基于數(shù)值模擬的中部槽多層多道焊接溫度場研究

郄彥輝，王秀紅，2，黃海新，胡海博

（ 1. 河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300130；2. 天津商業(yè)大學 理學院，天津 300134；3. 河北工業(yè)大學 土木工程學院，天津 300401）

基于數(shù)值模擬的中部槽多層多道焊接溫度場研究

郄彥輝1，王秀紅1，2，黃海新3，胡海博1

（ 1. 河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300130；2. 天津商業(yè)大學 理學院，天津 300134；3. 河北工業(yè)大學 土木工程學院，天津 300401）

利用 SYSWELD 有限元軟件，針對某型號中部槽之中板和槽幫間的多層多道焊接過程中的溫度場進行了數(shù)值模擬．利用修正的雙橢球熱源，模擬了雙絲電弧焊槍的移動加熱過程，得到了焊接過程中不同時刻的溫度場云圖，給出了熱影響區(qū)和焊縫表面特定點的溫度時間曲線．所得曲線和云圖可以比較真實的反映中部槽焊接時溫度場情況，為進一步研究中部槽的焊接變形和焊接殘余應力問題奠定了基礎，為指導中部槽的焊接生產提供了參考．關 鍵 詞 溫度場；多層多道焊接；中部槽；數(shù)值模擬

多層多道焊接是重型刮板輸送機中部槽加工的關鍵工藝，但焊接制造會產生分布極不均勻的殘余應力，導致中部槽的焊接區(qū)域產生裂紋，使其承載能力和可靠性降低，難以滿足煤炭開采的高可靠性要求．因此中部槽的焊接研究，成為刮板輸送機研究的熱點之一．雷學敏等[1]針對 SGB630/220 型刮板輸送機中部槽，給出了手工二氧化碳氣體保護焊時較合理的焊接工藝．韓金明、魏占靜等[2-3]采用德國 CloosTandem 雙絲焊接設備和雙立柱龍門式焊接系統(tǒng)代替手工二氧化碳氣體保護焊，解決了中部槽中板和槽幫間焊接時熔深無法保證、焊接效率低的問題．李晉霞[4]針對槽幫拼接式中部槽進行了研究，改進了槽幫凸凹端頭的焊接工藝及焊后熱處理流程．顏進、王錦夏[5]對中部槽雙絲焊接工藝措施和焊接參數(shù)的選擇進行試驗研究．

但是上述研究均是從實驗角度出發(fā)，為了確定合理可行的焊接技術方案往往需要幾次乃至幾十次試驗，其研究需要花費大量的人力和物力、周期長、成本高[6-7]，而理論解則因為焊接過程變量繁多和非線性的存在亦難以得到，所以數(shù)值模擬技術成為研究中部槽焊接問題的主要和必然手段[8-11]．數(shù)值模擬不僅能在節(jié)省大量經費開支的條件下針對不同的邊界條件進行多次模擬，得出不同邊界條件的焊接溫度場結果，還可以通過與現(xiàn)有實驗對比確定一些實驗手段難以采集的技術參數(shù)，為從根本上闡述中部槽焊接變形和焊接殘余應力的產生機理問題，探討中部槽合理的焊接工藝方案奠定基礎．

1 物理模型的建立

中部槽的焊接是兩種不同材質的中板和槽幫構成的多層多道焊接，其溫度場分析屬于高度的瞬態(tài)非線性問題[7-9]，在焊接過程中焊縫區(qū)溫度急劇變化產生較大的溫度梯度，因此建立能精確描述瞬態(tài)非線性傳熱過程的熱物理模型是解決焊接溫度場模擬問題的關鍵．

1.1 單元模型

為了在提高計算速度的同時，保證計算精度，采用八節(jié)點六面體單元并利用局部網格加密技術對中部槽模型進行網格劃分．劃分完成后的網格模型如圖1所示．

1.2 熱源選擇與修正

中部槽的實際焊接工藝為厚板對接雙絲電弧焊，為了提高模擬計算的精度，采用適合三維厚板焊接的雙橢球熱源模擬焊槍的移動加熱[8，10-11]．由于 SYSWELD 軟件內嵌雙橢球熱源模型與實際中部槽焊接熱源模型存在一定的差異，會導致中部槽焊接溫度場的計算存在較大誤差．因此，需要對其熱源模型進行二次開發(fā)，以修正雙橢球熱源模型的相關參數(shù)．修正后雙橢球模型熱源中心溫度約 2200℃，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)與熱感應區(qū)適合于中部槽的多層多道焊接，可以用于模擬實際焊槍的移動加熱過程．修正的熱源模型如圖2所示．

