基于ANSYS的焊接溫度場和應力的數值模擬研究

姬慶玲

（武漢城市職業學院，湖北武漢 430000）

基于ANSYS的焊接溫度場和應力的數值模擬研究

姬慶玲

（武漢城市職業學院，湖北武漢 430000）

文章致力于研究 ANSYS 的焊接溫度場和應力的數值模擬，以旋轉式電弧焊接為例。旋轉式電弧焊接能夠來進行焊縫跟蹤，它的焊接原理是依靠邊旋轉邊移動，完成電弧化過程，得到高質量焊接結果。運用“高斯分布”熱源原理，以之作為焊接的熱源，并通過分析整個旋轉電弧傳感器的半徑、旋轉的速率、旋轉方向、電弧、電壓、焊電流運作情況以及改變速度，故而形成結論。為實際操作中，妥善選擇焊接工藝參數設置，以及為保證焊縫的質量，做了理論性與實踐性相結合的參考依據。

旋轉電??；高斯熱源；溫度；ANSYS

文章的主要研究對象是“旋轉電弧傳感器焊接過程”，同時依靠 ANSYS 軟件，建立完善的模型，包旋轉電弧焊有限元模型、幾何模型、旋轉電弧焊接的特殊熱源模型等，并且需要設置精確的材料性參數，確定合理的單元類型，將網格進行明晰的劃分，結合“生死單元技術”，對總體數值進行精確模擬。

1 有限元計算模型

首先，必須將“溫度場的高度非線性”和“計算量”考慮在內，提出假設，進行下列在“焊接溫度場”中的分析：①各項材料與材料的向同性；②將各工件和試驗臺及夾具之間的熱傳導因素考慮在內，假設工件的所有外邊界只會和空氣產生反應，比如產生對流現象；③排除電弧輻射情況對焊接的影響；④排除熔池液體產生的流動，對實驗造成的影響；⑤考慮工件的初始溫度，以及和周圍環境溫度體相互影響；⑥排除金屬熔敷行程的作用影響。

主要運用 8 節點六面體單元 SOLID70 進行單元熱分析。這個單元模型構造主要是三維體，整個結構內含有 8 個節點，溫度是它的求解自由度，有很強的計算性能。焊件的溫度都隨時間空間不斷地變化，熱導率λ、比熱容 c、密度ρ是需要用到計算中的參數變量，這些變量都隨著溫度的變化而不斷變化。在 20℃～2500℃范圍內，給定 Q235A 鋼的熱導率λ、比熱容 c 以及密度ρ隨溫度變化值。

建立模型尺寸為 80mm×50mm×5mm 的有限元模型，采用映射網格劃分網格，將最為細密的網格運用到焊縫中心，將較大的網格用于遠離焊縫，并且適當采用一些方法，避免計算機容量限制問題，達到節省計算時間的目的。

2 邊界條件

在整個焊接過程中，因為焊件的溫度，通常高于周圍物質的溫度，同時其他無熱輸入表面。故而，焊件會和周圍介質形成相互之間的熱量傳輸。周圍介質主要包括焊件周圍氣體環境。另外還有兩種形式的熱過程，包括“對流換熱”和“輻射換熱”。

對流換熱存在于有溫度差的焊接工件表面，以及周圍介質（如空氣）的交接面處。對流加上輻射換熱量，就是焊接工件表面和周圍介質的換熱量。

用式（1）表示：

式中：n 為邊界表面外法線方向；α為表面換熱系數（包括對流換熱系數、輻射換熱系數）；T 為工件上的溫度，初始時刻 T=T0；T0 為室溫，并取 T0=293K。

3 焊接熱源

本研究將旋轉電弧平板堆焊進行模擬，這個過程中，焊縫熔深度比較低，所以，在選擇熱源模型作為焊接熱源時，直接選擇高斯熱源，不考慮體熱源因素。因為本研究的焊接熱源是在旋轉電弧傳感器的焊接電弧基礎之上，所以，這個時候電弧中心的運動軌跡，是“沿焊縫的直線運動”加上“旋轉電弧傳感器圓周運動”，這樣能夠得到旋轉電弧傳感器熱源函數，如公式（2）：

