基于焊缝形状的二维焊接温度场模拟热源模型_刘川
热源模型的建立
焊接热源的作用模式对于高能束焊接，由于产生较大的焊缝深宽比，说明焊接热源的热流沿焊件厚度方向施加了很大的影响，必须按某种恰当的体积分布热源来处理。
具体采用双椭球体分布热源。
由于激光沿焊接方向运动，激光热流是不对称分布的。
由于焊接速度的影响，激光前方的加热区域要比激光后方的少；加热区域不是关于激光中心线对称的单个的半椭球体，并且激光前后的半椭球体形状也不相同。
如图1所示：作用于焊件上的体积热源分成前后两部分。
设双半椭球体的半轴为（a f ,a r,b h,c h）,设前、后半椭球体内热输入的份额分别是f f、f r。
前、后半椭球体内的热流分布：q f222222333)ff h hx y za b c---,0x≥q r(x,y,z)=√3 (f ra b cπ√π(−3x2a r2−3y2b h2−3z2c h2),x<0f f+f r=22。
焊接热传导的有限元法计算用有限元法分析热传导的过程是：1）把传热微分方程的求解问题转化为变分问题；2）对求解区域进行有限元分割，把变分问题近似地表达成线性代数方程组。
3）求解代数方程组，将所得的解作为热传导问题的解的近似值。
一．采用分段式双椭球模型理由：焊接过程中，由于焊接热源具有集中、移动的特点，会形成在空间和时间上梯度都很大的不均匀温度场，从而导致了焊接残余应力与变形的产生[l]。
因此，建立适当的热源模型，对焊接温度场进行准确模拟是焊接数值模拟的重要课题之一。
针对激光焊接过程的特点，可采用双椭球体热源模型模拟焊接热源。
双椭球体热源模型所描述的热流输入分布在一定的体积内，能够反映出热源沿深度方向对焊件进行加热的特点，在模拟电子束、激光焊接等具有穿透效应的深熔焊接过程时，能够获得较为准确的计算结果。
但由于焊接热源的高度集中性，如果直接采用移动热源进行计算，在建立有限元模型时，需要将焊缝及其附近区域的网格划分得很细，计算中也需要很多时间步进行迭代运算，这使得计算效率极为低下，从而对于一些实际复杂构件的焊接过程进行模拟实际上是不可行的。
焊接热过程和冶金过程
焊接 热 过程 和冶金 过程
２ ０ ２ ４ 小 孔等 离 子 弧 焊 接 热 场 的 有 限元 分 析 ／ ０６０９ 王 怀 刚 …／ 焊 接 学 报 ．２ ０ ，６ ７ ．４ ～ ５ ／ 一０ ５ ２ （ ）一９ ３
从而得到焊材本身 的物性参 数 以及焊接 参数 对温度 分布的影响情况。 最终确定影响搅拌摩擦 焊温度场 的 主要 因素 。模拟 结果 短示 。 ３ｍｍ Ｙ ２温 度场 呈碗 Ｌ １
上 的热 量 分 布 ［ ／只 ｏ 髓 Ｈ．Ｆ ／ Ｂｐ ， ｒ－ 俄］ Ｋ 哪 ．／Ｃ ａｏ ． ｐ ￣ｉ
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题 ， 平 板 对 焊 试 验 温 度 场 进 行 了 计 算 ． 析 丁 空 冷 对 分 和加紫铜散热条两种情况下的温度场分布 后发现 ： 按
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（）一～ １ ・ １６ ８ ．８ ２ ６ ，３
上， 考虑等离子弧 对熔池 的热一 作用 ， 力 建立 了符合 小 孔形态 的热源模型 ．￣ ｑＬ ｘ ｄ 等离 子弧焊接热场进行 了 有 限元 分析 ． 计算出的小孔等离子弧焊缝形状 与试验 结 果吻合 良好 。图 ｌ 表 ｌ ｌ （ ） 参 ２
～
５．６ ２，６４
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。
焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。
焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。
这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。
由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。
因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。
传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。
ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。
文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。
2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。
由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。
在焊接分析中，常用的数值方法包括：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。
差分法：差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。
对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。
但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。
焊接过程中的温度场模拟及其优化
焊接过程中的温度场模拟及其优化焊接是一种热加工方法，通过热源将金属加热到熔化状态，使得两个金属材料在熔池的作用下相互融合，从而形成一个整体。
然而，焊接过程中的高温和温度梯度对材料的组织和性能产生了很大的影响。
因此，温度场模拟和优化是保证焊接接头质量的关键所在。
一、焊接温度场模拟的原理和方法温度场模拟是利用计算机数值分析方法，对焊接过程中材料受热冷却的过程进行模拟，以求得焊接接头的温度分布、热应力和变形等信息。
在焊接过程中，热源会产生高温，材料受热后产生热量逐渐扩散到材料周围，直至热量逐步消散。
因此，要进行温度场模拟首先需要建立完整的三维模型，并设定良好的热源参数、材料物性参数和边界条件等。
温度场模拟可以采用多种方法，如有限元法、有限差分法、边界元法等。
其中，有限元法是目前最常用的一种模拟方法。
有限元法的基本思想是将连续的物理空间划分为有限的单元，利用变分原理和微分方程求解每个单元的温度分布。
在实际模拟中，有限元法可以分为三个步骤：建立有限元模型、求解有限元方程、分析计算结果。
二、焊接温度场模拟的优化方法在焊接过程中，由于材料性质和接头几何形状等原因，产生的温度场分布不稳定，会导致接头形变和热应力，影响接头的质量。
因此，需要通过温度场模拟来优化焊接过程，减少焊接缺陷。
1、热源优化热源参数的优化是焊接温度场模拟的重要步骤。
通过调整热源功率、焊接速度、焊接角度等参数，可以对焊接过程进行控制。
热源功率是控制焊接温度场分布的关键因素。
在模拟过程中，可以通过调整热源功率控制焊接过程中的温度分布，达到控制热影响区大小和缩小焊缝宽度的效果。
2、材料参数优化焊接材料的物性参数是影响温度场分布的另一个关键因素。
不同材料的热传导系数、比热容等物性参数不同，会对温度场产生影响。
因此，在温度场模拟时需准确设置焊接材料的物性参数，以求得更真实、可靠的计算结果。
3、边界约束优化边界约束条件是影响焊接接头形变和变形的重要因素。
焊接温度场和应力场的数值模拟
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沈阳工业大学硕士学位论文焊接温度场和应力场的数值模拟姓名：王长利申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：董晓强 20050310沈阳工业大学硕士学位论文摘要焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。
焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。
一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。
本文在总结前人的工作基础上系统地论述了焊接过程的有限元分析理论，并结合数值计算的方法，对焊接过程产生的温度场、应力场进行了实时动态模拟研究，提出了基于ＡＮＳＹＳ软件为平台的焊接温度场和应力场的模拟分析方法，并针对平板堆焊问题进行了实例计算，而且计算结果与传统结果和理论值相吻合。
