基于ANSYS鋼結構的焊接溫度場仿真分析

李 波

（吉林廣播電視大學 遼源分校，遼源 136200）

0 引言

在焊接實驗中，僅僅依靠物理測量對焊接溫度場的研究, 不但浪費了大量的人力物力，而且現有的條件也限制了其發展，隨著數值分析的引入及計算機技術的發展，利用有限元分析可以迅速準確地獲得焊接溫度場的整體分布，并實現其動態變化過程的模擬[1,2]。由于鋼結構具有高的高溫熱導率，使焊件局部存在較長的高溫停留時間，從而引起焊后焊件發生較大的殘余應力和變形，因此對焊接過程的溫度場分布及接熔池的傳熱和流體流動過程的研究是十分有必要的。

1 試驗方法與材料

本文選擇316L不銹鋼作為實驗材料，試驗所用材料的化學成分見表1，焊接試樣為50mm×50 mm×4 mm的鋼板，焊接方式采用對接。為提高計算精度定義了隨溫度變化的材料熱物理性能參數，如圖1所示。

表 1 試驗所用材料的化學成分（wt%）

2 模型描述

2.1 熱源模型

圖1 通過JMatPro獲得與溫度相關的熱物理性能參數

TIG焊接是一個涉及熱傳導、對流和融化凝固等許多熱物理化學現象、高度非線性的瞬態熱傳遞過程。為便于建立模型、提高計算精度和節約計算成本，本文對TIG熱模型作了如下假設:

1）將焊接過程中的輻射散熱部分等效到工件與周圍環境的對流散熱；

2）忽略焊接母材的各向異性，同時定義了隨溫度變化的材料熱物理性能參數（如圖1所示）；

3）在焊接模型建立中忽略相變潛熱對溫度場的影響。

其熱傳導控制方程為：

式中：T為溫度；t為時間；ρ為密度；κ為導熱系數；c為材料定壓比熱容；Q為體熱源熱流密度。

為更好地模擬焊接后焊縫的形狀，本文選用旋轉高斯體熱源作為本模型中的焊接熱源：

其中，η為焊接效率，σr是熱源分布參數；Q為焊接電弧的功率；H為熱源高度。

其邊界條件描述如下：

鋼板下表面：與墊板之間的熱傳遞損耗，以等效熱傳導系數κe描述如下（T0為環境溫度）：

工件其他表面：自然對流和輻射熱損耗，為便于計算，將輻射散熱等效為對流散熱，因此，以等效對流換熱系數he表示自然對流和輻射熱損耗：

2.2 電弧模型

在焊接過程中，由于電弧的移動，電弧下方焊件上的熔池形狀及溫度達到準穩態狀態，焊接熔池隨著電弧的運動而移動，為簡化計算和方便建模，該模型做出以下假設：

1）由于在TIG焊接中，熱源，即電弧是一個軸對稱的鐘罩狀的熱源，因此選用兩維的軸對稱模型進行建模；

2）等離子體是光學薄的；

3）忽略重力和黏性耗散。

在軸對稱、層流和定常條件下，根據磁流體動力學理論構建電弧模型的連續性方程、能量守恒方程和動量守恒方程等控制方程組：

能連守恒方程：

動量守恒方程：

連續性方程：

其中，T是溫度；U、V、W是流體速度在x、y、 z方向上的分量；P是流體內的壓力；t是時間；ρ是金屬的密度；cp是定壓比熱容；λ是導熱系數；μ是液態金屬的動力粘度系數；Fx、Fy、Fz分別是在x、y、 z方向上的體積力分量。

