数值模拟技术的发展为焊接过程精确模拟提供了有利条件。
616装甲钢属于高强度特种钢，焊前热处理状态为调质或淬火+低温回火，组织为低碳板条马氏体与贝氏体，常温下屈服强度大于1 400 MPa，焊接时易出现裂纹。
特厚装甲板多层多道次焊接过程中，工件经历多次焊接热循环，温度场变化非常复杂，更易于出现焊接缺陷。
针对装甲车辆车顶炮塔焊接中出现的问题，基于Sysweld软件模拟15 mm厚装甲钢板对接接头温度场，为后续应力应变场分析作基础，并对计算结果进行分析。
1 焊接物理模型的建立1.1 试验材料与模拟工艺焊接试验母材为调质状态的616装甲钢板，将两块尺寸为80 mm×50 mm×15 mm的板材沿长度方向进行脉冲MIG对接焊，试件开X型坡口，焊接规范参数采用现行的工艺，热量输入体现为有效热功率选在2 400 W～3 800 W之间。
X5CrNi1810不锈钢焊接应力应变场的数值模拟
X5CrNi1810不锈钢焊接应力应变场的数值模拟吴学农;张书权【摘要】采用有限元软件SYSWELD对X5CrNi1810不锈钢平板TIG焊的应力应变场进行三维动态模拟，同时应用SYSWELD软件的校核工具对双椭球热源进行校核，得出了等效应力分布图和焊缝中心线上纵向残余应力分布曲线及不同时刻焊接变形云图．与文献资料比较表明，所建立的三维模型可以动态地模拟焊接过程，对实际生产有一定的指导意义以及最终改善X5CrNi1810不锈钢的焊接性提供参考依据．%The paper used the finite element software SYSWELD on the stainless steel X5CrNil810 fiat＇ stress and strain fields of TIG welding for 3 d dynamic simulation. Mean while, it applied double-ellipsoid heat source modi- fied with the tool supplied by SYSWELD software,thus the equivalent stress distribution as well as longitudinal residual stress distribution curve on seam center line was obtained, and through the finite element analysis, welding deformation cloud graphs were obtained at different times. Comparing the simulation results with the literature data,it demonstrated that the established 3D model can dynamically simulate the welding process, have a practical significance in production and eventually improvs the welding of X5CrNi1810 stainless steel.【期刊名称】《安徽工程大学学报》【年(卷),期】2012(027)002【总页数】3页(P63-65)【关键词】SYSWELD;X5CrNi1810不锈钢焊接;应力场;应变场【作者】吴学农;张书权【作者单位】安徽机电职业技术学院机械工程系,安徽芜湖241000;安徽机电职业技术学院机械工程系,安徽芜湖241000 中科院等离子体物理研究所,安徽合肥230000【正文语种】中文【中图分类】TG402焊接应力会导致焊接结构的疲劳断裂、脆性断裂等，而焊接变形影响焊接结构的形状和尺寸精度等，因此，有学者很早就展开了对焊接应力与变形的研究［1－3］，但至今许多问题仍有待解决.X5CrNi1810（304）是工业生产中应用最广泛的一类不锈钢，由于与低碳钢相比，其热导率低而热膨胀系数大，焊接过程中很容易产生较大的应力与变形［4－5］.