（材料加工工程专业论文）高强钢同步预热焊接方法的研究.pdf

摘要 高强钢的焊接工艺要求采用焊前预热，大型结构件的焊前预热大多采用人工火焰 预热，这种方法对于工人操作经验要求较高，工作效率低，工人工作环境差，能量利 用率低。因此，研制一套可以实现同步预热的自动焊接设备，对于改善上述不足，提 高生产效率和改善焊接质量，可以起到积极的作用。 本文主要从焊接过程温度场计算的理论分析入手，建立平板堆焊过程的传热学模 型。通过采用红外温度检测模块进行非接触式温度检测，控制三轴运动平台的运动过 程模拟焊接移动过程和火焰开关控制，并编制相应的温度检测程序和平台控制程序， 搭建起了实验室同步预热焊接过程的模拟试验平台，对同步预热焊接过程进行了模拟 试验。运用a n s y s 有限元分析软件，选用高斯热源模型，模拟计算了同步预热焊接 过程中温度场分布情况；提出了通过检测预热热源中心点温度，动态控制预热热源丌 关的预热温度控制方法：编制了a p d l 命令流程序，解决了预热热源的移动问题： 针对不同尺寸平板和不同的预热宽度要求，对单点预热热源预热和双点预热热源预热 两种情况下同步预热焊接过程温度场分布进行了仿真计算，通过分析计算结果，从理 论计算上验证了通过预热热源的开关控制实现同步预热焊接的可行性。为今后进行相 应的设备研制，奠定了理论和试验基础。 关键词：高强钢预热温度场焊接a n s y s 红外温度传感器 a b s t r a c t p r e h e a t i n gi sn e c e s s a r yi nt h ew e l d i n gp r o c e s so fh i g hs t r e n g t hs t e e l t o d a y , t h ew a y o fa r t i f i c i a lf l a m ep r e h e a t i n gi sa d o p t e dw i d e l y t h i sp r o c e d u r er e q u i r e st h a tt h eo p e r a t o r s h a v eb e t t e ro p e r a t i v ee x p e r i e n c e s ，a n dh a ss o m ed e f e c t ss u c ha sl o ww o r k e f f i c i e n c y 、b a d w o r k i n g c i r c u m s t a n c e sf o rw o r k e r s 、w a s t eo f h e a ta n ds oo n c o n s i d e r i n gt h e s ef a c t o r s ，t h e d e f e c t sa b o v em a yb ei m p r o v e da n dt h eq u a l i t yo fw e l d i n gm a yb ep r o m o t e db y d e v e l o p i n ga s e to fe q u i p m e n tw h i c hc a nr e a l i z et h es y n c h r o n i z a t i o no fp r e h e a t i n gp r o c e s s a n dw e l d i n gp r o c e s s f i r s t l y , ah e a tc o n d u c t i n gm o d e li nt h ew e l d i n gp r o c e s so ff l a tb o a r ds u r f a c i n gw a s e s t a b l i s h e db yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft e m p e r a t u r ef i e l dc o m p u t i n g t h e n ，at e s t p l a t f o r m ，w h i c hc a nm o d e lt h es y n c h r o n i z i n gp r o c e s so fp r e h e a t i n ga n dw e l d i n g ，w a s m a i n l yc o n s t r u c t e dw i t hi rt e m p e r a t u r ee l e m e n t 、t h e3 - a x i sm o t i o np l a t f o r ma n dt h e r e l a t i v ep r o g r a m sf o rt e m p e r a t u r em e a s u r i n ga n dm o t i o np l a t f o r mc o n t r o l l i n g t h ei r t e m p e r a t u r ee l e m e n tc a nb eu t i l i z e dt ot e s t i n gt h et e m p e r a t u r ew i t h o u tc o n t a c t t h e3 - a x i s m o t i o np l a t