厚板多层多道焊的有限元数值模拟分析

2019-02-11贺宏伟刚发云

时代农机 2019年9期

贺宏伟，刚发云，杨娜

（廊坊广厦新源石化设备制造有限公司，河北廊坊065600）

1 引言

多层多道焊的方法通常应用在中厚焊板的焊接中，在多次焊接热循环的影响下工件会出现非常复杂的温度场变化，而温度场的变化则直接影响着焊接的质量，因此有必要对工件温度场与焊接结构质量之间的关系进行研究。在本文的研究中采用了一种非常简便可行的方法来分析的温度场，即数值模拟技术。本文在计算多层多道焊的焊接过程以及瞬态温度场的分布时主要利用了ANSYS 有限元软件中的单元“生死法”。

2 焊接温度场的数学模型

2.1 边界条件

将热流和换热边界假定为测试工件的上下表面和周围的边界进行处理：k gradT·n=-q+b(T-Tα)，其中边界表面外法线方向用n 表示；表面换热系统用b 来表示；单位面积上的外部输入热流用q 来表示；周围介质温度用Tα来表示。另外，在本文的实验研究中室温取293K。相关的实验研究发现，在焊接的过程中辐射损失是热能损失的主要形式，与此相对的是表面热传导的损失比较小，另外随着温度的不断升高，会出越来越强烈的辐射换热作用。当温度达到300℃左右时，辐射损失就会超过对流损失，这也就是说当温度在300℃以下时，辐射损失要小于对流损失。此外，只对上下两个表面进行表面传热损失的计算，其余的侧面都不再进行计算。

2.2 焊接热源的选择

在本文的实验研究中，在进行电弧焊接的过程中，采用热流密度为高斯分布的表面热源，由此得出的温度场结果最为满意。不过对于每一条焊缝的上表面都要假设其是一个平面。高斯热源的表达式为：q*=q*maxe-kr2，其中系数用k 来表示，热源密度用q*来表示，离斑点热源中心的距离用r 来表示。

3 建立几何模型

3.1 实体模型

在建立实体模型时要以测试工件的几何尺寸为依据，在本文的研究中选用Q235 钢板两块，这两件钢板的长宽高分别为：200mm、100mm、14mm。由于在本文的研究中采用的多道焊方法，因此不能应用对称的原则来简化处理模型，所以整个焊接构件都是有限元模型。在进行实际的焊接时还存在着两个问题：一是基体与焊缝填加金属之间相互融化的问题；二是先填加金属与后填加金属之间相互融化的问题，对于这两个问题在有限元的计算过程中很难实现，因此需要将焊缝的几何模型加以处理，使之成为比较规则的形状，从而使模型得以简化。另外，由于存在余高，因此需要处理第三层焊缝的每一道上表面，使之形成比较小的弧面。

3.2 划分网格

在整个焊接过程中，测试工件的加热并不均匀，特别是在工件的焊缝处存在比较大的温度梯度变化。在本文的研究中采用不均匀网格划分的方法来划分工件的网格，并采用加密的网格来划分焊缝及其附近区域。对于距离焊缝比较远的区域，由于温度分布梯度并不会出现比较明显的变化，因此可以忽略其细节。

3.3 施加温度载荷

完成工件的网格划分之后，在利用高斯热源进行相应的计算时，要对ANSYS 中的多载荷步功能进行充分的利用，将当前的热流密度施加到每个载荷步，从而使高斯热源能够在工件表面随着时间进行移动。之后单载荷步的施加载荷、载荷步时间控制的设置、载荷步选项的设置以及对输出控制进行求解都要重复进行，一直到整个时间历程的求解完成。

（1）热源的简化。假设在焊接之前已经存在由焊条或者焊丝填充的焊道部分，由于对于整个焊件来说焊道部分并没有占据较大的体积，因此对于整个焊接过程的热传导分析来说以上的假设并不会带来较大的影响。之后可以将有限元分析中的单元生死法充分的利用起来模拟多层多焊道。

（2）热源的移动。在实际的焊接过程中，随着时间的变化热源会在工件表面进行移动，因此温度场实际上是一个函数并且随着时间的变化而变化。不过对于模拟焊接瞬态过程来说移动的高斯热源更加合适。不过在工件的表面要使高斯热源随着时间的移动而移动，还需要按照时间将施加热载荷的过程划分为一个个比较小的时间段。以L 为长度沿焊接方向将整个焊接结构的焊缝等分为n 段，然后将当前的热流密度施加到每个时间段。这样每当开始加载下一个时间段时，上一个时间段中所加的高斯热流密度就会被消除，而下一次加载的初始条件就是上一次加载所得的温度场。每一次加载都是一个时间步，在这种情况下对各点依次进行加载就可以对移动焊接瞬态温度场进行有效的模拟。

（3）数值模拟的结果。在以上的分析中温度场的有限元模型已经建立起来，各项参数也已经在热分析的过程中加以明确，这样厚板多层多道焊的三维瞬态温度场的模拟结果就可以计算出来。在热源的移动过程中，焊缝的熔池也发生移动并且不断向前，同时通过对每道焊缝焊接中间时刻的模拟温度场分布图的观察可以发现：第一，在焊接热源的前移过程中熔池也在移动并不断向前，同时温度场的分布开始出现明显的变化且呈现出连续性。刚进行焊接时，由于在工件上施加热源的时间较短，因此金属的温度在热源的作用下超出熔点的温度较低，同时熔池区域也并没有较大的面积，在这种情况下随着焊接的不断推进大幅增加了焊缝区的温度以及基体部分的温度，与此同时也加大了熔池区域的面积；第二，在焊接中间时刻，温度场的分布情况表现的是处于稳定状态下的焊接过程，此时已经基本稳定的温度场分布已经近似于准稳态分布，以焊接方向为长轴的椭圆形就是温度场的形状，可以看出它们的最高温度分别是保持在1800℃和1900℃左右；第三，通过观察第一层各个时间点的温度场可以发现，位于焊缝中心位置的焊接热源，使两边的机体出现对称性的受热作用，并且其对称性的温度场分布在焊接过程中以及冷却过程中都是相同的。另外，通过观察第二层第一道各个时刻的温度场分布可以发现，在整个图像中热源的中心位置向上方偏出，从而使基体出现不对称的受热作用。与此同时，与图像下方的基体温度相比图像上方的基体温度明显要高出许多。

4 模拟结果与实测焊接温度场的比较

在焊接过程和质量控制技术的研究过程中焊接温度场的实时测量技术是非常重要的方向之一，同时还能够对理论进行验证并对焊接温度场方法精确程度进行求解。在本文的研究中通过比较模拟结果与实验结果可以发现以下三点：一是在ANSYS 中得到的是呈现出细长纺锤形状的高温区形状，并且具有较长的尾部区域。而在实际测量中拍摄到的也是呈现出细长纺锤形状，并且具有较长尾部区域的高温区形状。由此可见，就高温区域的分布形状来说，仿真和实验基本上是一致的；二是，当焊缝的中心位置不是焊接热源的位置时，计算得到的温度场的偏移情况与实际测量的温度场的偏移情况相同；三是通过比较分析温度场的最高温度定量可以发现：实际测量得到的最高温度与仿真中的熔池温度基本相同，与实验温度相比仿真温度略高。造成以上误差的原因主要有三个方面：一是公式中推导出来的热物理参数理论值与实际值存在偏差；二是简化模型时所作的假设；三是热像仪的原因。虽然红外热热像仪具有比较高的精度，在实际的测量中出现的误差非常小，但是在进行焊接时，电弧所发出的弧光会在一定程度上影响红外热像仪的测量精度。