基于ANSYS的焊接熔池传热速度对温度场影响的数值模拟VIP

计 算 机 应 用基 于 的 焊 接 熔 池 传 热 速 度 对 温 度 场影 响 的 数 值 模 拟陈 小 伟 , 肖 福 仁 , 廖 波 , 王 旭 , 张 立 英燕 山 大 学 材 料 学 院 , 河 北 秦 皇 岛 华 北 石 油 第 一 机 械 厂 , 河 北 青 县摘 要 通 过 设 定 金 属 在 熔 点 以 上 温 度 时 不 同 等 效 导 热 系 数 , 补 偿 焊 接 温 度 场 模 拟 时 高 斯 表 面 热 源的 缺 陷 , 研 究 电 弧 吹 力 和 熔 池 液 态 金 属 对 流 共 同 作 用 下 , 熔 池 高 温 热 交 换 速 度 变 化 对 焊 缝 和 热 影 响 区 粗 晶 区 热 循环 的 影 响 。 结 果 表 明 , 熔 池 高 温 传 热 速 度 对 焊 缝 和 热 影 响 区 到 冷 却 时 间 的 影 响 很 小 , 用 软 件模 拟 电 弧 吹 力 较 大 的 焊 接 温 度 场 时 , 若 只 考 虑 焊 缝 和 热 影 响 区 到 冷 却 时 间 时 , 采 用 高 斯 热 源 加 载 方式 是 可 行 的 。关 键 词 数 值 模 拟 焊 接 温 度 场 等 效 导 热 系 数 热 循 环 高 斯 热 源中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 文 章 编 号 一 一 一】 恤兀 一 , , 一 , , , 字 , 守 犷卫 谊 , 动 , 口 王 姗 山 , , 闪跳 。 几 ” 几 轰 砚 , 理 。 呱 矛 琏 娜 氏力 血 , 。 伪卫,。 仇月 产 ,说 , 力焊 接 温 度 场 的 计 算 是 一 个 涉 及 电 弧 加 热 、 熔池 内 流 体 传 热 以 及 固 体 传 热 的 非 平 衡 、 多 参 数 祸合 的 复 杂 过 程 。 对 于 这 样 复 杂 的 过 程 , 必 须 采 用数 值 模 拟 方 法 才 能 有 效 地 描 述 。 有 限 元 方 法 在数 值 模 拟 中 得 到 广 泛 应 用 , 其 中 以 为 代表 的 工 程 数 值 模 拟 软 件 , 不 断 吸 取 计 算 方 法 和 计算 机 技 术 的 最 新 发 展 , 将 有 限 元 分 析 、 计 算 机 图 形学 和 优 化 技 术 相 结 合 , 已 成 为 解 决 现 代 工 程 学 问题 必 不 可 少 的 有 力 工 具 。 用 进 行 焊 接 温收 稿 日 期 一 一作 者 简 介 陈 小 伟 一 , 男 , 陕 西 西 安 人 , 硕 士 研 究 生 , 主 要 从事 焊 接 过 程 数 值 模 拟 的 研 究电 话 一 ,度 场 模 拟 时 , 需 解 决 的 问 题 之 一 就 是 热 源 加 载 形式 和 热 源 分 布 函 数 的 确 定 。 对 于 如 手 工 电 弧 焊 、 钨极 亚 弧 焊 等 电 弧 挺 度 小 、 对 熔 池 冲 击 力 较 小 的 情况 下 , 可 不 考 虑 电 弧 吹 力 和 熔 池 流 体 传 热 特 征 , 采用 高 斯 分 布 的 表 面 热 源 就 可 得 到 较 满 意 的 结 果对 电 弧 挺 度 大 的 焊 接 过 程 如 激 光 焊 , 双 椭 球 模 型是 一 种 比 高 斯 模 型 更 适 用 的 模 型 刚 。 