本文研究的主要内容包括：在计算过程中材料性能随温度变化而变化，属于材料非线性问题；选用高斯函数分布的热源模型，利用函数功能实现热源的移动。
建立了焊接瞬态温度分布数学模型，解决了焊接热源移动的数学模拟问题；通过改变单元属性的方法，解决材料的熔化、凝固问题；对焊缝金属的熔化和凝固进行了有效模拟，解决了进行热应力计算收敛困难或不收敛的问题；对焊接过程产生的应力进行了实时动态模拟，利用本文模拟分析方法，可以对焊接过程的热应力及残余应力进行预测。
本文建立了可行的三维焊接温度场、应力场的动态模拟分析方法，为优化焊接结构工艺和焊接规范参数，提供了理论依据和指导。
关键词：焊接，数值模拟，有限元，温度场，应力场沈阳工业大学硕士学位论文ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄＡｂｓｔｒａｃｔＷｅｌｄｉｎｇｉｓａｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａ／ｐｒｏｃｅｓｓｗｌｆｉｅｈｉｎｖｏｌｖｅｓｉｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ，Ｍａｔｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ，ｍｅｔａｌｍｅｌｔｉｎｇａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ，ｐｈａｓｅ?ｃｈａｎｇｅｗｅｌｄｉｎｇＳＯｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｏｎ，Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｈｉｇｈｑｕａｆｉｔｙｗｅｌｄｉｎｇｓｔｍｃｔｔｌｒｅ，ｔｈｅｓｅｆａｃｔｏｒｓｈａｖｅｔｏｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｉｆｃａｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅｂｅｓｔｄｅｓｉｇｎ，ｐｍｃｅｄｕｒｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｏｐｔｉｍｕｍｗｅｌｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＢａｓｅｄＯｉｌｓｕｍｍｉｎｇｕｐｏｔｈｅｒ’Ｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｅｍｐｌｏｙｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌ删ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅ３Ｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｎｕｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｏａｒｄｓｕｒｆａｃｉｎｇｂｙＦＥＭｓｏｆｔＡＮＳＹＳ．Ａｔｔｈｅｔｈｅｏｒｙｒｅｓｕｌｔ．ｓａｍｅｔｉｍｅ．ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔａｎｄＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐａｐｅｒａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓａｍａｔｅｒｉａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｃｅｄｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｈａｎｇｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＧａｕｓｓａｓｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃｈｏｏｓｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｍｏｄｅｌ．ｕｓｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｍａｎｄｔｏａｐｐｌｙｌｏａｄｏｆｍｏｖｉｎｇｈｅａｔＳ０１２Ｉｅ－２．ＡｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｗｅｌｄｉｎｇｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｖｉｎｇｏｆｔｈｅｈｅａｔｓｏＢｒｃｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｅｓｈｓｉｚｅ，ｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒａｄｉｕｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｒｃｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａ比ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｆｕｓｉｏｎａｎｄｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｂｅｅｎｓｏｌｖｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｒｔｈｅｕｎ—ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｌＴｅｓｓｉｓｓｏｌｖｅｄ；ｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌＳｌｌ℃ＳＳｉｎｗｅｌｄｉｎｇｃａｎｂｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｆｅａｓｉｂｌｅｓｌＩｅｓｓｄｙｎ黜ｆｉｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｎ３Ｄｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｏｎｆｉｅｌｄｈａｄｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｏｒｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＫＥＹＷＯＲＤ：Ｗｅｌｄｉｎｇ，ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，Ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．２．独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
温度场和流场的模拟
温度场和流场的模拟天津职业技术师范⼤学Tianjin University of Technology and Education毕业论⽂专业：材料成型及控制⼯程班级学号：材料0912 - 09学⽣姓名：蔡⾔锋指导教师：⾼莹讲师⼆〇⼀四年六⽉天津职业技术师范⼤学本科⽣毕业设计TIG焊电弧温度场和流场的模拟Analog TIG welding arc temperature field and flow field专业班级：材料成型及控制⼯程--材料0912学⽣姓名：蔡⾔锋指导教师：⾼莹讲师学院：机械⼯程学院2014 年6 ⽉摘要钨极氩弧焊（TIG焊）是近代⼯业⽣产中应⽤⽐较⼴泛的⼀种焊接⽅法，这种焊接⽅法具有热影响区⼩、焊缝美观、易于控制等众多优点。
所以对TIG焊焊接技术进⾏数值模拟，能够更好的了解和控制整个焊接的过程，所模拟TIG焊电弧的温度场和流场具有重要的意义。
数值模拟技术应⽤⼴泛，本⽂就是采⽤有限元分析软件FLUENT，创建了符合实际的TIG焊⾃然燃烧电弧的有限元模型。
根据流体⼒学质量守恒、动量守恒和能量守恒⽅程，选取合理的边界条件，得到了TIG焊电弧的温度场流场分布的变化规律图。
通过FLUENT的后处理结果能够对TIG焊电弧内部的⼀些温度场、流场等情况进⾏形象的表述。