f o r mw a su t i l i z e dt om o d e lt h em o v i n go fw e l d i n ga n dt h eo p e n i n g - c l o s i n go f f l a m e a n dl o t so ft e s t sh a v eb e e nd o n eo nt h et e s tp l a t f o r mt om o d e lt h es y n c h r o n i z i n g p r o c e s so fp r e h e a t i n ga n dw e l d i n g u s i n ga n s y sa n dg a u s sh e a ts o u r c em o d e l ，t h e d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l di nt h es y n c h r o n i z i n gp r o c e s so fp r e h e a t i n ga n dw e l d i n g w a se v a l u a t e d ；a d y n a m i c a l l yc o n t r o l l i n gw a y w a s p r o p o s e d w h i c hc o n t r o l l e d p r e h e a t i n g s o u r c et oo p e na n dc l o s ed e p e n d i n g o nt h et e m p e r a t u r eo f t h ep r e h e a t i n g s o u r c e c e n t e rp o i n t ；t h ea p d lc o m m a n df l o w sw e r ep r o g r a m m e dt oc o m p l e t et h ee v a l u a t i o n s a n dm a k eh e a ts o u r c e sm o v e ；c o n s i d e r i n gd i f f e r e n td i m e n s i o nb o a r d sa n dd i f f e r e n t d e m a n d st op r e h e a t i n gw i d t h ，s o m es i m u l a t i n ge v a l u a t i o n sw e r ed o n eo nt h ec o n d i t i o no f s i n g l ep r e h e a t - s o u r c ea n dd o u b l ep r e h e a t - s o u r c e b ya n a l y z i n gt h er e s u l t so fe v a l u a t i o n s a b o v e ，t h ef e a s i b i l i t yo fp r o c e s s i n gt h ep r e h e a t i n ga n dw e l d i n ga u t o m a t i c a l l ya tt h es a m e t i m ew a sp r o v e di nt h e o r y w h a tw eh a v ed o n ee s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a la n dt e s t i n gb a s e f o r t h ed e v e l o p m e n to f e q u i p m e n tt o m o r r o w k e y w o r d s ：h i g hs t r e n g t hs t e e l 、p r e h e a t i n g 、t e m p e r a t u r ef i e l d 、w e l d i n g 、a n s y s 、 t e m p e r a t u r ef i e l d 、i rt e m p e r a t u r es e n s o r 河海人学颂士研究生学位论文高强钢同步预热焊接方法的研究 第一章绪论 随着科学技术的进步和工业的发展焊接技术的应用进一步深入到经济和国防建设的各个领 域受到世界各国政府帛t 有关部门的高度重视。低合金高强度钢焊接结构的应h ；j 日趋广泛，特划 是近年来发展起来的经过淬火+ 网火处理的低合金高强度钢，由于其性能优异和经济效益显著更 是受到企业界和专家学者的重视。 但是，这类钢焊接时应严格控制冷却时间。冷却时间过短会出现淬硬组织井导致焊接裂纹的 产生。为了防i 冷裂纹的产生，通常在焊接工艺中采用预热和焊后热处理。目前，高强度钢的焊 接工艺中预热环节多采用人工火焰预热，存在以下问题： 1 不能很好的控制预热温度； 2 预热时间长，工作效率低成为生产率提高的瓶颈； 3 对人工操作的依赖性大； 4 i ：人工作环境恶劣； 5 预热采崩整体预热，对于大型工件的预热过程，可能导致热源的浪费，经济性著。 为改善以上不足，本文通过理论分析、数值模拟和试验分析，研究实现预热、焊接过程同步 进行自动焊接的方法。 