而 对 于 埋 弧焊 这 种 电 弧 吹 力 较 大 的 焊 接 方 法 , 其 相 关 研 究 甚少 , 没 有 研 究 表 明 哪 种 热 源 模 型 更 适 用 于 埋 弧 焊 。电 弧 吹 力 较 大 时 , 电 弧 首 先 在 焊 接 表 面 加 热 ,表 面 金 属 迅 速 熔 化 , 电 弧 吹 力 可 将 熔 池 熔 化 金 属排 开 , 电 弧 直 接 加 热 熔 池 底 部 未 融 化 的 金 属 , 同 时也 加 热 电 弧 壁 坑 。 在 这 个 过 程 中 , 热 量 迅 速 向 焊 件内 传 递 , 形 成 初 步 的 熔 池 。 熔 池 内 的 液 体 通 过 对 流 热 加 工 工 艺 年 第 卷 第 期焊 接 版传 热 , 也 以 较 快 的 速 度 将 热 量 传 递 开 , 进 一 步 增 加熔 池 尺 寸 。 可 见 , 无 论 是 电 弧 吹 力 还 是 熔 池 液 态 对流 传 热 , 其 效 果 都 是 使 电 弧 热 量 以 远 大 于 固 体 导热 的 速 度 传 递 到 焊 件 内 部 去 。 文 献 在 进 行 温 度场 模 拟 时 , 通 过 提 高 液 态 区 的 导 热 系 数 来 近 似 反映 熔 池 内 金 属 的 对 流 传 热 , 并 取 得 了 较 好 的 效 果 。那 么 , 作 者 认 为 同 样 也 可 以 通 过 提 高 液 态 区 导 热系 数 近 似 反 映 电 弧 吹 力 对 传 热 速 度 的 影 响 。本 文 正 是 基 于 以 上 设 想 , 通 过 引 人 液 态 金 属在 某 一 高 温 时 的 导 热 系 数 称 之 为 高 温 等 效 导热 系 数 , 模 拟 不 同 电 弧 吹 力 和 熔 池 对 流 作 用引 起 的 熔 池 热 交 换 速 度 对 焊 缝 以 及 热 影 响 区 高 温一 停 留 时 间 , 和 一的 冷 却 时 间 仓 动 的 影 响 , 探 讨 用 软 件 模 拟大 线 能 量 弧 焊 时 , 高 斯 表 面 热 源 加 载 的 可 行 性 。表 材 料 热 物 理 参 数温温 度 导导 热 系 数 , 一 ,比比 热 , 一 ,密密 度 冰 刁刁源 加 热 半 径 为 , 热 源 移 动 速 度 为 而 。 高 斯热 源 的 移 动 用 的 语 言 编 写 程 序 。 时间 步 长 , 每 一 个 时 间 步 长 热 源 移 动 。本 文 不 考 虑 工 件 表 材 料 时 的 犷与 环 境 的 热 交 换 。 给定 材 料 在 时的 值 如 表 , 表 示 基 本 不 考 虑 电 弧吹 力 和 熔 池 对 流 作用 。 图 是 以编 号 压 孑 二 币 落卜 一 无 二一 确 一 目数 值 模 拟 试 验数 值 模 型考 虑 到 工 件 和 热 源 沿 焊 缝 的 对 称 性 , 为 了 节省 计 算 时 间 , 建 模 时 只 需 考 虑 沿 焊 缝 对 称 的 一 半焊 件 。 模 型 尺 寸 在 焊 接 方 向 上 保 证 准 稳 态 温 度 场形 成 的 尺 寸 要 求 , 在 与 焊 接 方 向 垂 直 的 方 向 上 保证 接 头 冷 却 到 时 , 离 焊 缝 最 远 的 边 缘 温 度保 持 环 境 温 度 , 依 此 条 件 建 立 的 模 型 尺 寸 为们 。 匡 。