针对上述问题，利用焊接软件SYSWELD对X5CrNi1810不锈钢平板TIG焊的应力应变场进行三维动态模拟，分析应力应变场与应力曲线特点，为减小焊接应力与变形提供依据，为评定和优化焊接工艺奠定基础，为最终改善X5CrNi1810不锈钢的焊接性提供参考.1 模型的建立1.1 数学模型的建立研究焊接应力应变场是以研究焊接温度场为前提条件的，而对焊接温度场的分析属于典型的非线性瞬态问题，对于固体材料，温度场是以热传导为主，其控制方程为：式中：ρ为密度，c为比热容，λ为热导率、为内热源强度.1.2 有限元模型以平板堆焊为研究对象，母材为X5CrNi1810不锈钢，平板焊件尺寸为40×40×5mm.焊接模型及网格划分如图1所示，在焊缝及热影响区网格划分较细密，而在其他地方较稀疏，共有7137个节点，10278个单元.1.3 热源模型目前常用的热源有平面分布热源和体积分布热源，包括高斯、双椭圆以及双椭球体等分布热源［6］.由于在实际的电弧焊接中，电弧是不对称分布的，随着焊接向前移动，使得电弧前方的加热区域一般比后方加热区域小，因此，就形成了不对称的双半椭球体.由于双半椭球体更加接近焊接实际，有利于准确地分析模拟结果［7］.图2为结合实际焊接过程，采用双半椭球体热源模型.1.4 施加边界条件为防止在应力应变的计算中有刚性位移而使模拟结果不准确，有必要对边界施加约束条件，但所施加的载荷不宜过大，否则就会使应力不能自由释放和变形自由进行.假定的模型限制条件如图3所示.从图3中可以看出，AB与CD两条边线施加Z轴方向的约束，AC边线施加Y轴方向的载荷，使焊件不能沿Z轴和Y轴方向移动. 图1 有限元模型图2 校核后的热源模型图3 边界条件加载模型图2 模拟结果及分析2.1 焊接过程动态应力结果分析图4 不同时刻的主应力等效应力云图焊接模拟过程中采用的一些工艺参数如下：有效功率1 900W，焊接速度4.8mm/s.焊接热效率70%.应力求解完毕以后，得到等效应力云图（见图4）.从图4中可以看出，高温区域主要集中在焊缝及热影响区附近，远离焊缝的区域温度较低，而在焊缝熔化区，应力变为0（此处焊缝处于加热熔化阶段）.焊缝及近缝区由于温度较高，所产生的应力也大，如图4a、图4b所示，热源附近应力较大，而远离焊缝区域由于温度低，相应产生的应力也小.随着焊接冷却过程的进行，金属从高温冷却到低温直到室温时，焊接残余应力主要在焊缝及附近区域较大，在远离焊缝的地方较小，其中在热影响区最大，如图4c所示.这与文献资料基本相符［8］.2.2 焊接残余应力计算结果及分析图5 焊缝中心线上纵向残余应力沿横向和纵向上的分布现选取焊缝中心线来研究残余应力的分布，在有限元软件SYSWELD应力应变场后处理器中，冷却到最后一个时间步，即得板的焊接残余应力的分布.在焊缝中心线上纵向残余应力沿横向和纵向上的分布，如图5所示.从图5中可以看出，焊缝冷却纵向收缩，将会引起焊缝纵向残余应力.从图5a中看出，纵向残余应力沿板材横截面上的分布表现为中心区域是拉应力，到两边拉应力逐渐减小到0，再转变为压应力，最终拉应力与压应力在界面内保持平衡，中部较长一段拉应力保持基本稳定.而从图5b可以看出，在焊缝两侧出现一小段压应力及应力升高的现象，可能是两侧受约束的原因，使应力与中间段不一致.