1 i 低合金高强度钢焊接特点和焊接工艺 1 1 i 低合金高强度钢的分类和应用前景 随着科学技术的进步，工程结构日益向高参数、大型化发展，低台金高强度钢及其焊接的应 用范围也越来越j ”泛，受到科技和工程界的高度重视。低合金高强度钢不仅强度高，而且综合性 能也优于碳素结构钢，使这类钢得以在许多重要工程结构中大量应_ | = j 。 低合金调质高强度钢是高强度钢中最具发展前景的一类，这类钢综合陛能优异，经济效氚显 著，多用于重要的焊接结构中。目前低合金高强度钢及其焊接应用已经涉及到国民经济平国防建 设的各个领域，如建筑、桥梁、汽车制造、石油化工、船舶、电力、工程机械、压力容器、铁路 车辆、矿山机械、海洋工程、核能、航空航天及军事： 业等。 我国低合金高强度钢的开发和应用已经走过了4 0 多年的历史并取得了长足的发展。特* 0 是 晟近十几年中，随着改革开放的深入，在引进和消化吸收国外先进技术的基础上，我国低合金高 强度钢及其配套技术的发展更为迅速并受到世人瞩目。新钢种、与之配套的焊接材料和焊接i ：艺 是低合金高强度钢工程应j 【 j 的三个基本要素，只有配套协调发展才能充分发挥其巨大的应h ；i 价 值。 高强度钢通常是指抗拉强度盯。在5 0 0 - - - 1 2 0 0 m p a 之间并考虑焊接性而生产制造的钢材 盯。1 2 0 0 m p a 一般称为超高强度钢。高强度钢分为轧制后经调质处理的调质钢和不经调质处理 的非调质钢，调质钢和非调质钢在其力学性能、焊接性和接头性能方面有着很人的差异。非调质 钢的盯h 6 0 0 m p a ，而调质钢的c r b 在6 0 0 m p a 以上。按抗拉强度对低合金调质高强度钢进行分 第一章绪论 类时，一般是指抗拉强度的公称下限。 低合金调质高强度钢按其用途可分为【1 j ： ( 1 ) 高强度结构钢( o h 6 0 0 8 0 0 m p a ) ，这类钢主要用于工程焊接结构。焊缝及焊接区多承受 拉伸载荷。 ( 2 ) 高强度耐磨钢( m i 8 0 0 1 0 0 0 m p a ) ，主要用于工程结构高强度耐磨、要求承受冲击的部 位； ( 3 ) 高强度高韧性钢( o “1 0 0 0 1 3 0 0 m p a ) ，这类钢要求在高强度的同时，具有高韧性，主要 用于高强度高韧性焊接结构。 由于高强度钢具有重量轻、韧性好、抗拉强度大等特点因此得到广泛应川。全1 _ 甘= 界低合金 高强度钢的年消耗量约1 , 2 一1 5 亿n 屯，并以每年5 6 - - - 8 的速度增跃。随着我国近儿年经济的迅猛 发展，特别是基础建设投入的不断增长，使得对高强度钢的需求增蚝的更为迅速。 1 1 2 低合金高强度钢的焊接特点 低台金高强度钢的含碳量不高，一般不超过0 2 2 ，焊接性能优于中碳调质钢。由丁- 这类钢 焊接热影响区形成的是低碳马氏体，马氏体开始转变温度点较高，所形成的马氏体具有“自用火” 特性，使得低合金高强度钢的玲裂纹倾向比中碳调质钢小。但对于抗拉强度火丁8 0 0 m p a 的低台 金高强度钢，焊接热影响区( 特别是热影响区粗品区) 有产生冷裂纹平韧性r 降的倾向。对焊后 不再进行热处理的焊件，必须严格控制焊接区的扩散氢含鼙以及选择合适的焊接方法和焊接r 艺 参数。 低合金高强度钢焊接所面临的问题：一是防l 上裂纹；二是在保证满足高强度要求的同时提 高焊缝金属及焊接热影响区的冲击韧性。为了消除裂纹和最大限度地提高焊接效率，一般采用熔 化极气体保护焊( m i g ) 或活性气体保护焊( m a g ) 等气体保护自动化或、f 白动机械化焊接。 1 1 3 低合金高强度钢的焊接工艺 低合金调质高强度钢常用的焊接方法有手工电弧焊、c 0 2 气体保护焊承j 混合气体保护焊等， 一般地说，对于屈服强度o ，小于6 8 0 m p a 的低台金调质钢，手弧焊( s m a w ) 、埋弧焊( s a w ) 、 m i g 和t i g 等都可采用：对于o 。一 6 8 0 m p a 的低合金调质钢，熔化极气体保护焊( 如c 0 2 焊或 a r 4 c 0 2 混合气体保护焊) 是较合适的焊接方法。但是，这类钢焊接时应严格控制焊接线能量 控制焊接热影响区的冷却时间。通常需要进行焊前预热和焊后热处理。 预热是焊前对试忭的全部或局部进行加热的i ：艺措施，土要作川是降低接头热影响区的温度 梯度。使其在比较宽的范围内获得相对均匀的分布，从而减少温度应力的峰值；同时，通过预热 能够控制焊接接头的冷却速度，延跃奥氏体冷却转变温度范围内的冷却时间。避免或减少产生淬 硬组织的倾向，还有利于加速焊缝中氢的扩散逸出，防止冷裂纹的产生。预热温度不能过高过低， 过高的预热温度会使得冷却时间过长，热影响区的租品区可能出现上贝氏体( b u ) 、m a 组元辞 组织而导致脆化；预热温度过低，冷却时间过短，会出现淬硬组织并导致焊接裂纹产生。预热温 度应根据钢材和焊接材料的成分、焊件厚度、结构刚度、焊接方法和环境温度等通过焊接性试验 米确定。 1 2 焊接温度场数值模拟研究的历史和发展 2 河海大学硕士研究生学位论义 高强钢同步预热焊接方法的研究 焊接作为现代制造业必不可少的工艺。在材料加工领域一直占有重要地位。