基于⾃然燃烧的TIG焊接电弧的数值分析，有助于进⼀步理解焊接过程的物理实质，合理地选择焊接⼯艺和⼯艺参数，并为冶⾦分析提供进⼀步的理论依据。
为今后的理论研究和⼯业⽣产奠定基础。
关键词：TIG 焊；FLUENT 软件；数值模拟；电弧AbstractGTAW (TIG welding ) is a modern industrial production, used widely as a welding method, this method has a small weld heat-affected zone , weld appearance, easy to control , and many other advantages. So for TIG welding techniques to simulate , to better understand and control the entire welding process , the simulated temperature and flow field TIG welding arc is of great significance .Numerical simulation of a wide range of technical applications, this paper is the use of finite element analysis software FLUENT, TIG welding creates realistic finite element model of the natural burning arc . According to hydrodynamic mass, momentum and energy conservation equations , selecting appropriate boundary conditions and the variations of temperature field in Figure TIG welding arc flow field distribution . Able for some temperature and flow fields, etc. TIG welding arc carried the image of the interior of expression through post-processing of results of FLUENT .Numerical TIG welding arc burning natural -based analysis helps to further understand the physical substance of the welding process , a reasonable choice of welding processes and process parameters, and provides a theoretical basis for further metallurgical analysis. Lay the foundation for future theoretical research and industrial production.Key Words：TIG welding; FLUENT software; numerical simulation; arc⽬录第1 章绪论 (1)1.2 国外对TIG焊接电弧的研究 (1)1.3 国内对焊接电弧的研究状况 (4)1.4 本⽂研究的内容和意义 (5)第2 章理论基础 (6)2.1 焊接电弧 (6)2.1.1⽓体原⼦的激发与电离 (6)2.1.2电⼦发射 (7)2.1.3弧柱区的导电特性 (7)2.1.4电弧的⼒学特性 (8)2.2 流体动⼒学基础 (8)2.2.1 质量守恒定律 (8)（2-1） (9)2.2.2 动量守恒定律 (9)2.2.3 能量守恒定律 (9)2.3 FLUENT 软件简介 (9)2.3.1 FLUENT 算法 (10)2.3.2 FLUENT 计算流程 (11)2.4本章⼩结 (11)第3 章焊接的数值模拟及分析结果 (12)3.1 焊接电弧的数学模型 (12)3.1.1 基本假设 (12)3.1.2 控制⽅程 ............................... 错误！未定义书签。
【国家自然科学基金】_焊缝形状_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
科研热词 激光焊 熔池 热源模型 预测 静力试验 铝合金 金属间化合物 过渡模式 贝氏体钢 计算误差 计算精度 裂纹 表面张力 线性度补偿 等离子弧焊 等离子弧 积分控制 电涡流传感器 熔滴 焊道 焊缝跟踪 焊缝形状 焊缝建模 焊缝偏差 焊接 热流分布 激光熔钎焊 激光深熔焊 温度场 流体流动 极限倾角 有限元 断裂机理 数值计算 数值模拟 拉伸试验 抗弹性能 成形 强度失配 异种金属 小孔 大功率光纤激光焊 受力性能 反演 内高压成形 充气结构 侵彻 体积热源模型 传热 不锈钢 tini形状记忆合金 rbf神经网络
科研热词 推荐指数 辅助气流 2 熔池 2 焊缝成形 2 激光焊接 2 铝合金 1 金属丝网衬垫焊剂颗粒 1 过程视觉监测 1 超窄间隙焊接 1 视觉传感 1 熔深增加 1 熔池小孔特征 1 焊缝识别 1 热裂纹 1 激光焊 1 流场 1 气流辅助增强匙孔激光焊 1 梁柱焊接节点 1 有限元分析 1 断裂性能预测 1 数值模拟 1 抗氢不锈钢 1 微观组织 1 工艺参数 1 大功率盘形激光焊 1 多特征 1 图像处理 1 信息融合 1 不锈钢薄板焊接 1 三维熔池 1 三维恢复 1 zk60镁合金 1 gtn细观损伤模型 1
推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
2012年 序号 1 2 3 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择
赵 欣等：焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择429焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择赵 欣 张彦华（北京航空航天大学机械工程学院，北京 100083）摘 要：建立合理的热源模型是焊接过程数值模拟结果准确可靠的前提。
本文总结了各种常用的热源模型，讨论焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择方法。
关键词：温度场；数值模拟；热源模型1 序 言焊接过程通常是材料在具有高能量密度的热源作用下，连接区域局部熔化或呈塑性状态，进而冷却形成焊缝和焊接接头的过程。
焊接的过程伴随着材料加热和冷却的热过程，研究焊接的热过程对于研究焊接冶金、焊缝凝固结晶、母材热影响区的组织和性能、焊接应力与变形以及焊接缺陷的产生等都有着重要的意义。
利用计算机技术对焊接过程的温度场进行数值模拟是研究焊接热过程的重要方法，通过数值计算可以得到焊接过程中母材上任意点任意时刻的瞬时精确解，而建立合理的热源模型是数值模拟计算结果准确可靠的前提。
本文在多年焊接数值模拟及实验经验的基础上讨论焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择方法。
确定数值模拟中的热源模型，即确定合理的焊接热流分布函数，使模拟的温度场符合实际焊接的情况。
热源模型的建立准则是熔池边界准则，即与实际焊接相比输入相同热量的情况下，如果使用所选热源模型所模拟得到的熔池区域边界（Fusion Zone Boundary ，FZB ）与实际焊缝熔合线相符，那么就认为此热源模型是合理的[1]。
对于现有热源模型的选择使用及发展均以此准则作为出发点，同时，这一准则也为判断所选模型是否合理提供了依据。
事实上，我们总是依据不同焊缝的热源特点和表现出的不同形貌特征来选择和组合热源模型，以使得模拟得到的熔池边界区域与实际焊缝融合线相符。
这样得到的焊接温度场数值模拟的结果是能够满足焊接力学分析的要求的。
2 表面热源模型 表面热源模型的特点是外界热量只是通过焊接构件表面输入，进而通过热传导把热量传输到焊接构件的每个部分。
试论激光熔覆数值模拟过程中的热源模型
２热 源 模 型 的模 拟对 比分 析 ．