除两侧一小段外沿焊缝长度方向上的纵向残余应力表现为拉应力，且中部较长一段存在一个稳定的纵向残余应力区，其拉应力所达到的最大值为320MPa左右，与图4c中最大等效应力值接近.这与文献资料也是基本相符的［8］.2.3 焊接过程动态变形结果及分析图6 不同时刻的焊接变形云图（放大10倍）由于SYSWELD可以对焊接过程进行三维动态模拟，可以显示焊接动态变形过程，焊接到12s和冷却到2000秒的焊接变形云图分别如图6a、图6b所示.从图6可以看出，随着焊接的进行直到冷却过程中，在焊缝及附近区域出现了最大变形，而远离焊缝的地方焊接变形较小，由于焊件边缘受到拘束以及受热不均匀的缘故，金属所受的热膨胀是不一样的，开始热源附近的金属受热膨胀，但将受到周围温度较低的其他金属的挤压作用，即产生了压应力，当此压应力超过材料的屈服极限时，就在沿板宽方向上产生压缩塑形变形.在焊后产生横向收缩，在焊缝正面的横向收缩大，背面的横向收缩小，使最终表现的焊接残余变形为角变形.这与文献资料也是基本相符的［8］.3 结论焊接过程中应力场随时间的变化而变化，残余应力位于焊缝附近热影响区最大.焊缝中心线上纵向残余应力沿焊缝长度方向上表现为拉应力，中部形成较长一段稳定区，且拉应力达到最大，在板材横向上分布表现中心区域为拉应力，两边为压应力.焊接过程中的变形随时间的变化而变化，最大残余变形发生在焊缝附近，最终表现为角变形.参考文献：［1］ BONIFAZEA.Finite element analysis of heat flow in single－pass arc welds［J］.Welding Journal，2000，79（5）：1 212－1 252.［2］张初冬.焊接过程瞬态组织预示的计算机模拟［J］.焊接学报，1992，13（2）：122－126.［3］汪建华，钟小敏，戚新海.管板接头三维焊接变形的数值模拟［J］.焊接学报，1995，16（3）：141－145.［4］沈显璞.双相钢的发展现状和展望［J］.机械工程材料，1988（1）：3－6. ［5］李为卫，宫少涛，熊庆人，等.2205双相不锈钢的焊接性及焊接技术［J］.热加工工艺，2006，35（3）：36－38.［6］程久欢.焊接热源模型的研究进展［J］.焊接技术，2004，33（1）：13－17.［7］莫春立，钱百年，国旭明，等.焊接热源计算模式的研究进展［J］.焊接学报，2001，6（22）：93－96.［8］中国机械工程学会.中国机械工程学会焊接学会焊接手册［M］.北京：机械工业出版社，2005.。
基于SYSWELD的运行管道在役焊接热循环数值模拟
1.2 热源模型及焊接工艺参数 由于双椭球 模 型 更 为 准 确［8］，焊 接 热 源 采 用 双
椭球模型。采用 焊 条 电 弧 焊 方 法，根 据 不 同 电 流 下 焊接熔池的深度和宽度初步确定双椭球热源模型的 各参 数，然 后 采 用 SYSWELD 的 热 源 拟 合 工 具 进 行 多 次 校 核 ，直 至 模 拟 出 的 熔 池 形 状 和 实 际 接 头 相 符 。 选用的四种热输入及其相关参数如表 1。
工艺参数 编号
A B C D
表 1 焊接工艺参数 table 1 Welding parameters
焊接电流 I/A
电弧电压 焊接速度 热输入
U/V
1 （/ mm·S - 1）E （/ kJ·cm - 1）
有限元软件SYSWELD在焊接数值模拟中的作用
有限元软件SYSWELD在焊接数值模拟中的作用
华鹏;孙俊生
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2005(000)001
【摘要】本文对数值模拟技术的应用和发展作了展望.介绍了大型有限元软件SYSWELD在焊接数值模拟中的应用.
