双面平焊体生热率热源的有限元分析

纪良博

（营口理工学院，辽宁营口，115014）



双面平焊体生热率热源的有限元分析

纪良博

（营口理工学院，辽宁营口，115014）

摘要：基于有限元的焊接数字模拟技术现已成为检测焊接质量的重要方法。本文从简单模型出发，对金属板的两面各实施一道焊缝，采用体生热率热源模拟焊接热源，通过生死单元模拟焊缝的移动，采用间接耦合的方法来模拟计算整个焊接过程的温度场和应力场，对焊缝的残余应力和应变进行分析，通过计算得出的结果与理论分析相一致。而间接耦合法不但易于理解，而且减少了非线性的计算，大大提高了计算效率，在分析复杂模型时，这一方法优势会更加显著。

关键词：焊接；有限元；数值模拟

引言

焊接作为现代化生产的一项重要工艺应用十分广泛，焊接就是要将两块金属高质量的连接在一起，所以焊接接头质量的好坏决定了焊接质量，其几乎关系到整个工程的成败[1]。在实践操作中，焊接接头质量、高热量所产生的应力应变和温度快速冷却所产生的残余应力的检测检验十分重要。

如果通过实验的方式，由于在焊接过程影响的因素太多，很难找到导致焊接失败的原因，即使估计出因素，也会缺乏规律性和准确性。而通过有限元法[2]就可以很好的分析这个问题，既节省了成本，也提高了效率。

本文将以两道焊缝的焊接有限元数值模拟，通过有限元软件ANSYS,输入材料基本参数、热分析计算材料的温度场，再把温度场所得结果转化成已知载荷耦合施加到应力场的相关结构上，通过应力场来进行结构分析，这样既得到了焊缝随温度变化的相关数据，又得到了应力场残余应力和应变随温度变化的规律分布，通过这些计算数据，对焊接质量可以作出准确的检验评估。

图1　有限元计算原理示意图

1　焊接数值模拟关键问题

1.1热应力产生的理解

对于焊接来说，理解热应力是如何产生的，非常重要。在焊接过程中，由于焊接热源是绝对的高热量，将导致整个工况环境产生温度场。从微观角度来说，它的环境周围形成了温度的梯度，而材料本身具有的线膨胀系数导致这些位置的节点上会出现线膨胀量，节点的原始位置会产生位移，这样就在节点上产生热应变。根据材料本身具有的力学参数，最终会导致热应力的产生，使材料发生力学变化，而导致形变。

1.2温度场的选择及原因

本课题采用有限元软件ANSYS来进行焊接过程中温度场和应力场的数值模拟，采用的是间接耦合场的方式来分析相关问题，即先分析焊接过程中的温度场，再利用温度场的所得相关数据来进行应力场的相关求解。它与温度场与应力场同时求解的直接耦合法有本质不同，选择间接耦合的根本原因在于我们所要分析的模型主要是温度场影响应力场，而应力场对温度场的影响很小，可以简化。利用间接耦合法还减少了非线性的计算，提高了计算的效率。

1.3焊接热源的选取

焊接热源具有温度高度聚集，快速移动，温度梯度大等特点[3]。选择何种模拟热源对于结果的准确性有着很大的影响，我们常见的模拟热源有高斯热源、双椭球热源、半椭球热源和体生热率热源等[4]。高斯热源、双椭球热源、半椭球热源作为热源模拟已被广泛应用，但是它们是面热源，无法体现出坡口对于整个焊接中热量传递分配的影响，特别是超过6mm的金属材料，高斯热源不能焊透，不能完全体现出整个传热过程。所以，本文提出利用体生热率热源来进行模拟，在解决上述问题时，它的计算公式为：

其中，K为焊接效率，U为焊接电压，I为焊接电流，A为焊缝横截面积，V为焊接时间，DT为焊接载荷分步时间。这里特别注意的是，DT的设置最好为软件划分网格一个单元所经历的时间，这样为以后的计算提供了很多便利。

1.4焊接热源移动的实现

热源的移动需要生死单元才能实现，在焊接过程中焊缝是一个从无到有的过程，在最开始焊接时，焊缝还没有出现，这时我们会默认为焊缝已被“杀死”；在焊接过程中焊缝不断出现，这时利用生死单元使焊缝逐一“生成”，通过这一命令，可以形象准确的描述出焊接的整个移动过程[5]。

但是我们要特别注意的是：焊缝的“杀死”并不是真的把焊缝相关属性参数删除，而是在它的后面乘以了一个很小的因子，使它无限趋近于零，在这个过程中焊缝上单元的所有属性都没有改变，当焊接进行时，我们会逐一把单元恢复，即为“生成”。生死单元的命令流如下：

1.5焊接相变的处理

焊接过程中，固态和液态的转换会产生相变，它会产生潜热现象。潜热对于焊接温度场有着非常大的影响。对于这一问题，在ANSYS软件中，我们可以输入材料相关温度的焓值，利用热焓法来解决问题，焓的计算公式如下：

其中，p为材料的密度，c为比热，它是一个温度函数。

定义不同温度下的焓值，对计算的准确性有很大帮助，特别是高温度下的焓值，我们可以根据实际情况，加入数值修正。

1.6材料参数的处理方式

焊接过程中金属的参数是通过实验或查表来获取的。但是对于高温下，特别是熔点以上的参数基本上是空白。这里为了计算准确，我们可以根据已有参数运用内插法和外推法来完善数据，再根据实验的真实结果，对数据加以修正，此数据即为相关温度下的真实参数。