基 于对 ｇｕｓ曲面模型 的模拟程度 的检验 ．我们选择正常的平板 ａｓ 焊接作 为研 究支点 ． 行实际 的模 拟 ． 进 然后将模拟 值与实验 值进行对 比分析 。 采 用 Ｇ ｕｓ ａｓ 曲面模 型进行计算时 ．采取弧线 形激光束进行照射 ． 输入功率 ｕ ３ ０ Ｗ。 ＝ ０ ０ 熔覆速度为 Ｏ １ ／ ． ｍｓ ０ 因为所输入 的热 流都集 中在 较小 的基体 材料表面 ． 导致裂缝 中心处 的最 高温度达到 ７ ０ Ｋ左右 ． ００ 这会导致极大 的偏差 所 以我们初步得 出结论 ． 能量较为集 中的熔 在 覆过 程中 ． 如果我们 采用弧状激光 束 ． 就将会 错误地估计对 温度场影 响， 从而导致计算结果 的不准确 。所 以我们 只有选 择直线型的激光束 来照射 Ｇ ＵＳ曲面热源模型 ． ａＳ 以取得较好的模拟结果 为了更好 地进行 数值模 拟． 我们选择直线 型激光束继续熔覆 的模 拟实验 ．记 录和测量此次激光熔覆过程 中的变形 值以及残余应力 ． 并 对 比计算值与测量结果 的差异 。 此次激光束 的发 出设备选择高压激光 束发 射机 ． 本次实验采 取的熔覆 工艺与弧线形 实验保持一致 ． 在熔覆 材料 的表面冷却之后 ． 选择盲孔法 来测量残余 应力 ． 并结 合基准平 面
ｒ 一 ｃ … ２ ２ ］ ３ ． 、
ｍ ，）（） ｌ （ｙ＝０ ｐ ｘ，ｍ， ｚ ０ 【
Ｊ（ ） ｝７
由上面数学 模型 ， 我们 不难 看出 ， 只要 给定热 源的 高度 Ｋ 功率 、 ｕ、 截面半 径 或者热源形状 的集 中系数 Ｃ ， 们就可以依据 （ ） ｉ我 ６ 式进 行热 流密度 ｍ Ｏ ） （ ， 的计 算 ． ０ 然后代人到 （ ） 中 ． ７式 就可以得到 ｇ ａ。 曲 面的热源模型 了
焊接热模拟技术
使材料科学的研究“定量化”和“科学化”
一、基本介绍
焊接热模拟技术是采用数值分析 的方法，即采用计算机程序来求解数 学模型（热源模型）的近似解，从而 得出焊接温度场分布和焊接热循环曲 线。目前使用最多的为有限元法，其 次为差分法，而应用较多的软件为 ANSYS、SYSWELD、ABAQUS等。
2.5 相变潜热
取熔化潜热为 277 kJ /kg，固相线温度1480 ℃，液相线温度1520 ℃，并假定熔化潜热等于凝 固潜热，通过比热容量上升或者下降的变化来计 算熔化潜热对焊件热焓值的影响。
3 模拟温度场分布
4 焊接热循环与温度变化率分析
上图为焊缝中心线上某一点的焊接热循环曲线和温度 变化率。起初在热源作用下母材和焊条熔化形成熔池，对 该点有预热作用，其温度逐渐升高，温度变化率也逐渐增 大，在 20.75 s时热源经过该点，此时温度达到峰值( 2 259 ℃)，随着热源的移开，该点开始冷却，在19.25s和 23.5s时分别达到最大升温速率和最大降温速率。
选取3个截面，每个截面相距35mm，再在每个截面上取3个点， 分别记为1、2、3，距离熔合线的距离分别为1、3、5mm来考察焊接 热循环曲线。
由图可知：（1）同一截面上，距离熔合线不同的点，经历的 焊接热循环曲线不一样，最近的点其峰值温度最高；（2）不同截 面上到熔合线距离相同的点焊接热循环曲线相同，不随位置改变， 只是到达最高温度的时间不同，即准稳态温度场。
热模拟技术发展的历史
国外：
1、前苏联科学院Rykalin院士对焊接过程的 传热问题进行了系统的研究，建立焊接传热学 理论基础，并在此基础上将焊接热源划分为点、 线、面热源；
2、Adames、木原博和稻埂道 夫等人根据热传导微分方程，通过 大量实验建立了不同情况下的传热 公式；
基于COMSOL模拟的T形接头对接电阻焊与双面焊的比较
基于COMSOL 模拟的T 形接头对焊与双面焊的比较摘要：本文利用有限元法对高斯热源的移动焊接进行数值模拟，通过分析焊接过程中的数据图像，研究了对焊与双面焊（同向）两种焊接方法对T 形接头焊接结果的影响。
主要考虑了温度变化，应力变形，总位移等方面的区别。
关键词：T 形接头，应力变形，温度，数值模拟Comparison of T joint butt welding and double-sided weldingbased on COMSOL simulationAbstract ：In this paper, the finite element method is used to simulate the welding movement of Gauss heat source. By analyzing the data and images in the welding process, the influence of two welding methods of butt welding and double side welding (syntropy) on the welding results of T joints is studied. The difference in temperature, stress, deformation and total displacement is mainly considered. Key words ：T joint, stress and deformation, temperature, digital simulation1.数值模型及焊接条件 1.1焊件模型及热物理参数为了模拟T 形接头对焊与双面焊的差别，建立的焊件有限元三维模型及网格划分如图所示。
翼板尺寸（XYZ ）为200mm ×100mm ×10mm ，腹板尺寸为10mm ×100mm ×80mm 。
304不锈钢激光焊接工艺及数值模拟
Electric Welding Machine·1·第51卷 第4期2021年4月Electric Welding MachineVol.51 No.4Apr. 2021本文参考文献引用格式：张强勇，赵先锐，刘桂香，等. 304不锈钢激光焊接工艺及数值模拟[J]. 电焊机，2021，51（4）：1-7.304不锈钢激光焊接工艺及数值模拟0 前言 304奥氏体不锈钢因具有优良的耐腐蚀、耐高温以及加工性能，焊接性能良好，广泛应用于汽车、压力容器、机械仪表、厨卫设备等行业。
其焊接方法包括焊条电弧焊、埋弧自动焊、熔化极惰性气体保护焊、非熔化极惰性气体保护焊等[1]。
然而，不锈钢的热传导率相对较低、线膨胀系数较大，导致其在焊接过程中容易产生较大的焊接变形，特别是对于薄板，在实际操作中必须控制好热输入，一旦过大就容易烧穿钢板，因此，最好选用能量密度集中的焊接方法焊接薄板不锈钢[2]。
激光焊接具有高能收稿日期：2020-12-29基金项目：国家自然科学基金地区基金（52064024）；2019年全国职业教育科研规划课题（2019QZJ093）作者简介：张强勇（1977—），男，学士，高级工程师，主要从事焊接实训教学及焊接工艺的研究。
E-mail：***************。
量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点，特别合适薄板焊接[3-4]。
目前，国内外学者都开展了大量关于304不锈钢激光焊接的研究[5-7]。
王浩军[2]通过三因素三水平的正交试验，进行了304不锈钢薄板搭接接头组织性能研究，发现在负离焦量、低焊接功率、高焊接速度的条件下得到的焊接接头的显微硬度更高。
杨立军[6]研究304不锈钢薄板激光焊工艺时发现，激光功率与焊接速度对焊缝熔透的影响具有差异性，热输入不完全取决于P /v 比，激光功率的影响更大。
张义福[8]研究了不同的保护气体流量对304不锈钢焊接接头组织性张强勇1，赵先锐1，刘桂香1，陈 勇1，朱征宇1，倪站站2（1.江苏海事职业技术学院 张强勇技能大师工作室 江苏 南京 211170；2.浙江双森金属科技股份有限公司，浙江 台州 317500重点关注第 51 卷Electric Welding Machine·2·能的影响，结果发现气流量11 L/min 时焊缝表面平整光滑，无焊瘤、气孔等缺陷。
SMA490BW耐候钢焊接与焊后热处理残余应力的数值模拟
Electric Welding MachineVol.54 No.2Feb. 2024第 54 卷 第 2 期2024 年2 月SMA490BW 耐候钢焊接与焊后热处理残余应力的数值模拟户迎灿1， 王秋影1， 邱培现1， 许骏1， 廖子文21.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 2663112.西南交通大学 材料科学与工程学院， 四川 成都 610031摘 要：SMA490BW 耐候钢焊接过程中会产生较大的残余应力，常使用去应力退火的热处理方式消除残余应力。
建立了SMA490BW 耐候钢的焊接过程和焊后热处理过程中的有限元模型，对焊接以及焊后热处理的残余应力场进行了有限元模拟和验证。