但焊接是一个涉 及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的 熔化年i 凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接过程产生的焊接应力和变形，不仅影响焊 接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。这些缺陷的产生主要是焊接时不台理的热 过程引起的。由于高度集中的瞬时热输入。在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力( 焊接 残余应力) 和变形( 焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲) ，而且焊接过程中产生的动态应力和 焊后残余应力影响构件的变形和焊接缺陷而且在一定程度上还影响结构的加工精度和尺寸的稳 定性。因此，在设计和施】：时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。 焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响焊 接结构的制造过程，丽且还影响焊接结构的使用性能。因此对焊接温度场和应力场的定鼙分析、 预测、模拟具有重要意义b 。j 。 传统的焊接温度场和廊力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。但仅从实验 角度研究焊接热应力、焊后残余应力和变形问题难度很人，无前瞻性，不能全面预测和分析焊接 对整个结构的力学特性影响，客观评价焊接质量。隧着差分法、有限元法的不断完善焊接热麻 力和残余应力模拟分析技术相应的发展起米。在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基 本方法，但大量的试验增加了生产成本，耗费人力物力尤其在军h 航天、 菏艇、核反应堆等 人型重要焊接结构制造过程中，任何尝试和失败都将造成重人经济损失，而数值模拟将发挥其独 特的能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞速发展，为数值模拟技术提供了有力的t 贝， 很多焊接过程可以采用计算机数值模拟。 焊接过程数值模拟可包括以下几个方面：焊接热过程：焊缝金属凝同和焊接接头相变过 程；焊接应力和应变发展过程；非均质焊接接头的力学行为；焊接熔池液体流动及形状尺 寸：重大结构及其部件的应力分析。 利用这种方法可以展望2 l 世纪热加工的研究模式将转变为“理论计算机模拟生产”， 从而大大提高焊接和材料热加t 的科学水平，节约用于实验研究的人力、财力。 1 2 1 国外研究情况 焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑性动态分析的前提。 关于焊接热过程的分析，前苏联科学院的h h 雷卡林院士对焊接过程传热问题进行了系统的 研究，建立了焊接传热学的理论基础。为了求热传导的微分方程的解，他把焊接热源简化为点、 线、面三种形式的理想热源，且不考虑材料热物理性质随温度的变化以及有限尺寸对解的影响。 实际上焊接过程中除了包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能变化而导致传热过程严 重的非线性外还涉及到金属的熔化、凝闶以及液同相传热等复杂现象，因此是非常复杂的。由 于这些假定不符合焊接的实际情况，因此所得到的解与实际测定有一定的偏差，尤其是在焊接熔 池附近的区域，误差很大，而这里又恰恰是研究者最为关心的部位阻6 7 8 1 。 a d a m e s 、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程，以大量的实验为基础，积累了不同材 料、不同厚度、不同焊接线能量以及不同预热温度等测量数据，然屙从传热理论的有关规律出发， 经过挚理、门纳和验证，最后建立了不同情况f 的焊接传热公式。这种方法比前者采埘数学解析 3 第一章绪论 法要准确但实验的工作量很大，有确定的应用条件和范围。且可靠性取决于测试手段的精度j 。 1 9 6 6 年w i l s o n 和n i c k e l l 首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。7 0 年代。有限元法 才逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。1 9 7 5 年，加拿大的p a l e y 和h i b b e t t 在发表的文章中， 介绍了利用有限元法研究焊接温度场的工作，编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层 u 、v 型坡口的焊接温度场计算程序，证实了有限元法研究焊接温度场的可行性pj 。之后国内外 众多学者进行了这方面的研究工作。美国的g w k r u t z y 于1 9 7 6 年的博士论文中用有限元法建立 了二维焊接温度场的计算模型并考虑了相变潜热的问题p j ；近几年，g a r e t h a 、t a y l o r 、m i c h a e l h u g h e s 等人研究了多种焊接结构的热模拟情况，考虑到熔池中的流体动力学以及传热情况。