2　焊接换热方式

2.1热传导

热传导是材料内部的一种导热现象，它与材料自身的性质有关，通常我们认为只有固体间才能发生热传导，它的必要前提条件是系统产生温度差，公式表示如下：

其中，-Knn为在N方向上的热导率，从理论上来说有X，Y，Z三个方向，但是在计算过程中我们只考虑综合三个方向的一个热导率数值；aT为传热温度；为热梯度。

2.2热对流和对流换热

2.2.1热对流

热对流是流体之间的传热现象，它是换热的重要方式。它表示流体热部分与冷部分相互运动已到达温度趋于均匀的过程。

2.2.2对流换热

对流换热是指流体与固体表面发生传热的一种方式，它与热对流还是由一些区别，即对流换热即包括固体与流体产生的热对流，又包括固体向流体的热传导，只不过在本论文中的流体默认为25°的空气，其热导率很小，热传导现象不明显，但也客观存在，它的公式如下：

其中，hf为对流换热系数，TS为金属表面温度，TB为流体表面温度，即为空气。

对流换热必须有直接接触面的宏观运动（焊接金属与空气），也必须有温差。

3　实例分析

3.1实例描述

两块尺寸同为0.3m*0.15m*0.02m的铜合金钢板，上下各进行一道焊缝焊接，在完成上焊缝后冷却一段时间在进行下焊缝焊接，焊完后再进行自然冷却，观察焊缝温度随时间变化情况，分析焊接冷却后的残余应力和应变。

3.2模型分析方法

焊接模型的热分析单元类型定义为solid70，应力分析单元类型定义为solid185，对于焊缝单元，我们采用较为密集的六面体进行划分，而距离焊缝较远的部分我们采用相对较疏的六面体划分网格。对于两者之间的过度区域，我们采用四面体过度使网格连续，利用单元的生死技术达到模拟焊缝移动的效果，在每个载荷步移动后，删除它的热流密度，使模拟更加准确。先对模型进行热单元分析再转化为力学单元分析，间接耦合法来解决问题。

3.3模型结果分析

图2　焊缝温度随时间变化情况

如图2所示，5s、30s、70s和180s分别是第一道焊缝开始和完成，第二道焊缝完成以及基本冷却后的时间，可以看到经过长时间冷却后焊缝及其周边温度迅速下降，这与时间情况相符，经过180s冷却后焊缝温度在140℃左右，这也与实际情况大致相同，因此，所得结果与理论结果相一致。

图3　焊缝节点温度分布图

实践中，也可以通过图3来验证图2的结论。图3是焊缝下表面水平分布的节点的温度分布图，横坐标零点表示焊接起始位置在180s冷却后的温度，以此类推，可以看到，距离焊接结束位置越近焊接温度越高，而焊缝末端由于对流换热原因温度有所下降，这与理论分析相一致，可以进一步验证温度场分析的准确性。

图4　冷却后钢板的残余应力和应变图

图4就是焊接钢板在双面焊接结束后冷却至180s时的残余应力与应变情况，可以看到应力与应变主要产生在焊缝附近，由于我们想观察焊缝的冷却收缩情况，所以在限制自由度的时候我们限制焊接板的左右两侧，远离焊缝的区域应力与应变逐渐趋近于零，这与实际情况相一致。

4　结论

模型的分析结果可以用理论的计算证明其真实可靠，由于铜合金的线膨胀系数较大，很容易产生热裂纹，利用ANSYS进行数值模拟计算可以优化整个焊接过程中的工艺，避免热裂纹的产生，在生产中有很大的现实意义，同时，耦合法的计算方式还提高了分析速度，为更复杂的模型分析提供了很好的参考模式。

参考文献

[1]Eager T.W.and T saiN.S.,Temperature fields produced by traveling distributed heat sources[J].Welding Journal,1983,62(12):346-s to 355-s.

[2]高耀东,贺建霞,乔云芳.焊接过程有限元分析[J].北京大学校报(自然科学版),20104,6(6):1007-1009.

[3]陈家权,肖顺湖,杨新彦,吴刚.焊接过程数值模拟热源模型的研究进展[J].装备制造技术,2005(3):10-14.

[4]陈家权,肖顺湖,吴刚,杨新彦.焊接过程数值模拟热源模式的比较[J].焊接技术,2006,35(1):9-11.

[5]陈家权.基于单元生死的焊接温度场模拟计算[J].热加工工艺,2005,34(7):64-65.

纪良博(1987-)，营口理工学院金工实训员任助理工程师，学历本科。研究方向：焊接数值模拟有限元分析。

Finite Element Analysis of Double-sided Downward Welding

Liangbo Ji
(Yingkou Institute of Technology,Liaoning,Yingkou,115014,China)

Abstract:Based on finite element welding digital simulation technology has become an important way to detect the welding quality,this article based on the simple model,implementation of butt-joint plate metals on two welding line,use heat rate to simulate welding heat source,through element birth and death technology to simulate the movement of the welding,use indirect coupling method to analog calculate the temperature field and stress field of the whole welding process,analyzed the weld residual stress and strain,the results obtained by calculate is consistent with the theoretical analysis.The indirect coupling method is not only easy to understand,but also reduce the nonlinear of the computation,improved the computation efficiency greatly,based on the analysis of complex models,this advantage will be more sign ificant.

Key words:Welding;Finite element;Numerical simulation

作者简介：

DOI:工业技术创新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.007

中图分类号：TG402；TP15

文献标识码：A

文章编号：2095-8412(2016)01-644-05