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 welding

based on COMSOL simulation

Abstract ：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 simulation

1.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 。为了兼顾计算精度和速度，在温度变化梯度较大的焊缝(WM)和热影响区(HAZ)区域采用比较密集的网格，固定单元数目为25，而在远离WM 区域划分较为稀疏的网格。

图1 对焊 图2 双面焊

有限元模型

1表示先焊的一侧，2表示后焊的一侧。

对焊（对接电阻焊）是利用电阻热将两工件沿整个端面同时焊接起来的一类电阻焊方法。对焊的生产率高、易于实现自动化，因而获得广泛应用。如图1

双面焊当然就是焊完一面，再去另一面焊，焊另一面时，一般需要清根，或刨或磨掉夹渣。如图2

板材都选用Aluminum （铝），熔点660℃，材料属性目录如图3所示：

1

2

1

1

图3 铝材料属性

1.2热源模型

热源模型的建立与焊接温度场的模拟是焊接数值模拟的重要部分。对于手工电弧焊、钨钨极氩弧焊等焊接方法，采用高斯分布的函数就可以得到较满意度结果。本文中采用高斯移动热源。

图4 高斯热源模型 图5 实际图像 热源公式：

Q=3×u ×I/(π×r 3)×exp(-3×(x - x 0)2/r 2)×exp(-3×(y - y 0- v ×t)2/r 2)×exp(-3×(z - z 0)2/r 2)。

式中Q 表示热源，u 、I 为焊接电压、焊接电流，特征参数r 与的焊接电流、电压及焊速有关，是热源作用区域半径，可由实际焊接工艺参数下的熔池的前沿、后沿、宽及深度来确定，特征参数只决定了热源形状，不改变热源功率，因此对HAZ 区热循环曲线无影响。

1.3焊接参数及定义 单位

实际图像

对焊参数如表1：

表1：对焊焊接参数

Q1=3×u×I/(π×r3)×exp(-3×(x - x0)2/r2)×exp(-3×(y - y0- v×t)2/r2)×exp(-3×(z - z0)2/r2) Q2=3×u×I/(π×r3)×exp(-3×(x - x2)2/r2)×exp(-3×(y - y2- v×t)2/r2)×exp(-3×(z - z2)2/r2)

双面焊参数如表2：

表2：双面焊焊接参数

热源公式如下：

Q 1=3×u ×I/(π×r 3)×exp(-3×(x - x 0)2/r 2)×exp(-3×(y - y 0- v ×t)2/r 2)×exp(-3×(z - z 0)2/r 2) Q 2=3×u ×I/(π×r 3)×exp(-3×(x - x 2)2/r 2)×exp(-3×(y - y 2+m - v ×t)2/r 2)×exp(-3×(z - z 2)2/r 2)

2.研究结果与比较 2.1 应力 (solid)比较

Von Mises 是一种屈服准则， 屈服准则的值我们通常叫等效应力。"Von Mises Stress"我们习惯称Mises 等效应力，它遵循材料力学第四强度理论(形状改变比能理论）。米塞斯屈服准则是在一定的变形条件下，当受力物体内一点的等效应力达到某一定值时，该点就开始进入塑性状态。米塞斯屈服准则的物理意义。在一定的变形条件下，当材料的单位体积形状改变的弹性位能（又称弹性形变能）达到某一常数时，材料就屈服。

图6 对焊三维截点 图7 双面焊三维截点1

比较图6对焊三维截点和图7双面焊三维截点1与图8双面焊三维截点2，可以看出在

同一位置的截点，最后冷却稳定至平衡温度后，双面焊较对焊时米塞斯等效应力还大出约0.1×109N/m2。说明对焊完成后的铝材内部米塞斯等效应力较双面焊后较小一些，等到冷却至室温以后，对焊后铝材的内部残余应力集中较小，铝材也就不易发生开裂现象。主要是对焊时，冷却速度较快，而双面焊时先焊的部分会对后一道焊缝有一定的预热作用，同时，后焊时也会对前一道焊缝有一定的热处理效果，导致双面焊时冷却速度比较的慢，内部应力也大一些。

所以对焊冷却速度较快的话，有效防止了一些缺陷的介入，使内部应力增大，以免降低综合力学性能。

双面焊三维截点1

对焊三维截点