利 用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 和c s m ( c o m p u t a t i o n a ls o l i dm e c h a n i c s ) 两种情况对筒 体对接焊的温度场分布进行有限元分析”u l ；s w w e n 、e h i l t o n 、d c j f a r r u g i a 等人利用大型有 限元分析软件a b a q u s 模拟厚板埋弧焊的焊接过程，比较分析了二维和三维有限元模型的计算 结果，以及不同焊接工艺参数和焊接接头的几何形状对焊接结果的影响，井与试验相比较，成功 预测了焊接温度场的分布l i “。 1 2 2 国内研究情况 我国对丁焊接温度场数值模拟的研究起步较晚。西安交通大学庸慕尧等人于1 9 8 1 年编制了 有限元热传导分析程序，进行了薄板焊接准稳态温度场的线性计算，其结果与实验值吻合。随后 上海交通大学的陈楚等人对非线性的热传导问题进行了有限元分析，建立了焊接温度场的计算模 型，编制了相应的程序，程序中考虑了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况， 能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳态或非准稳态二维温度场的有限元分析，并在脉 冲t i g 焊接温度场以及局部干法水下焊接温度场等方面进行了实例分析i l2 ”l 。对于三维问题， 国内外也是近十年来才刚开始研究。其原因是焊接过程温度梯度很大，在空间域内，火的温度梯 度导致严重材料非线性产生求解过程的收敛困难和解的不稳定性；在时间域内，火的漏度梯皮 决定了必须在瞬态分析时在时间域内的离散度加大，导致求解时间步的增加i l 。上海交通大学汀 建华等人和t 3 本大阪大学合作对三维焊接温度场问题进行了一系列的有限元研究，探究了焊接温 度场的特点和提高精度的若干途径，并对儿个实际焊接问题进行了三维焊接热传导的有限元分析 。蔡洪能等人建立了运动电弧作用下的表面双椭圆分布模型基础上研制了三维瞬态非线性热传 导问题的有限元程序，程序中利用分析节点热焓的方法对低碳钢( a 3 钢) 板的焊接温度场进行 了计算，计算结果和实验值吻合得很好【”l 。西安交通大学的段权、张新国等人利川有限元方法对 焊接接头的非线性热传导问题进行研究，得出焊接热循环曲线非线性数值分析表明，在金属相 变温度附近采用经典线性方法其结果偏差较大并指出在模拟焊接接头温度场分布时必须考虑材 料热传导参数的非线性特征m j 。 1 3 数值方法概述和有限元模拟软件简介 1 3 1 数值方法概述 解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程( 模型) 得到用函数表示的 解，也就是解析解。解析法的优点是物理概念和逻辑清晰，所得到的解比较精确。但解析法只能 用丁- 有限的范围，对于复杂系统高阶、非线性、时变的微分方程很难用解析法求解i ”】。 4 河海大学硕士研究生学位论文高强钢同步顶热焊接方法的研究 数值方法又叫数值分析，是用计算机程序来求解数学模型的近似解，有时称之为数值模拟或 计算机模拟。对于实际问题边界条件十分复杂。解析法来求解这类微分方程十分困难。而随着 计算机技术的高速发展，大多数实际问题采用数值求解。数值解法主要有差分法、有限元法、数 值积分法、蒙特卡洛法等。下面简单介绍前两种方法【”1 。 差分法：差分法的基础是用差商来代替微商相应地把微分方程变为差分方挫来求解。求解 时必须对求解域离散化，这样微分方程和边界条件的求解就归结为求解一个线性方程组，得到数 值解。筹分法的优点在于对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题，它的程序设计和计算 过程比较简单，收敛性也较好缺点是往往局限于规则的差分网格，不够灵活。此外，差分法只 看到了节点的作用而忽视把节点连接起来的单元的贡献。在焊接研究中差分法常用于焊接热传 导、熔池流体动力学、氢扩散等问题的分析。 有限元法：有限元法是适应使用计算机而发展起来的一种有效的数值方法。这种方法起源丁 2 0 世纪5 0 年代对航空工程中飞机结构的矩阵分析。6 0 年代被推广用来求弹性力学的平面戊力问 题。虽然这一方法起源于结构分析。但它所依据的理论的普遍性，己经能够成功地用来求解其他 l ：程领域的许多问题，几乎适用于求解所有的连续介质和场的问题。 有限元方法是将连续的物体离散化，分缌为由有限个单元组成的模型，即进行网格划分，进 而对离散化模型求数值解。主要优点是： 概念清晰，容易掌握： 有很强的灵活性和适用性，应用范围极其广泛。对于各种复杂的因素。如复杂的儿何形状、 任意的边界条件、不均匀的材料特性，非线性的应力应变关系，都能灵活地加以考虑，不会 发生处理的凼难： 采h j 矩阵形式表达，便于编制计算机程序。 在焊接领域，有限元法广泛应用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的 断裂力学分析等。 1 3 2 有限元分析软件a n s y s 简介 随着焊接温度场和应力场的深入研究，有限元技术的发展和应用，以及计算机技术的e 速发 展，目前住进行有限元分析时所| _ 的软件方面己经有了不少优秀的计算分析软件如：a n s y s 、 s y s w e l d 、a b a q u s 、a d i n a 、n a s t r a n 、m a e c 等可供焊接工作者选用。