【总页数】3页(P10-12)
【作者】华鹏;孙俊生
【作者单位】山东大学,材料科学与工程学院,济南,250061;山东大学,材料科学与工程学院,济南,250061
【正文语种】中文
【中图分类】TG4
【相关文献】
1.焊接变形与基于SYSWELD的焊接力学数值模拟 [J], 熊建坤;陈达平;张从平;徐健;伍敏
2.基于SYSWELD压滤机滤框焊接变形数值模拟 [J], 周三平; 王恒; 郑宏涛
3.基于SYSWELD软件T型接头焊接温度场的数值模拟分析 [J], 陈俊安;崔建峰;李峰超;王乐;赵宏伟
4.基于SYSWELD的X80管线钢焊接接头温度场的数值模拟 [J], 田万鹏
5.基于SYSWELD的铝合金厚板多层多道焊焊接温度场和焊接变形的数值模拟 [J], 杨仲林;王陆钊;鲁二敬;李充;于岩
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ｊ－２００８年第１期总第６１期
２８现代焊接合肥工业大学材料学院
华
鹏
胡小建
作者简介：华鹏（１９７８－），男，硕士研究生，２００５年毕业于山东大学，现为合肥工业大学材料学院助教，主要研究方向为焊接过程中数字模拟。
［摘要］［关键词］本文基于大型有限元分析软件ＳＹＳＷＥＬＤ，采用双椭球三维热源对ＪＢ８００钢平板堆焊的温度场进行了数值模拟。
结果表明，冷却时间ｔ的计算结果与实测结果基本吻合，验证了本文所建模型的可靠性。
双椭球热源；有限元；焊接；ＳＹＳＷＥＬＤ
８／５序言
１焊接温度场的数值计算模型
焊接温度场是影响焊接质量和生
产效率的重要因素。
因此焊接温度场的测试与计算一直是焊接领域的重要研究内容。
以前大都采用解析法计算这种方法都是以集中热源为基础的计算方法，假定热物性参数不变，不考虑相变和结晶潜热，对焊件几何形状简单归为无限的，计算的结果对远离熔合线的较低温度区较准确，但对于熔合区和ＨＡＺ误差很大，而这部分正是和焊缝性能相关的关键部位。
ＳＹＳ－ＷＥＬＤ是基于有限元方法的大型数值模拟软件。
ＳＹＳＷＥＬＤ完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算，允许考虑晶相转变及同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响。
焊接热过程控制方程可以建立在随热源中心移动的三维直角坐标系中。
１．１
控制方程及边界条件［２］
［１］，对于每一瞬时，按照固定坐标系进行计算，其方程为：
式中，ρ为金属的密度，Ｃ为定压比热容，Ｔ是温度，ｔ是时间，Ｋ为导热系数，ｘ、ｙ、ｚ是三维直角坐标系的三个方向。
方程（１）的定解条件如下工件上表面：
式中，为上表面的法向单位矢量，是焊接电弧传递给工件的热流密度，是因对流和辐射而散失的热流密度，η为电弧热效率，是焊接电流，是焊接电弧电压，为高斯参数是工件上某点与焊接热源中心的距离为对流和辐射边界的综合热传导系数，是环境温度。
工件下表面：
Ｐ∞ｎｑ（ｒ）ｑＩＵｒ，ｒ，ｈＴｔａａ０ｃｒ式中，ｎ－下表面的法向单位矢量。
对于对称面（ｘ＝０）：
初始条件：本文采用双椭球热源模型进行焊接数值模拟。
该热源所描述的热流密度分布在椭球体积内，能够反映出焊接束流沿深度方向对焊件加热的特点，因此可以对焊接温度场进行更为准确的模拟。
双椭球热源模型考虑了焊接束流的“挖掘”、“搅拌”作用，适用于描述ＭＩＧ、ＴＩＧ、电子束焊、激光焊等熔深较深的焊接过程。
如图１所示。
ｂ１．２
双椭球热源模型
［３］
［４］
［５］
采用对平板堆焊温度场的有限元分析
SYSWELD
（１）
（２）（３）（４）
（５）（６）
（７）（８）
Analysis of infinite element about the temperature
field during bead-on-plate welding using SYSWELD
现代焊接２００８年第１期总第６１期Ｊ－２９
模型沿ｙ轴前半部分的椭球内部热
流密度分布为