为 了 保 证 焊 接 熔 池 处 精 度 并 控 制 适 当 的 计 算工 作 量 , 模 型 的 不 同 区 域 采 用 不 同 的 单 元 , 在 焊 缝和 远 离 焊 缝 的 区 域 用 单 元 , 中 间 部 分 用单 元 过 渡 。 用 的 目 的 是 为 了 生 成过 渡 的 金 字 塔 单 元 , 在 生 成 过 渡 的 金 字 塔 后 , 可 将模 型 中 的 节 点 退 化 四 面 体 单 元 转 化 为相 应 的 节 点 非 退 化 单 元 , 这 可 使 每 个单 元 所 需 的 随 机 存 储 单 元 更 少 。采 用 映 射 网 格 和 自 由 网 格 相 结 合 的 网 格 化 分方 案 。 把 工 件 分 为 三 体 , 即 焊 缝 体 、 远 离 焊 缝 体 和中 间 过 渡 体 。 近 缝 区 网 格 大 小 , 远离 焊 缝 处 网 格 大 小 两 边 用 六 面 体 映 射 网格 划 分 , 中 间 用 自 由 四 面 体 过 渡 。实 验 材 料 为 普 通 低 碳 钢 , 采 用 随 温 度 变 化 的热 物 理 参 数 , 见 表 所 示 网 。上 时 ,“ 随 温 度 的 变 参化 曲 线 。 设 计 时 , 主要 以 焊 接 熔 深 为 参考 , 即 的 最 大 值 对应 的 模 拟 熔 池 深 度 大。 澎 葬 七 平 丫 一 丁 图 材 料 随 温 度 的 变 化 曲 线于 实 际 焊 接 时 的 熔 池 深 度 , 便 认 为 此 时 的 值 范围 对 模 拟 电 弧 吹 力 和 熔 池 对 流 传 热 是 有 效 的 。试 验 结 果 及 分 析 时 模 拟 计 算 的 熔 池 深 度当 二 时 , 在 不 考 虑 焊 缝 余 高 对 热 模 拟熔 池 深 度 计 算 影 响 的 情 况 下 , 在 热 源 下 方处 , 温 度 为 。 而 通 过 分 析 文 献 的 焊 接 试验 数 据 , 表 明 板 厚 为 、 有 效 线 能 量 为 、焊 速 为 耐 时 , 在 实 际 埋 弧 焊 接 时 熔 深 在 一之 间 , 说 明 所 选 无 值 的 范 围 是 有 效 的 。 值 对 熔 池 峰 值 温 度 的 影 响图 是 不 同 时 模 拟 的 焊 缝 中 心 的,食试 验 参 数有 效 线 能 量 线 能 量 热 效 率 高 斯 热热 循 环 曲 线 。 可 看 出 ,在 没 有 充 分 考 虑 电弧 冲 力 以 及 熔 池 流体 传 热 的 情 况 下 , 在熔 池 上 加 载 高 斯 表面 热 源 和 应 用 固 体导 热 算 法 , 其 结 果 是熔 池 中 心 温 度 畸 高 ,超 过 , 远 远 超一 无 一 确 一 无 确 一 二 一 , 一 一 一 一 一 一 一 图 不 同 无 值 时 熔 池 峰 值 温 度 热 加 工 工 艺 年 第 卷 第 期出 了 实 际 焊 接 熔 池 的 温 度 。 随 着 的 增 大 , 熔 池 高温 时 的 热 传 递 速 度 迅 速 增 大 , 集 中 在 表 面 的 热 量 迅速 传 递 到 熔 池 金 属 内 部 , 表 面 温 度 也 随 之 迅 速 下降 , 逐 渐 接 近 实 际 焊 接 时 的 熔 池 温 度 。 尽 管 不 同 时 模 拟 计 算 出 的 熔 池 最 高 温 度 相 差 很 大 , 但 从 图可 看 出 , 随 着 温 度 的 降 低 , 熔 池 冷 却 速 度 逐 渐 趋 于一 致 。