这些大型有限元 分析软件都具有自动划分网格和自动整理计算结果，并形成可视化图形的前后处理功能。冈此， 焊接工作者己经无需自己编制分析程序。可以利用上述商业化软件，必要时加上二次开发，即可 得到需要的结果，实现焊接过程虚拟分析。 作为融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，a n s y s 系统汇集 了集中式数据库( d a t a b a s e ) 技术，前、后处理技术( p r e p 7 ，p o s t ia n dp o s t 2 6 ) ，优化设计技术和a s c i i 文件格式以及先进的数据接口技术等，它可在一个连续的、相互协作的工程设计中，用于整个 产品开发过程分析，其分析模拟工具易于使用，能支持多种平台，提供了多场耦合的分析功能。 a n s y s 系统提供的热分析、非线性结构分析以及两者之间的耦合场分析功能确保了中厚板的多 道焊接模拟的实现，而且火应变、有限转动功能和a n s y s 参数设计语言( a p d l ) 的扩展宏命 5 第一章绪论 令功能的实现，大大降低了设计计算时间，强大的后处理技术为计算结果的分析检验提供可视化 图形显示。 1 4 本文的主要任务 本文以研制实现同步自动预热焊接设备为目标，从预热、焊接过程温度场分布的理论分析平 数值模拟入手，应用有限元分析软件a n s y s 对平板堆焊温度场进行了数值模拟计算。根据数值 模拟的情况，搭建了同步自动预热焊接过程的试验平台，提出适合的温度检测方法和预热热源的 开关控制方法，为进行同步自动预热焊接设备的研制奠定理论计算和试验分析的基础。本文主要 完成的工作为： ( 1 ) 解决了a n s y s 分析中高斯热源的移动问题，并以其为热源模拟计算焊接温度场。 ( 2 ) 运剧a n s y s 提供的a p d l 参数化编程语言，编制了热流密度载荷添加控制程序，很好的 模拟了预热热源开关控制的过程。 ( 3 ) 模拟焊接过程搭建了同步自动预热焊接过程的试验检测平台。 ( 4 ) 采用单片机c 语言编制了模拟1 2 c 总线程序用于读取温度传感器的检测数据：同时，编制 串口通信程序，将读取的温度数据传送到工控机进行分析。 f 5 ) _ 1 1 jv i s u a lb a s i c 语言编制了三轴运动平台控制程序和与单片机进行串口通信的上位机栏 序，并通过编程对温度数据作了相应的处理、存储。 6 河海大学顶：i ：研究生学位论文高强钢同步预热焊接方法的研究 第二章焊接温度场有限元分析的理论 2 1 传热学的基本理论 传热理论是研究热量传递规律的。凡是有温度差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低 温物体。就物体温度与时间的依赖关系而吉。热量传递过程可区分为稳态过程与非稳态过程两人 类。凡是物体中各点温度不随时间而改变的热传递过程，均称为稳态热传递过程，反之则称为非 稳态热传递过程。 2 1 1 热量传递的三种基本方式 热量传递有三种基本方式：导热、对流和热辐射。 1 导热 物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生 的热量传递过程称为导热( 或称热传导) 。例如，物体内部热量从温度较高的部分传递到温度较 低的部分，以及温度较高的物体把热量传递给与之接触的温度较低的物体都是导热现象。 2 对流 对流是指流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递方式。对流仅 能发生在流体中，而且必然伴随有导热现象。工程上常遇到的不是单纯对流方式，而是流体流过 另一物体表面时对流和导热联合起作用的热最传递过程，后者称为对流换热，以区别_ 丁= 单纯对流。 为了对热对流过程作数学描述，须将热传导的基本定律与流体流动的基本定律联系起米，所 得山的微分方程组的数学解析，可能是应刚数学最复杂的领域之一。 3 热辐射 物体通过电磁波来传递能量的方式为辐射。物体会冈各种原因发出辐射能，其中因热的原冈 而发生辐射能的现象称为热辐射。自然界中各个物体都不停地向空间发出热辐射同时又不断地 吸收其他物体发出的热辐射。辐射与吸收过程的综合结果就造成了以辐射方式进行的物体间的热 量传递辐射换热。当物体与周围环境处于热平衡时，辐射换热量等于零。但这是动态平衡， 辐射与吸收过程仍在不停地进行。 热辐射可以在真空中传播，而导热、对流这两种热量传递方式只有在物质存在的条仆f 才能 实现。这是热辐射区别于导热、对流，是一种独立的基本热量传递方式的有力说明。当两个物体 被真空隔开时，导热与对流都不会发生，只能进行辐射换热。辐射换热医别于导热、对流的另一 个特点是，它不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量形式的转化，即发射时从热能转换为辐射 能，而被吸收时又从辐射能转换为热能。 2 1 2 导热基本定律 1 傅立叶定律 单位时间内通过单位截面积所传递的热量，正比例于该截面法线方向上的温度变化率，即： q 订 。 fo x 第二章焊接温度场有限元分析的理论 此处- 温度变化率是温差t 与距离x 比值的极限即温度变化率= 堪磐石a t = 篆 引入比例常数可得q ：胛婴 ( 2 i ) 这就是导热基本定律又称为傅立叶定律的数学表达式。