沿ｙ轴后半部分的椭球内部热流密度分布为
式中：ａ、ｂ、ｃ、ｃ为热源形状参数；Ｑ为热输入功率；ｖ为焊接速度；ｔ为焊接时间；τ是热源滞后时间因子；ｆ、ｆ为模型前后部分的能量分布系数。
１２ｆｒ
２
焊接温度场的分析
ｑ＝
・ｅ
・ｅ・ｅ
（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）－３・ｘ
ａ
２
２－３・ｙ
ｂ
２
２－３（ｚ－ｖ・（τ－ｔ））
ｃ２
２１
ｑ＝
・ｅ
・ｅ
・ｅ
（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）－３・ｘａ２
２
－３・ｙｂ２
２
－３（ｚ－ｖ・（τ－ｔ））
ｃ２
２２
２．１
实验材料２．２
有限元模型
表１所列为本文所
用的试验材料、试件尺寸、焊接方法、焊丝、保护气体及气体流量。
气体流量（ｌ／ｍｉｎ）
１５母材Ｊｂ８００
试件尺寸（ｍｍ）２００×１５０×２０
焊接方法ＧＭＡＷ
焊丝
ＧＦＭ－６０
焊丝直径（ｍｍ）１．２保护气体１００％ＣＯ２表１
试验材料
本文计算模型的有限元网格划分和计算所用材料的尺寸和研究所用的坐标系如图２所示，平板堆焊采用了对称性简化模型。
图３（ａ）为线能量１４．０６ｋＪ／ｃｍ下，
２．３
焊接温度场的计算结果平板堆焊试件上熔合区附近点焊接热循环的计算结果，其峰值温度Ｔ＝１３４９℃；（ｂ）为其冷却曲线的计算结果与实测结果比较；其冷却时间ｔ的计算值分别为１０．７ｓ；实测值分别为１０．１ｓ。
由图可见，冷却时间ｔ的计算结果与实测结果基本吻合。
平板堆焊接头ｔ的计算结果和实测结果比较见表２，可见，冷却时间ｔ的计算结果和实测结果基本吻合，最大误差达到了１０．０７％。
分析认为，这是由于在数值模拟时，平板堆焊没有考虑熔敷金属对热循环的影响，必然造成一定的误差。
但是考虑到试验本身的误差，本文模拟计算的热循环已经达到了理想的结果。
３．１本文采用有限元软件ＳＹＳＷＥＬＤ建立了ＪＢ８００钢的焊接传热数学模型，确定了表面堆焊情况下热源模型及边界条件。
３．２采用双椭球热源计算出了ＪＢ８００钢ＭＡＧ焊接的温度场，避免了解析法的缺陷，大大提高了数值模拟的计算精度。
结果表明，冷却时间ｔ的计算结果与实测结果基本吻合，验证了本文所建模型的可靠性。
Ｐ８／５８／５８／５８／５８／５３结束语
参考文献
［１］武传松编著．焊接热过程数值分析［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９０．
［２］张文钺主编．焊接传热学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８９．
［３］Ｊ．Ｇｏｌｄａｋ．Ａｎｅｗｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｆｏｒｗｅｌｄｉｎｇｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｓ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｂ，１９８４，１５Ｂ（６）：２９９－３０５．［４］莫春立，钱百年等．焊接热源计算模式的研究进展［Ｊ］．焊接学报，２００１，６（２２）：９３－９６．
［５］吴甦，赵海燕，王煜，等．高能束焊接数值模拟中的新型热源模型［Ｊ］，焊接学报，２００４，２５（１）：９１￣９４．
表２
平板堆焊接头ｔ的计算结果和实测结果比较
８／５误差（％）７．３５９．１９５．９４１０．０７９．２１
电流Ｉ（Ａ）２３０２３０２７１２５０２６０
电压Ｕ（Ｖ）２８．９２８．７２９．２２７．６３０
焊速ｖ（ｍｍ／ｓ）５．８８４．２２４．５３．０５３．０３
焊接线能量Ｅ（ｋＪ／ｃｍ）
９．５１２．６１４．０６１８．０９２０．５９
实测ｔ（ｓ）６．８８．７１０．１１３．９１５．２
８／５计算ｔ（ｓ）７．３９．５１０．７１５．３１６．６
８／５编号１
２３４５。