基于ANSYS平台焊接模拟中不同焊接热源的比较

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模拟结果比较
考虑以上因素的作用， 利用 /0121 软件模拟自
由状态下 7897 ::;<== ::;<== :: 低合金钢板堆 焊的三维瞬态温度场分布情况， 焊接工艺参数为： 焊 接电流 ! >?<= / ， 焊接电压 " ><7 @ ， 电弧的热效率 为 4=A， 材料热物理性能参数取为如下温度函数： 热导率 比热容 ・ ! >7B8B9C=8=== =B<# < D单位： (!3: EFG， ・ $ >B?=H=8I9# D单位： J!"K+ EFG， 密 度 " >4 L<=C=8<I< 7# 3 单位： K+ !:9F。 式中 # 为温度3 单位： EF。
图4 功率 < ?== (， 焊接速度 < ::!M 时的温度场分布
在焊接过程中， 考虑熔化潜热的影响。 此时焊接 热源假定为高斯分布的表面热源， 分别从电弧有效 半径、 焊接速度以及对流系数的影响等几个方面进 行比较、 分析， 其计算机模拟结果见表 ? 。 通过分析 表格数据， 可以得出： 变化焊接电弧的 &" 在其他因素一定的情况下， 有效半径， 当电弧有效半径变大时， 达到稳态后的 焊接熔池的熔深随之变小， 熔宽变大， 最高温度降 低。 虽然在焊接速度为 < ::!M 时， 平板均被焊透， 但 是它们焊透的程度不尽相同， 其变化规律也遵循上
中图分类号： <=02
文献标识码： >
文章编号： ?22?@9121/9221421@229A@20
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式被认为是由热源传给焊件， 除电阻焊、 摩擦焊等 以外， 主要是以辐射和对流为主， 而焊件和焊条在 获得热量之后， 热的传播主要是以热传导为主。 利 用 /0121 软件进行焊接温度场的模拟时， 为了简化 算法而又不影响模拟过程的准确性， 可以将辐射与 对流所产生的作用进行合成， 用对流系数这一参数 体现。 因此， 在 /0121 分析中， 它综合体现了焊接过 程外界环境因素的影响。
比较了基于 56787 平台的焊接温度场模拟过程中不同热源模式对计算结果的影响。 采用 摘要： 不同的热源加载形式、 电弧有效半径、 焊接速度以及对流系数的模拟结果表明： 对于复杂的焊接 结构， 应考虑 9 种或多种加载形式取代单一热源； 与焊接速度、 对流系数比较， 电弧有效半径对 模拟结果影响大为显著， 在平板堆焊实验中， ! 为 : ;; 时模拟结果与实际情况最为相符。 热源模型； 焊接温度场； 有限元 关键词： 56787；
第
11 卷 第 1 期 9221 年 1 月
电焊机
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基于 !"#$# 平台焊接模拟中 不同焊接热源的比较
梁晓燕， 罗金华， 杜汉斌， 胡席远， 吴祥兴， 胡伦骥
湖北 武汉 0122304 /华中科技大学 材料学院，
收稿日期： 9221@2?@2B 作者简介： 梁 晓 燕 /?A3A —4， 女， 湖 北 荆 州 人， 在读硕士， 主要 从事基于 56787 平台的 中 厚 板 焊 接 过 程 的 有 限
元分析工作。
焊接热源具有局部集中、 瞬时和快速移动的特 点， 易形成在时间和空间域内梯度都很大的不均匀 温度场， 而这种不均匀温度场乃是进行焊接力学分 析的基础。 对于低碳钢、 低合金钢而言， 在焊接加热 过程中的高温滞留时间以及温度从 ‘22 a 到 :22 a 的冷却时间决定了给定材料焊后的微观结构和机 械性能， 而温度从 022 a 到 ?:2 a 变化的冷却时间 则是氢的扩散及焊接冷裂纹的形成的控制因素 ^9_。 要想准确预测焊接残余应力的分布以及焊缝强度 等就必须保证焊接热循环的准确性， 就需要建立一 个好的焊接热源模型， 因此， 焊接热源模型的建立 是焊接模拟过程中不容忽视的重要部分。 目前， 利用
有无对流 电弧有效半径 "!//
焊、 大直径焊条的手弧焊等； 小的有效半径则较适 合等离子焊、 激光焊等。 表 6 中， 当有效半径 "?1 //， 焊接速度 ! ?4 //!@ 时， 与实际采用 =A178! 490 // 焊条对中厚板进行手工堆焊的温度场分布情况最 为相似。 焊接 $# 在 分 析 焊 接 三 维 瞬 态 温 度 场 分 布 时 ， 速度是一个重要的有限元分析参数， 研究这一参数 对焊接工艺的优化以及焊接过程预测都有着一定 的作用。 对流系数的影响 ’# 利用 ;<=>= 进行模拟时， 并不明显。 研究结果表明， 以上几个方面都是在利用 ;<=>= 软件进行有限元分析时直接决定焊接热源形态的 重要因素， 需要我们在具体解决问题时慎重决定。
图L
功率 < ?== (， 焊接速度 9 ::!M 时的温度场分布
面的规律。 并且， 当 % 为 ? :: 或 < :: 时， /0121 模
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・ 9? ・
电焊机
研究与设计
第 44 卷
表!