根據電磁學理論建立電弧模型的麥克斯韋控制方程組：

電流連續方程：

安培定律：

歐姆定律：

3 結果和討論

圖2所示焊接速度為24mm/s穩定焊接階段的有限元計算結果。從圖2知在316L不銹鋼TIG焊接過程中熱影響區較小，焊縫附近的溫度場梯度較大；而在熱源后部溫度場的等溫線分布較為稀疏，導致溫度梯度較小；在熱源前部溫度場等溫線分布相對密集，導致溫度梯度大。究其原因是熱源的移動和熱慣性導致熱源前后部有明顯不同的溫度分布，因此在熱源前部附近溫度梯度相對較大。隨著熱源的移動，相鄰位置的金屬經歷不同的熱循環史，熱源后方的熔融金屬開始冷卻凝固并逐漸形成焊縫，而恢復彈性對后冷卻的焊縫金屬產生拘束作用，這是誘導殘余應力變形產生的一個重要原因。

圖2 不同時刻鋼板的整體溫度場分布

如圖3所示為在不同電流參數下，TIG焊接電弧溫度場和速度場分布結果。從圖中可以明顯發現，在焊接陰極區域附近有相對較大溫度梯度的存在，而在陽極區域附近的溫度梯度相對較少；圖3（a）和圖3（c）分別是焊接電流為100A和200A時焊接熔池的溫度場分布云圖，從以上兩圖中均可發現，其熔池內的溫度場呈典型的鐘罩形分布，并且在弧柱附近呈現比較平緩的變化趨勢，這與文獻[3]中描述的實驗結果是比較一致的，從而證明了該模擬的可靠性，此外，通過對比圖3（a）和涂3（c）可以發現，隨著電流的增大，其熔池也隨之增大，同時熔池溫度也相應增大。

圖3（b）和圖3（d）分別是焊接電流為100A和200A時的焊接熔池的速度場分布云圖，從速度場分布圖中可以發現，焊接熔池中流體的流動規律均是從陰極向陽極沿著軸向流動，出現這種現象的原因是由于在靠近陽極接近電弧邊緣區域，其電流密度相對較小，根據安培定律，這部分區域所受到的電磁力也相對較小，這樣就形成了一個壓力梯度，在加上電磁力的方向是向下向內的，因此合成的驅動力的方向也是向下向內，這樣熔池內流體的流動趨勢是自上而下沿著對稱軸向陽極運動。通過對比圖3（b）和圖3（d）速度場分布可以發現，熔池內流體（即電弧等離子體）的流動速度及隨著電流的增大而增大，同時在近電極附近的區域流動速度最大。

圖3 不同電流參數下的焊接溫度場和速度場分布

4 結論

本文基于有限元法，利用ANSYS軟件成功地模擬了316L不銹鋼動態焊接過程，同時為提高計算精度，定義了隨溫度變化的材料熱物理性能參數，得到結論如下：

1）基于ANSYS/Mechanical模塊建立TIG焊接熱源模型實現了TIG焊接過程整體溫度場的模擬，模擬結果發現，在不銹鋼TIG焊接過程中熱影響區較小，焊縫附近的溫度場梯度較大；而在熱源后部溫度場的等溫線分布較為稀疏，導致溫度梯度較小；在熱源前部溫度場等溫線分布相對密集，導致溫度梯度大。

2）根據磁流體動力學和電磁學理論，基于ANSYS/Fluent建立TIG焊接電弧模型實現了焊接熔池的傳熱和流體流動過程的模擬，其電弧溫度場呈典型的鐘罩形分布，并且在弧柱附近呈現比較平緩的變化趨勢；同時，其焊接熔池大小、熔池溫度以及電弧等離子體的流動速度也隨著電流的增大而增大， 模擬結果與許多文獻中描述的實驗結果基本吻合，驗證了該模擬的可靠性。

[1] 郭彥兵, 童彥剛, 賀曉娜. 低合金鋼薄板件TIG焊接溫度場三維有限元模擬[J]. 熱加工工藝, 2010, 39(21): 158-160.

[2] 陳玉喜, 朱錦洪, 石紅信, 丁高劍. 基于ANSYS的鋁合金薄板焊接溫度場三維有限元模擬[J]. 熱加工工藝, 2009,38(9): 88-90.

[3] 徐火青, 凌澤民, 李金閣, 句孝飛. 基于SYSWELD分析焊接電流對TIG點焊熔池尺寸的影響[J]. 熱加工工藝,2012, 41(1): 142-144.