通过引入材料的CREEP 本构模型，利用Norton-Bailey 指数方程模拟计算了焊后热处理时材料的蠕变行为，得到热处理对的焊接残余应力的影响。
研究结果表明：使用CREEP 本构模型，引入材料的蠕变行为可以较好地模拟焊接工件的焊后热处理过程中的应力应变变化，计算得到的残余应力值与实测值有较好的一致性。
这为工业上优化SMA490BW 耐候钢的焊接工艺、降低残余应力提供了理论支持。
关键词：SMA490BW 耐候钢； 热处理； 残余应力； 数值模拟中图分类号：TG441.8 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2024）02-0077-06Numerical Simulation Analysis of Residual Stress in SMA490BW Weldingand Post-Weld Heat TreatmentHU Yingcan 1, WANG Qiuying 1, QIU Peixian 1, XU Jun 1, LIAO Ziwen 21.CRRC Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao 266311, China2.Institute of welding, School of materials science and engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, ChinaAbstract: SMA490BW weathering steel is usually joined by welding. Residual stress will be generated during the welding process, which has a great impact on engineering application. In industry, annealing heat treatment is often used to reduce re ‐sidual stress. This paper establishes a finite element model of the welding process and post-weld heat treatment process of SMA490BW, the finite element simulation of the residual stress field of welding and post-weld heat treatment were carried out, and it was proven correct through test. By introducing the CREEP constitutive model of the material, the Norton-Bailey exponential equation is used to simulate the creep behavior of the material during post-weld heat treatment, and the effect of heat treatment on the welding residual stress is obtained. The research results show that: using the CREEP constitutive model, introducing the creep behavior of material can better simulate the stress and strain changes during the post-weld heat treatment of the welded workpiece, and the simulated residual stress values are in good agreement with the measured values.Keywords: SMA490BW weathering steel; heat treatment; residual stress; numerical simulation引用格式：户迎灿，王秋影，邱培现，等.SMA490BW 耐候钢焊接与焊后热处理残余应力的数值模拟［J ］.电焊机，2024，54（2）：77-82.Citation:HU Yingcan, WANG Qiuying, QIU Peixian, et al.Numerical Simulation Analysis of Residual Stress in SMA490BW Welding and Post -Weld Heat Treatment[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(2): 77-82.0 引言SMA490BW 耐候钢具有良好的韧塑性和较高的强度，并且在大气条件下有良好的耐腐蚀性能，被大量应用于我国高速轨道列车的转向架结构中［1］。
激光焊接温度场数值模拟
图 3 移动线热源条件下准稳态温度场分布 Fig. 3 Quas-i steady temperature distribution
for a moving line heat source
激光焊温度场有限元网格划分如图 4 所示。
图 4 激光焊接温度场模拟有限元网格划分 Fig. 4 Finite element mesh for temperature field
82
焊接学报
第 24 卷
示。可以看出, 两者基本吻合, 从而验证了温度场模 拟的准确性。
5结 论
图 6 平板中心点的热循环曲线 Fig. 6 Thermal cycle curve of plate center
在工件表面依次取坐标点 A ( 25, 5) 、B ( 50, 3) 、 C( 75, 1. 5) 三点, 用于试验结果和模拟结果的比较, 如图 7 所示。试验采用与模拟相同的焊接规范, 采 用热电偶测温技术进行焊接热循环测定, 试验测得 各 点的热循环曲线与模拟热循环曲线对比如图8所
simulation in laser welding
4 结果分析
考虑材料导热系数与比热等热物理参数的温度
图 5 工件在不同时刻的温度场分布图 Fig. 5 Temperature distribution of workpiece at different time
平板中心点的热循环曲线如图 6 所示, 它清楚 地表示了焊缝中心点的冷却速度以及所能达到的峰 值温度。
另外, 表面对流与辐射的换热边界条件为
k 99Tn= A( T - T 0) ,
( 7)
式中: A为总换热系数。 在 ANSYS 有限元分析模型中, 选取 Solid70 作为
焊接过程数值模拟热源模式的比较
&为电弧电压， -； ’为焊接电流， M 。 2.5
双椭球型热源模型 由于高斯分布函数没有考虑电弧的穿透作用，为了克服
/; 提出了双椭球形热源模型。这种模型将 这个缺点， M N+#$BO:5，
焊接熔池的前 半 部 分 作 为 一 个 2 L > 椭 球 ， 后 半 部 分 作 为 另 一 个
2 L > 椭 球 。 设 前 半 部 分 椭 球 能 量 分 数 为 (2， 后 半 部 分 椭 球 能 量
!"#$%&’ (")*&+#+’,
-+#./0
1+.2
3"4. 5667
・试验与研究・
=
文章编号： （5667 ） 2665@650R 62@666=@6/
焊接过程数值模拟热源模式的比较
陈家权，肖顺湖，吴 刚，杨新彦
（广西大学 机械工程学院，广西 南宁 0/666> ）
摘要：焊接热源模式是焊接数值模 拟 研 究 的 一 个 重 要 内 容 。 文 中 简 要 介 绍 了 焊 接 过 程 数 值 模 拟 热 源 的 各 种 加 载 模 式 ： 高 斯 分 布 函 数 、 双椭球分布函数、生死单元方法。针对具体算例，采用 / 种不同的热源加载模式进行三维焊接温度场的数值计算，并比较不同方法计算 焊接温度场结果的差异。结果表明，生死单元方法是一种简单的热源加载模式，其计算效率优于其他 5 种加载方法。 关键词：焊接；高斯热源；双椭球热源；生死单元；有限元 中图分类号： (N>65 ； (Q20 文献标识码： M
焊接方向
&
的装配状态。在计算过 程 中 ， 按 顺 序 将 被 “杀 死 ” 的 单 元 “激 活 ” ，模拟焊缝金属的填充，同时给激活的单元施加生热
基于ANSYS平台焊接模拟中不同焊接热源的比较
图?