焊接速度 ・ ! !// !"#
平板堆焊三维温度场模拟不同热源参数 影响比较
56787 这一大型有限元软件进行焊接瞬态模拟的
文献并不多， 而对焊接热源的研究更是凤毛麟角， 在 此将具体讨论在 56787 中对于不同焊接热源进行 有限元模拟时需要考虑的因素。
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电焊机
研究与设计
第 // 卷
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不同焊接热源的影响因素
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图C 面热源稳态温度场分布 图/ 面热源加载形式
图?
点热源加载形式
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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
・ /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。
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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
图6 图I 体热源稳态温度场分布
功率 < ?== (， 焊接速度 7 ::!M 时的温度场分布
小得更加厉害， 故而， 温度场变得细长。
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焊接速度
在实际焊接操作过程中， 焊接速度是影响焊接
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对流系数
根据有关研究结果显示， 焊接过程中的传热方
质量的一个重要的工艺参数， 它虽然由焊接工艺本 身确定， 但在利用 /0121 进行有限元分析时考虑这 一参数对优化焊接工艺有着重要的意义。 对于同样 的焊接热源加载形式， 由于所采用的焊接速度的不 同， 导致了焊接线能量的差异， 进而影响到焊接温 度场的分布。 以低碳钢手工电弧堆焊为例 3 见图 45 图 6， 由于对称， 仅取一半进行分析） ， 采用相同的 焊接热物理参数， 当焊接热源的功率一定时， 改变 焊接速度， 等温线的范围也随之发生变化， 焊接速 度增加， 等温线的范围变小， 由于宽度方向的值减
6
0
焊透
4
焊透
1
焊透
8
焊透
0
熔深 焊透 有 熔宽 对 197 流 最高温度 1 121 熔深 焊透 无 熔宽 对 196 流 最高温度 1 1:7
图D 点热源稳态温度场分布
/ 种情况的焊接功率以及焊接工件的热物理性能参
数均相同， 仅加载形式不同。从图中可以看出， 表面 热源的计算结果与实际情况最相吻合， 而点热源的 热量过于集中， 温度场分布范围与面热源和体热源 相比较而言， 都要小许多， 而高温区的温度又显得 过高，因此这种加载形式一般在作适当的调整后， 例如采用自适应网格划分， 可以考虑用于激光焊、 高 速等离子焊等； 体热源与前 两者相比， 热量相对分 散且 ! 轴方向出现焊透现象， 适合用于中厚板或厚 板等大型工件的焊接。 例如在实现激光穿透焊的模 拟时， 就可以考虑将高斯分布的表面热源与线状体 热源合成形成组合热源， 由此种组合热源计算所得 的模拟结果与实际情况吻合良好4C@A5。
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引言
随着现代科技的高速发展， 焊接模拟技术的地 位变得越来越重要， 它不仅能够有效地提高产品的 经济效益， 还 可以节省大量的时间。 有限元法 则 是 焊接模拟技术中适应电子计算机而发展起来的一 种有效方法， 它已经成功地解决了工程领域中的许 多问题， 广泛地用于研究焊接热传导、 焊接热弹塑 性应力和变形分析、 焊接结构的断裂力学的分析 等。 目前， 国际上大型的有限元分析软件有很多， 其 中以 56787 为代表的工程数值模拟软件， 不断吸 取计算方法和计算机技术的最新发展， 将有限元分 析、 计算机图形学和优化技术相结合， 已成为解决 现代工程学问题必不可少的有力工具^?_。
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，