式中负号表示热量传递的方向指向 温度降低的方向这是满足热力学第二定律所必须的。傅立叶定律用文字来表达是：在导热现象 中，单位时间内通过给定截面的热量。正比例子该截面法线方向上的温度变化率和截面面积。它 是导热现象规律性的经验总结。 单位时问内通过单位面积的热量称为热流密度，记为q ，单位为w m 2 。傅立n - 定律i | j 热流 密度q 表示时有下列形式 o。五塑(2-2) a x 以下补充说明两点： ( 1 ) 温度变化率与a t & x 的区别：为了说明问题起见，想象在物体中存在着两个彼此平行 的平面，参看闰2 1 。它们的温度在整个平面上是均匀的，分别是i 和l 平厩面积为f ，彼此 间距离为x 。经验表明，对于两个平行平面间的热量转移，下列傅立1 1 。f f 公式( 它是傅立叶定律 的特例) 是适用的。 q ：盯至玉：一肝坐 ( 2 3 ) a x x 应该指出，式( 2 3 ) 有它的局限性，如在x 这一段范围内，a t a x 不是常量，而是变化 着的式( 2 - 3 ) 就不能正确地表示穿过f 的真实热量。要克服这个局限性，必须取a t a x 比值 的极限，即用温度变化率来代替a t a x 。 ( 2 ) 傅立叶定律的矢量表达式：实际上，在傅立叶定律中，所传递的热量、温度的变化都 是有方向的物理量，数学上称这种量为矢量。因此，必须采_ l | = | 矢蛙的形式才能把傅立叶定律更完 整地表达出来。温度变化率是个标量，它必须与单位矢量相乘才是矢量。数学上，梯度这个欠越 指向变化最激烈的方向。在等温面的法线方向上单位长度的温度变化率最大。采用数学上梯度 的定义，温度梯度即可表示如下： l i r a _ a tradt：atfi(2-4fi=grad ) 葛玎n 一两 j 河海大学硕士研究生学位论文高强钢同步预热焊接方法的研究 式中，i i 表示单位法向矢量；0 t a n 表示温度在五法向上的导数。温度梯度在空间三个坐标轴上 的分量等于其相应的偏导数，即有： g r a d t ：昙i + 罢j + 婴莨( 2 - 5 ) 0 x钟兜 式中一i 、j 一、k 一表示三个坐标轴的单位矢量。 用矢量表示的傅立叶定律的表达式为： 虿：一2 9 r a d t ：一a 娶亓( 2 - 6 ) 图2 2 ( a ) 表示出温度梯度与热流矢量再的关系，图2 2 ( b ) 则为等温线与热流线问的关系。 热流线为表示热流方向的线，恒与等温线垂直相交。 ( a )( b ) 酮22 温度梯度、热流矢量、等温线b 热流线 2 导热系数 导热系数的定义式由傅立叶定律的数学表达式给出，由式( 2 - 6 ) 得 五= 击 ( 2 - 7 ) _ n d n 数值上，它等于在单位温度梯度作用f 物体内所产生的热流密度。 t 程计算采用的各种物质的导热系数的数值都是专门实验测定出来的。导热系数的数值取决 于物质的种类和温度。金属的五值取决于其化学成分、微观组织结构和温度。对_ 丁铁、碳钢和低 合金钢来讲，五随温度的增加而下降。而对于高台金钢( 不锈钢、耐热钢等) 随着温度的增加， 五值增加。 金属的导热系数很高。常温( 2 0 c ) 条件f ，纯铜为3 9 9 w ( m * 。c ) ：碳钢( c * 1 5 ) 为 3 6 7 w ( m * 。c ) 。气体的导热系数很小，如2 0 时干空气的丑值为0 0 2 5 9 w ( m * 。c ) 。液体的 五值介于金属和气体之间，如2 0 时水的导热系数为o 5 9 9 w ( m * 。c ) 。非金属固体的导热系数 在很大范同内变化，数值高的同液体相近，数值低的则接近甚至低丁空气导热系数的数鼙级。 第二章焊接温度场有限元分析的理论 3 温度场 傅立叶定律表明，导热热量与温度梯度有关所以研究导热必然涉及物体的温度分布。一般 地讲，物体的温度分布是坐标和时间的函数，即 t = f ( x ，y ，z ，t )( 2 8 ) 式中，x ，y ，z 为空间直角坐标，t 为时间坐标。 像重力场、速度场等一样，物体中存在着温度的场，称为温度场，它是物体中各点温度分布 的总称。物体的温度场有两大类。若物体各点的温度不随时间变化这种温度场称为稳态温度场 表达式简化为t = f ( x ，y ，z ) 。若温度分布随时闯改变，这种温度场称为非稳态温度场 2 0 1 。 温度场中间一瞬时温度相同的各点连成的面称为等温面。在任何一个二维的截面上，等温面 表现为等温线。温度场习惯上用等温面图或等温线图来表示。 2 i 3 工作表面放热 1 对流换热 对流换熟的基本计算式是牛顿冷却公式 q k = 口k t ( 2 9 ) q = f a k a t ( 2 - 1 0 ) 式中，t = l t f t w i ，t 羊1 1 1 _ 分别是流体温度和嫩面温度。a t 是温差。比例系数口k 称为对 流放热系数，单位是w ( m * 。c ) ，简称为放热系数。 放热系数的大小与换热过程中的许多因素有关。它不仅取决于流体的物性以及换热表面的形 状与布置而且还与流速有密切关系。式( 2 9 ) 并不是揭示出影l 啊放热系数的种种复杂因素的具 体关系式，而仅仅给出放热系数的定义。 2 辐射换热 热辐射的一个最重要的基本定律是斯蒂芬一波尔兹曼定律 q ，= c j ( 等) 4 ( 2 - 1 1 ) 式中，( t + 2 7 3 ) 是物体的绝对温度k 。