点热源加载形式
!"#
电弧有效半径
焊接电弧有 01232 中进行焊接热过程模拟时，
图E 体热源加载形式
效半径的大小对模拟结果的精确性有着直接的影 响。 采用点热源加载形式的电弧有效半径可以认为 近似为零， 在这种情况下所得到结果通常不是很精 确， 在热源附近会出现局部高温现象， 故而， 一般采
热源加载形式
利用 01232 软件进行焊接模拟时， 热源的加载
点热源、 面热源和体热源， 它们的 形式一般有 / 种： 载荷形式分别由热流率、 热流密度和热生成率表现4/5。 热流率作为节点集中载荷， 主要用于线单元模型中， 如果输入的值为正， 代表热流流入节点， 即单元获取 热量。 一般在焊接模拟中， 采用点热源所形成的温度 场分布易出现局部温度梯度过大等现象， 故而不提倡 使用此种模型； 热流密度是一种面载， 当通过单位面 积的热流率已知或利用 01232 的 6789:901;6< 计算求得时， 可以在模型相应的外表面施加热流密 度， 此种加载形式仅适用于实体和壳单元； 第三种 载荷形式是以热生成率作为体载荷施加于单元上 = 即为单位体积的热流率。 以下是利用 / 种不同的加载 形式在 01232 中模拟平板堆焊的情况>见图 ?@图 AB，
・ /F ・
用面热源或者体热源， 或将两者结合后的组合热源。 焊接模拟时电弧有效半径变小， 热量相对集中， 焊接 熔池的熔深变大， 熔宽变小； 反之亦然。
!"#$%&’$ (#")’*+ ,-$.’*#
研究与设计
梁晓燕等： 基于 /0121 平台焊接模拟中不同焊接热源的比较
第9期
焊接热源模型
焊接热源模型焊接热源的物理模型，涉及两个问题。
一是热源的热能有多少作用在工件之上；二是已经作用于工件上的热量，是如何在工件上分布的。
因此，建立焊接热源的物理模型，是进行焊接热过程和熔池行为分析或数值模拟的前提和条件。
本章针对上述两个问题展开讨论。
2.1焊接热效率和焊接熔化效率电弧焊接时通过电弧将电能转换为热能，利用这种热能来加热和熔化焊丝（或焊条）与工件。
熔化极焊接时，焊接过程中焊丝 (或焊条)熔化，熔滴把加热和熔化焊丝 (或焊条)的部分热量带给熔池。
而对于钨极氩弧焊，电极不熔化．母材只利用一部分电弧的热量。
弧焊时，电弧功率可由下式表示(2-1) 式中，是电弧电压(V),I 是焊接电流(A)，是电弧功率(W), 即电弧在单位时间内所析出的能量。
由于能量不是全部用在加热焊件，故真正有效用于加热焊件的功率为(2-2) 式中，为电弧功率有效利用系数或称为焊接热效率，它与焊接方法、焊接工艺参数和焊接材料的种类(焊条、焊丝、保护气等)有关。
各种弧焊方法在常用焊接工艺参数下的热效率见表2-1。
表2-1 各种弧焊方法的热效率弧 焊 方 法药皮焊条手工焊埋弧自动焊C02气体保护焊熔化板氩弧焊(MIG)钨极氩弧焊(TIG)0.65-0.85 0.80-0.90 0.75-0.90 0.70-0.80 0.65-0.70在其他条件不变的情况下，值随着弧长的增加、电弧电压的提高而下降，随着电弧电流的增大或电弧潜入熔池而增加。
应当指出，这里所说的热效率，只是考虑焊件所能吸收到的热能。
实际上这部分热能一方面用于熔化金属而形成焊缝，另一方面则流失于焊件而造成热影响区。
值并没有反映出这两部分热量的比例。
根据定义，电弧加热工件的热效率是电弧在单位时间内输入到工件内部的热量与电弧总功率的比值，即（2-3）（2-4）（2-5）式中，—单位时间内熔化焊缝金属（处于液态时，为熔点）所需的热量（包括熔化潜热）；—单位时间内使焊缝金属处于过热状态（）的热量和向焊缝四周传导热量的总和。
SYSWELD焊接仿真入门教程
QQ2361566926
即计算每一个点 在 0-2000s 内的温 度变化
应力场文编 编号
温度场求解 参数文件
点击保存不出现错误窗口即为参数设置正确，前处理完成，会生成前处理文件如 下。
其中后缀为 prj 为工程文件，HT.DAT 为温度场参数文件，HT_C.DAT 为温 度场求解命令文件，METALLURGY.DAT 为材料温度场属性文件，MECH.DAT 应力场参数文件， MECH_C.DAT 应力场求解参数文件，MESH_DATA1000.ASC 为网格文件。
分，对于复杂的图形，需要先在 CAD 画图软件中画出零件的 3 维几何图形，然 后导入 visual-mesh 软件进行网格划分。
本文利用 visual-mesh 进行建模以及网格划分，Visual-mesh 的菜单命令中的 Curve，Surface，Volume，Node 是用来创建几何体的命令，接下来的 1D,2D,3D 是用来创建 1 维，2 维，3 维网格的命令，对于一个 T 型板模型网格划分如下。
点击加载
加载之前生成的网格
QQ2361566926
选择材料库 文件
函数库
选择函数文 件
加载完点击 OK
选择之前建 立的网格
完成点击 OK
材料赋值
加载网格
加载完点击 Add 添加完 成
选择实体 网格组
选择材料的 温度场性质
选择材料的 应力场性质
QQ2361566926
焊接过程定义
轨迹线组的 定义
加载完点击 添加
4 求解 完成以上前处理可以按以下命令进行求解
3 加载工程 文件
2 选择计算 应力场温度 场
焊接温度场与应力场的数值分析
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哈尔滨工程大学硕士学位论文焊接温度场与应力场的数值分析姓名：夏培秀申请学位级别：硕士专业：固体力学指导教师：何蕴增 20050201摘要本文用有限元方法研究了温度场和热应力的分布规律。
模拟对象一是开有圆孔的无限大薄板，另一个是两张对接焊的钢板。
文中对开有圆孔的无限大薄板的研究，一是假设材料的机械性能不随温度变化的情况下，计算出了开有圆孔的无限大薄板的稳恒温度场和弹性热应力的解析解。
二是用有限元法对该薄板进行了两种情况下的计算，一种情况是假设材料的机械性能不随温度变化，另一种情况是材料的机械性能随温度变化。
最后将计算结果进行了对比，证明了有限元解的正确性，同时说明了材料的机械性能随温度变化对板中的径向热应力的影响很大。
本文在对两张钢板对接焊的焊接应力的研究中，首先建立了一种计算简化模型；其次用有限元法对钢板的焊接应力进行了计算，计算结果与文献相吻合，钢板在靠近焊缝的区域内出现了拉应力。