熱源伴隨焊接過程推進，在被焊工件上方，也會不停向前移動，ANSYS 軟件 APDL 語言編程實現移動熱源的加載。設定載荷步時間，選擇時間步長 t＝0.01s。在時間步長為 0.01s時，頻率為 15Hz 時，每圈可以捕捉到 6.7 個點；當頻率為20Hz 時，每圈捕捉到 5 個點，從而得到其基本旋轉特性。

4 計算結果與分析

先為載荷設定一定的邊界條件，在有限元單元模型上選取等距離的 9 個節點，由此進行模擬，可以得到各節點的熱循環曲線。隨著焊接過程的進行及電弧運動各節點溫度隨時間先上升后下降，不到 1s 節點溫度達到了 3000℃劃分網格的有限元單元根據焊接工藝參數和試驗要求，將“焊接電流、電弧電壓、旋轉頻率、旋轉直徑焊接速度以及旋轉方向”這六個參數考慮在內。各參數之間都互相影響：①焊接電流與旋轉頻率；②焊接電流與電弧電壓；③焊接電流與旋轉直徑；④電弧電壓與旋轉頻率；⑤電弧電壓與旋轉直徑；⑥旋轉頻率與旋轉直徑。

這項模擬根據參數情況和實際的參數量，結合“液相線溫度”，計算出熔寬和熔深。并且將這些模擬結果，利用MATLAB 軟件，建立“工藝因子”對“焊縫幾何尺寸”曲線圖，發現他們之間的相互影響關系，這個曲線圖也叫做“電弧傳感器旋轉方向對焊縫幾何尺寸的影響曲線”。

在其他焊接工藝參數保持原狀的情形下，結合模擬及實驗所設定數據，進行整合和周密分析下列的結論：①隨著焊接電流上升，熔寬基本維持原狀，熔深則不斷呈現向上走勢，但是幅度不大，與此同時，焊縫的最高溫度不斷上升；②電弧電壓上升時，熔寬也隨之變大，熔深不斷上升擴大，幅度不大，焊縫最高溫度呈現上升走勢；③焊接速度變大時，熔寬則縮小，熔深呈下降走勢，幅度不大，焊縫最高溫度呈現下降趨勢；④隨著電弧旋轉頻率加大，熔寬擴大，熔深呈顯縮小態勢，但整體變化幅度不大；⑤隨著電弧旋轉直徑數值變大時，熔寬擴大，但是同時熔深呈縮小趨勢，幅度仍然不大，數值浮動不顯著；⑥隨著電弧旋轉方向改變，熔池的大小保持不變，但相對坐標系有一定位置改變，呈現向相反方向變動。將所有這些結果，同工藝實驗結果進行了比較，數值計算模擬成果和實驗結果保持一致，誤差可控，結果符合預期。

5 結語

文章以“旋轉電弧焊接”作為研究對象，借助有限元模型，分析溫度場，模擬計算了旋轉電弧焊接全部過程。在各種條件設置下，研究了焊接工藝參數、旋轉電弧傳感器自身的特性對熔池的影響，將這些實驗結果運用到實際焊接中去。

［1］劉興龍，曲仕堯，鄒增大，等.基于 ANSYS 的中厚板補焊焊接溫度場的數值模擬［J］.焊接技術，2005，（1）.

［2］余淑榮，熊進輝，樊丁，等.ANSYS 在激光焊接溫度場數值模擬中的應用［J］.焊接技術，2006，（5）.

Research on Numerical Simulation of Welding Temperaturefield and Stress based on ANSYS

JI Qing-ling
（W uhan City V ocational College，W uhan，H ubei 430000，China）

This paper is devoted to the numerical simulation of welding temperature field and stress in ANSYS，taking rotary arc welding as an example，which can be used to track weld seam，and whose welding principle is to achieve the high quality welding results by rotating the edge and completing the arc process.It adopts “Gauss distribution heat source” principle，used as the welding heat source，and draws conclusions through analysis of the rotating arc sensor radius，rotation rate, rotation direction，arc voltage，welding current，operation and change speed.In practical operation，the paper properly selects welding process parameter settings and makes reference combing theory and practice so as to improve the quality of welding seam.

rotating arc；Gauss heat source； temperature；ANSYS

TG441

A

2095-980X（2016）12-0053-01

2016-11-23

姬慶玲（1986-），女，安徽淮南人，碩士，助教，主要研究方向：材料加工工程。