表 尸 值 对 热 影 响 区 粗 晶 区 热 循 环 的 影 响厂 一知 翎 沸 黔 氢 粼 矍 丰 薰 值 对 焊 缝 中 心 处 九 和 俪 的 影 响焊 接 时 , 焊 缝 金 属 在 一 的 停 留 时间 翔 严 重 影 响 奥 氏 体 晶 粒 组 织 的 发 展 , 进而 在 固 态 相 变 时 影 响 焊 缝 最 终 的 组 织 和 性 能 。一 是 焊 缝 二 次 相 变 的 主 要 温 度 范 围 , 俪决 定 了 焊 缝 二 次 相 变 组 织 形 态 和 晶 粒 大 小 。 因 此准 确 地 模 拟 焊 缝 在 这 两 个 阶 段 的 时 间 , 无 论 对 焊缝 组 织 的 数 值 模 拟 还 是 热 模 拟 都 是 很 有 意 义 的 。表 是 不 同 无 时 焊 缝 的 几 及 俪 。 可 见 ,不 同 对 焊 缝 及 崛 的 影 响 很 小 。 为和 时 , 对 焊 缝 及 场 的 影 响 小 于 。表 不 同 时 焊 缝 中 心 及 俪解 析 法 计 算 得 广 犯 ,可 见 , 数 值 模 拟 结 果 在 合理 的 范 围 之 内 。 不 同 值 对 粗 晶 区 丸 有 一 定影 响 , 尤 其 是 在 基 本 没 有 考 虑 电 弧 吹 力 和 熔 池 对流 传 热 的 情 况 下 即 , 知 明 显 增 大 , 随着 值 得 增 大 , 期 变 化 趋 势 减 缓 。 传 热 速 度急 剧 变 化 时 , 才 对 一 有 一 定 的 影 响 。 实 际 上 ,当 采 用 一 定 的 焊 接 工 艺 和 焊 件 尺 寸 范 围 一 定 时 ,电 弧 吹 力 和 熔 池 液 态 传 热 所 对 应 的 有 一 个 较小 的 范 围 , 数 值 模 拟 时 可 通 过 试 验 或 经 验 数 据 确定 的 近 似 值 , 从 而 获 得 更 准 确 的 模 拟 结 果 。护 了 一 一期 翎 讨确 尹硫 尹 二一 无 一 一 结 论熔 池 传 热 速 度 对 焊 接 熔 池 峰 值 温 度 有 显著 的 影 响 , 对 焊 缝 高 温 一 停 留 时 间 、焊 缝 俪 以 及 粗 晶 区 俪 影 响 很 小 传 热 速 度 急 剧变 化 时 , 对 粗 晶 区 高 温 一 停 留 时 间有 一 定 影 响 。用 软 件 模 拟 电 弧 吹 力 较 大 时 焊 接温 度 场 , 若 只 考 虑 焊 缝 及 热 影 响 区 一 的冷 却 时 间 , 或 焊 缝 一 的 停 留 时 间 , 可 以采 用 高 斯 表 面 热 源 加 载 。 通 过 给 定 适 当 的 高 温 等效 导 热 系 数 , 可 以 获 得 粗 晶 区 以 上 停 留 时间 的 合 理 数 据 。钊八 卜气曰哎亡八八 加图 是 不 同 下 , 焊 缝金 属 一 的 冷却 曲 线 。 可 看 出 , 冷 却曲 线 曲 率 相 近 , 说 明 这 食一 段 的 冷 却 速 度 几 乎相 同 。 由 此 可 知 , 高 斯表 面 热 源 可 以 用 来 模拟 焊 缝 及 鲡 。冤 飞 扩 命 吮 汀 戈 广 右 端图 不 同 值 时 焊 缝一 冷 却 曲 线军 值 对 热 影 响 区 粗 晶 区 ” 和 俪 的 影 响焊 接 时 , 热 影 响 区 附 近 由 于 温 度 过高 , 奥 氏 体 晶 粒 严 重 长 大 , 在 随 后 的 冷 却 过 程 中 二次 相 变 易 形 成 粗 大 的 粒 状 贝 氏 体 组 织 , 韧 性 严 重降 低 , 是 整 个 焊