比例系数c ，决定于物体表面的情况。对于绝对黑体，即 能吸收全部落在它上面的辐射能的物体，c l = c o = 5 6 7 w ( m 2 k4 ) 。对于灰体而言 c i = s c o ，此处s 代表黑度系数，它的数值变化范围从。到l a 辐射换热是在被透明介质隔开的加热物体之间进行的。每一个加热的物体都按式( 2 11 ) 放 射热能，并接受别的物体放射的部分能量。在辐射换热过程中，加热较少的物体要热起来，而加 热较多的物体则要冷下去。关于焊接时t 件加热和冷却的计算，最值得注意的是，尺寸不大的物 o 河海人学硕士研究生学位论文 高强钢同步预热焊接方法的研究 体捍件在加热到温度t 时，要和它周围各方面的物体进行换热。这些物体的温度王是低于t 的。黑度系数为占的小物体单位表面积上的辐射换热热流q ， 旷芘。 降 4 一t l + 2 7 3 ) 4 为便于计算，把辐射换热的热流q ，和物体表面上的温度落差( t 。t ) 联系起来 q ，= 口，( t t 1 ) ( 2 1 2 ) 旷以叭( t + 2 7 3 ，1 一( 等 4 】 砜( 笠t - t 茎k 刊i = 口，( t t i ) 口巩( 兰望工协 旷酊。卫生 掣 ( 2 _ 固体间壁和外界的热量交换往往同时存在对流换热和辐射换热两种形式。为了研究方便，常 q = q k + q ，= ( 口k + a ，) ( t t i ) = a ( t t 1 ) ( 2 1 4 ) 口= 口k + 口， ( 2 1 6 ) 放热系数a 随表面温度的升高而增加。当表面温度不超过2 0 0 3 0 0 c 的温度间隔内，大部分的热 在焊接过程中，焊接热输入和热传导对冶金过程、固态相变、组织性能和应力应变等都有重 要的影响。焊接是一个局部快速加热到高温，井随后快速冷却的过程。随着热源的移动，整个焊 接的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变 第= 章焊接温度场有限元分析的理论 的潜热现象。因此，焊接温度场分析属于典型的非稳态热传导问题。其三维温度场控制方程为： p c 詈= 昙( z 罢) + 茜( z 号 + 昙 z 罢 + q c z 邯， 式中：q ( x , y , z , o 求解区域v 中的内热源强度； t _ 一温度场分布函数： a 导热系数； p 和c 分别为材料的密度和比熟。 上式为泛定方程，为了获得定解，需要给出定解条件，即微分方程的边界条件及初值条件。 焊接温度场的计算通常有下列几类边界条件： ( i ) 第一类边界条件，已知边界上的温度值 a 罢+ 2 罢片，+ a 要他：( 置五，) ( 2 - 1 8 ) 否h ，+ 2 面+ 。i 行；2 1 一t 置卅 2 1 8 ( 2 ) 第二类边界条什，已知边界上的热流密度分布 a 罢一+ a 罢胛，+ l 娶h ：q g 鹏r ) ( 2 - 1 9 ) 。面玎，+ 。面胛y + 。瓦”：2 敛协p 驯 2 1 9 ( 3 ) 第三类边界条件，己知边界上的物体与周围介质问的热交换 罢以+ 2 娶胛，+ 罢：卢( 7 - o e ) ( 2 2 0 ) 。瓦刀r + 2 面胛y + 2 瓦玎：2 1 一j 2 2 0 式中： q 单位面积上的外部输入热源； 表面挟热系数： 疋周罔介质温度； 疗r 行，y t ：分别为边界外法线的方向余弦。 2 3 瞬态温度场熟传导的有限元求解 关于有限元方法的基本思想和求解方法本文不作赘述，可参见文献【7 、8 、2 1 、2 2 、2 3 】。用 有限元计算温度场时，在空间域上，一股假设在个单元内：肯点的温度呈线性分布，根据变分公 式推导节点温度的一阶常系数微分方程组。再在时间域上用有限差分法将它化成。棒点温度线性代 数方程组的递推公式，然后将每个单元矩阵叠加起来，形成节点温度线性方程组，进而求得节点 的温度。用有限元分析热传导的过程是： ( 1 ) 把一个热传导微分问题转化为变分问题( 泛函变分或者微分变分) ； ( 2 ) 对物体进行有限元分割，把变分问题近似的表达为线性方程组； ( 3 ) 求解线性方程组，将所得的解作为热传导问题的近似解。 河海大学硕士研究生学位论文商强钢同步预热焊接方法的研究 印詈= 青降+ 寄卜 沼z t ， 印百瑚【丽+ 矿j 叫 2 之 边界条件表达式如上节( 2 1 8 ) 、( 2 - 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) ，此外还应满足初始条件：瓦= t o ( x ，y ) 砸，州( 剐珊( 叩矧丁 螂协：， + 甄( 圭丁2 一瓦丁) 一g r 西 若泛函l ( t ) 在t ( x , y , o 上揪d f f l t 根据欧拉方程，可知n 锄p 必须在区域r 内满足热传导 方程( 2 2 t ) ，并在边界s 上满足热流边界条件和换热边界条件。因而职卫p 就是所需要的解。 首先将求解区域r 离散化，分成有限个单元。采用三角形单元，设单元的1 ，点为i ，j ，m ， 1 ，点温度为z 、l 、单元形函数为j 、扎、虬，则单元内任一点的温度可_ l 形函数表 f t 7 1 。g ，y ，r ) = ，。】 _ = 弦广 ( 2 - 2 3 ) l 乙j ，。c 丁，= 曼偿 ( 罢) 2 + ( 多