并从理论上分析了该结果的合理性。
焊接应力的存在，会直接影响到结构的承载能力，为了保证焊接结构的安全可靠，准确的推断焊接过程中的力学行为和焊接应力是十分重要的课题。
因此本文的研究成果对科学研究和工程设计都具有重要意义。
关键词：热传导；热应力；热应变；有限元法；对接焊钢板ＡＢＳＴＲＡＣＴＩｎｐｒｅｓｅｎｔｐａｐｅｒ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ＳＯｔｈａｔｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｍｏｄｅｌｓｗｏｕｌｄｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｆｉｒｓｔｍｏｄｅｌ，ａｎｉｎｆｉｎｉｔｅｓｈｅｅｔｗｉｔｈａｃｉｒｃｕｌａｒｏｐｅｎｉｎｇ；ｓｅｃｏｎｄｏｎｅ，ｔｗｏｂｕｔｔ—ｗｅｌｄｅｄｓｔｅｅｌｂｏａｒｄｓ．Ｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｆｏｒｍｅｒｍｏｄｅｌ，ｔｈｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｓｔｅａｄｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｅｌａｓｔｉｃｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｗｅｒｅｇｉｖｅｎｗｉｔｈｔｈｅａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｄｏｎｌｔｃｈａｎｇｅｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ＡｌｓｏＦＥＭｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｗｏｃａｓｅｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｉｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃａｓｅｄｏｎ。
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移动 , 基于焊缝几何形状的二维焊接温度场计算热源
可以表达为式(1):
q(t)=UVIpηexp
-3(v(t -tc))2 d2
(1)
式中 , U 是焊接电压 ;I 为焊接电流 ;η为电弧效率 ;
Vp 是加热体积 , 即为基于焊缝形状的热源作用体积 ;
d 是高斯参数 , 为热源作 用体积在焊接方 向上的半 长 , 也等于熔池表面在 焊接方向上的 尺寸的半长 ;t
图 6 中 , 距离焊缝 11.5mm 的点计算结果的峰值 温度和变化趋势和测量结果相近 , 反映了焊接温度陡 升陡降的特点 。 图 7 中 , 距离焊缝 16.5mm 的点远离 焊接区 , 第一道焊接的升温曲线和测量结果相近 , 降 温曲线比测量结果陡 , 即模拟结果的降温过程比试验 结果快 ;第二道焊接时的 模拟峰值温度低 于测量结
从图 6 , 图 7 , 图 8 中可以看出采用基于焊缝几何 形状的二维热源模型计算得到的温度结果和试验测 量结果相符 , 且在靠近焊缝区的温度符合最好 。
图 6 距焊缝 11.5mm(图 4 中 A 点)处温度曲线 Fig.6 Curve of temperature vs .time at point A in Fig.4
为热源加热时间 ;tc 等于加热时间的一半 。 式(1)中 的热源作用体积 Vp , 根据焊缝形状来计算 。 对于有
余高和没有余高的焊缝的加热体积计算分别见图 1
和图 2 所示 。
图 2 有余高的焊缝加热体积计算图 Fig.2 Heating volume of welding line with reinforcement
没有余高的焊缝的加热体积是由焊道高度 a 、工 件的间隙宽度 b 和在焊接方向上的熔池尺寸 c 及坡 口角度 θ决定的六面体决定(图 1 所示)。 带余高焊
2.2 有限元模型 以垂直于焊缝的平面建立二维有限元模型见图
4 所示 。其中 , 左端面为对称边界 , 其余表面为散热 边界 。计算时采用生死单元模拟多道焊 。将式(1)所 表示的热源模型在时间上离散 , 施加在各道焊缝单元 上进行计算 。 2.3 材料属性及边界条件
焊接过程中的不均匀温度分布和变化使焊接件 产生不可避免的焊接残余应力和变形 , 影响焊接产品 精度和性能 。对焊接变形和残余应力进行有效的预 测是工业生产中迫切需要解决的重要课题 。随着计 算机技术的发展 , 有限元法广泛应用于焊接热循环 、 焊接应力和变形的预测等方面的研究[ 1] 。 三维模型 有限元焊接数值模拟由于需要在焊接区域细化网格 以反映局部高温和高应力梯度 , 导致计算非常耗时 , 且在工程上多采用多道焊接 , 这更增加了计算时间 。 故对于工程而言 , 高效率的计算尤其重要 。
的计算模型 。 本文提出基于焊缝几何形状的二维有限元数值
模拟热源模型 , 根据焊缝几何形状来计算热源作用体 积 , 计算参数较少且焊缝几何尺寸容易测量 , 并考虑 焊接移动热源对二维平面的作用 , 采用高斯分布函数
1 78
来表征热源在时间上的变化 。
材 料 热 处 理 学 报
第 29 卷
第 29卷 第2期 20 08 年 4月
材 料 热 处 理 学 报
TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT
Vol .2 9 No .2
April
2 00 8
基于焊缝形状的二维焊接温度场模拟热源模型
刘 川 , 张建勋 , 张林杰
(西安交通大学焊接研究所 , 陕西 西安 710049)
