基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究

姬庆玲

（武汉城市职业学院，湖北武汉 430000）

基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究

姬庆玲

（武汉城市职业学院，湖北武汉 430000）

文章致力于研究 ANSYS 的焊接温度场和应力的数值模拟，以旋转式电弧焊接为例。旋转式电弧焊接能够来进行焊缝跟踪，它的焊接原理是依靠边旋转边移动，完成电弧化过程，得到高质量焊接结果。运用“高斯分布”热源原理，以之作为焊接的热源，并通过分析整个旋转电弧传感器的半径、旋转的速率、旋转方向、电弧、电压、焊电流运作情况以及改变速度，故而形成结论。为实际操作中，妥善选择焊接工艺参数设置，以及为保证焊缝的质量，做了理论性与实践性相结合的参考依据。

旋转电弧；高斯热源；温度；ANSYS

文章的主要研究对象是“旋转电弧传感器焊接过程”，同时依靠 ANSYS 软件，建立完善的模型，包旋转电弧焊有限元模型、几何模型、旋转电弧焊接的特殊热源模型等，并且需要设置精确的材料性参数，确定合理的单元类型，将网格进行明晰的划分，结合“生死单元技术”，对总体数值进行精确模拟。

1 有限元计算模型

首先，必须将“温度场的高度非线性”和“计算量”考虑在内，提出假设，进行下列在“焊接温度场”中的分析：①各项材料与材料的向同性；②将各工件和试验台及夹具之间的热传导因素考虑在内，假设工件的所有外边界只会和空气产生反应，比如产生对流现象；③排除电弧辐射情况对焊接的影响；④排除熔池液体产生的流动，对实验造成的影响；⑤考虑工件的初始温度，以及和周围环境温度体相互影响；⑥排除金属熔敷行程的作用影响。

主要运用 8 节点六面体单元 SOLID70 进行单元热分析。这个单元模型构造主要是三维体，整个结构内含有 8 个节点，温度是它的求解自由度，有很强的计算性能。焊件的温度都随时间空间不断地变化，热导率λ、比热容 c、密度ρ是需要用到计算中的参数变量，这些变量都随着温度的变化而不断变化。在 20℃～2500℃范围内，给定 Q235A 钢的热导率λ、比热容 c 以及密度ρ随温度变化值。

建立模型尺寸为 80mm×50mm×5mm 的有限元模型，采用映射网格划分网格，将最为细密的网格运用到焊缝中心，将较大的网格用于远离焊缝，并且适当采用一些方法，避免计算机容量限制问题，达到节省计算时间的目的。

2 边界条件

在整个焊接过程中，因为焊件的温度，通常高于周围物质的温度，同时其他无热输入表面。故而，焊件会和周围介质形成相互之间的热量传输。周围介质主要包括焊件周围气体环境。另外还有两种形式的热过程，包括“对流换热”和“辐射换热”。

对流换热存在于有温度差的焊接工件表面，以及周围介质（如空气）的交接面处。对流加上辐射换热量，就是焊接工件表面和周围介质的换热量。

用式（1）表示：

式中：n 为边界表面外法线方向；α为表面换热系数（包括对流换热系数、辐射换热系数）；T 为工件上的温度，初始时刻 T=T0；T0 为室温，并取 T0=293K。

3 焊接热源

本研究将旋转电弧平板堆焊进行模拟，这个过程中，焊缝熔深度比较低，所以，在选择热源模型作为焊接热源时，直接选择高斯热源，不考虑体热源因素。因为本研究的焊接热源是在旋转电弧传感器的焊接电弧基础之上，所以，这个时候电弧中心的运动轨迹，是“沿焊缝的直线运动”加上“旋转电弧传感器圆周运动”，这样能够得到旋转电弧传感器热源函数，如公式（2）：

热源伴随焊接过程推进，在被焊工件上方，也会不停向前移动，ANSYS 软件 APDL 语言编程实现移动热源的加载。设定载荷步时间，选择时间步长 t＝0.01s。在时间步长为 0.01s时，频率为 15Hz 时，每圈可以捕捉到 6.7 个点；当频率为20Hz 时，每圈捕捉到 5 个点，从而得到其基本旋转特性。

4 计算结果与分析

先为载荷设定一定的边界条件，在有限元单元模型上选取等距离的 9 个节点，由此进行模拟，可以得到各节点的热循环曲线。随着焊接过程的进行及电弧运动各节点温度随时间先上升后下降，不到 1s 节点温度达到了 3000℃划分网格的有限元单元根据焊接工艺参数和试验要求，将“焊接电流、电弧电压、旋转频率、旋转直径焊接速度以及旋转方向”这六个参数考虑在内。各参数之间都互相影响：①焊接电流与旋转频率；②焊接电流与电弧电压；③焊接电流与旋转直径；④电弧电压与旋转频率；⑤电弧电压与旋转直径；⑥旋转频率与旋转直径。

这项模拟根据参数情况和实际的参数量，结合“液相线温度”，计算出熔宽和熔深。并且将这些模拟结果，利用MATLAB 软件，建立“工艺因子”对“焊缝几何尺寸”曲线图，发现他们之间的相互影响关系，这个曲线图也叫做“电弧传感器旋转方向对焊缝几何尺寸的影响曲线”。

在其他焊接工艺参数保持原状的情形下，结合模拟及实验所设定数据，进行整合和周密分析下列的结论：①随着焊接电流上升，熔宽基本维持原状，熔深则不断呈现向上走势，但是幅度不大，与此同时，焊缝的最高温度不断上升；②电弧电压上升时，熔宽也随之变大，熔深不断上升扩大，幅度不大，焊缝最高温度呈现上升走势；③焊接速度变大时，熔宽则缩小，熔深呈下降走势，幅度不大，焊缝最高温度呈现下降趋势；④随着电弧旋转频率加大，熔宽扩大，熔深呈显缩小态势，但整体变化幅度不大；⑤随着电弧旋转直径数值变大时，熔宽扩大，但是同时熔深呈缩小趋势，幅度仍然不大，数值浮动不显著；⑥随着电弧旋转方向改变，熔池的大小保持不变，但相对坐标系有一定位置改变，呈现向相反方向变动。将所有这些结果，同工艺实验结果进行了比较，数值计算模拟成果和实验结果保持一致，误差可控，结果符合预期。

5 结语

文章以“旋转电弧焊接”作为研究对象，借助有限元模型，分析温度场，模拟计算了旋转电弧焊接全部过程。在各种条件设置下，研究了焊接工艺参数、旋转电弧传感器自身的特性对熔池的影响，将这些实验结果运用到实际焊接中去。

［1］刘兴龙，曲仕尧，邹增大，等.基于 ANSYS 的中厚板补焊焊接温度场的数值模拟［J］.焊接技术，2005，（1）.

［2］余淑荣，熊进辉，樊丁，等.ANSYS 在激光焊接温度场数值模拟中的应用［J］.焊接技术，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

姬庆玲（1986-），女，安徽淮南人，硕士，助教，主要研究方向：材料加工工程。