摘 要 :焊接温度场数值模拟准确性是焊接 应力变形数值的前提 。 二维模型由于其计算效率高是焊接过程 有限元数值模拟的常用模型 。 然而 , 三维热源转变为施 加在二维平面上的 热源需要 进行修正 。 本 文提出基 于焊缝几何形状的用于二维焊接温度场模拟 的热源模 型 , 根据焊 缝几何 形状来 计算热源 作用体 积 , 并考虑 了焊接移动热源对二维平面的作用 , 采用高斯分布函数 来表征热源在时间 上的变化 。 采 用该热源 模型对不 锈钢板多道对接焊和 p91 管对接焊的温度场模拟 , 模拟结果和 试验结果符合较好 。 关键词 :焊接 ; 有限元 ; 温度模拟 ; 热源模型 ; 焊缝 中图分类号 :TG402 文献标识码 :A 文章编号 :1009-6264(2008)02-0177-04
将三维简化为二维模型是提高计算效率最有效 的方法 。 实际上很多学者采用二维模型对焊接残余
收稿日期 : 2007-05-31 ; 修订日期 : 2007-10-23 基金项目 : 国家自然科学基金(50475093);中国 机械工程学 会焊接 分会创新思路预研经费资助(07-12-003) 作者简介 : 刘 川(1973 —), 男 , 西安 交通大学 材料科 学与工 程学 院博士研究生 , 研究方向为材料加工 过程数值 模拟 , 发表 论文 3 篇 , 电话 :029-82663115 , E-mail :chuanliu2003 @ 。
缝的热源作用体积可以通过 a , b , c , θ和余高半径 R 来计算(图 2 所示)。
对于 2D 情况 , 移动热源作用于二维平面上的时 间 t 相当于加热体积通过研究平面的时间 , 可由加热 体积在焊接方向上的尺寸 c 和焊接速度v 计算出来 。
2 不锈钢多道焊接温度场计算
2.1 不锈钢焊接多道焊接试验 采用 文 献[ 7] 的 试 验 数据 进 行 计 算 。 尺 寸 为
Heat source model for 2D welding temperature field
simulation based on the configuration of welding line
LIU Chuan , ZHANG Jian-xun , ZHANG Lin-jie (Welding Research Institute , Xi' an Jiaotong University , Xi' an 710049 , China)
图 8 图 4 中 C 点的温度曲线 Fig.8 Curve of temperature vs .time at point C in Fig.4
果 , 大致相差 50 ℃, 模拟结果的降温过程也比试验结 果快 , 但随冷却时间增加 , 模拟结果与测量结果趋于 一致 。图 8 中 , 第一道焊接时模拟结果比测量结果的 峰值温度低 20 ℃左右 , 第二道 焊接时模拟结果比测 量结果峰值温度低 50 ℃左右 , 模拟和测量的升温过 程曲线相近 。
应力和焊接变形及其影响因素 、对焊接头的疲劳强度 和疲劳寿命等进行了数值模拟[ 2-4] 。
焊接热过程的准确模拟是确保焊接应力变形等
分析可靠性的重要前提 , 而计算热源模型是焊接温度 模拟的首要问题 。 常用的焊接数值模拟热源模型大 都基于焊接熔池形状的模型 , 如Goldak 等[ 5] 提出的双 椭球热源模型 。 二维模型相对实际焊接过程更加简 化 , 因此采用二维模型计算所加载的热源模型至关重 要 。文 献[ 3] 和 文 献[ 4] 中 采 用等 效 均 匀 体 热 源 (DFLUX)加载在二维模型的焊缝单元上 。 基于焊接 熔池形状的热源模型要采用熔池的多个特征参数来 计算 , 而这些参数获取难度较大 ;均匀体热源 DFLUX 虽然简单 , 但是没有考虑到热源的移动 , 要不断调整 加热体积以使计算结果和试验结果相符来确定最终
Abstract :The Accuracy of welding temperature simulation is the basis of the welding stress and deformation simulation.2D finite element(FE) model is the common model for welding simulation for its short time cost.However , the heat source model , transformed from 3D model, must be modified when applying to 2D FE model .This paper suggests a heat source for 2-D arc welding temperature simulation based on the configuration of the welding line .The intensity of heat source changing with time is expressed by Gauss function to achieve the moving of the heat source on 2D plane .The computed temperature results using the proposed heat source model fit quite well with the experimental results. Key words:welding ;finite element(FE);temperature simulation;heat source model;welding line
304L 不锈钢随温度变化的热物性参数取自参考 文献[ 4] 。 考 虑 熔化 潜 热 , 304 不 锈钢 在 固 相温 度 1340 ℃和液相温度 1390 ℃之间的 熔化潜热为 260kJ kg 。散热边界条件包括对流和辐射边界 。 将对流系 数和辐射系数合并成复合散热系数[ 4] , 施加在自由表 面上 ;在对称边界上(图 4 左端面)是绝热边界条件 。
图 5 各焊道施加的热流密度变化 Fig.5 Heat flux against time for each pass
分别选取工件中心处距 离焊缝为 11.5mm(图 4 中 A 点), 16.5mm(图 4 中 B 点), 26.5mm(图 4 中 C 点)的节点 , 以节点开始升温时刻作为时间零点 , 绘出 各点的温度变化曲线分别见图 6 , 图 7 , 图 8 所示 。