1.3 邊界條件

中部槽在熱源移動加熱過程和冷卻過程中會與周圍空氣介質進行熱交換，其相應的邊界條件方程為：

圖1 中部槽體單元模型Fig.1 Finiteelementmodelofm iddle pan

圖2 修正后的雙橢球熱源Fig.2 Modified doubleellipsoid heatsource

式中： 為表面換熱系數(shù)，T 為周圍空氣溫度 20 ℃ ，Ts為中部槽表面上的溫度，nx、ny、nz為中部槽外法線的方向余弦．

2 中部槽的焊接順序

鑒于研究的中部槽焊接模型屬于大厚度對接電阻焊，在數(shù)值模擬時的每道次焊縫高度以不超過7 mm為宜，故采用多層多道焊的焊接工藝，即開K型坡口六道次焊縫上下交替進行焊接的工藝順序，如圖3所示．這樣不僅保證了各道次焊縫在5 mm的理想高度，且第1道次的焊接對第2道次的焊接有預熱作用、第2道次的焊接對第1道次的焊接有緩冷作用，可以減少裂紋的萌生幾率．

6個道次焊接時，焊槍的移動速度相同，熱輸入效率相同，但是單位長度的焊接能量輸入不同，具體參數(shù)如表1 所示．

圖3 焊接順序Fig.3 Welding sequence

表1 各道次焊接時單位長度輸入能量Tab.1 Energy heatperunit length atdifferentwelding-passesof them iddle pan

3 溫度場的數(shù)值分析結果

在第一道次焊接的熱源加載初期，由于能量輸入較高，焊縫溫度快速上升，但熱量在中板和槽幫上傳遞相對緩慢，熱影響區(qū)較小；熔池中心溫度達到 2 293 ℃ ，略高于焊接準穩(wěn)態(tài)時的溫度峰值．隨著焊接繼續(xù)進行，焊縫的最高溫度略有下降并快速趨于穩(wěn)定時的峰值．

當焊接開始，溫度超過焊材的熔點溫度時，中部槽與焊絲在較小的熔池下進行焊接，熱源初步顯示出橢球型形狀；隨著焊接的進行，熔池逐漸增大，熱影響區(qū)也隨之變大．圖4顯示了中部槽第1道次焊接時的不同時刻焊接溫度場的動態(tài)變化情況，以及焊縫材料隨熱源移動的填充過程．從圖4可以看出，第1道次焊接過程中不同瞬時溫度峰值變化較小，最高溫度峰值在 2 170 ℃左右；熱影響區(qū)覆蓋整個焊縫，且在熱影響區(qū)內溫度呈準穩(wěn)態(tài)分布，溫度場隨時間呈線性變換．在焊接過程中，焊縫及其周邊區(qū)域的溫度梯度較大．對比熔池前后的溫度，熱源前面的溫度等溫線密度較大，即溫度梯度較大，而在熱源后面的等溫線明顯較前面稀疏很多，梯度明顯變?。?/p>

圖4 第1道次不同時刻的溫度等值線圖Fig.4 Temperature contoursat the different timewhen the firstweld pass

第 1 道次焊接完成后，依次焊接第 2 至第 6 道次，由于第 2、4、6 道焊縫分別與 1、3、5 道焊縫的焊縫形狀，熱源函數(shù)及能量參數(shù)等焊接工藝參數(shù)對應相同，也就是說，第1道焊縫與第2道焊縫溫度場分布基本相同，同樣的，第3與第4道焊縫、第5與第6道焊縫的溫度場分布也基本相同．經過分析還發(fā)現(xiàn)，第2至6道次焊接溫度場的分布趨勢與第1道次焊接時基本相同，在焊接開始時，焊縫溫度迅速升高，熱源加熱區(qū)焊材溫度迅速升至準穩(wěn)態(tài)溫度峰值后依照焊接速度隨熱源前進，與此同時溫度場在中板及槽幫上逐步擴散形成準穩(wěn)態(tài)溫度場，距離焊縫越遠溫度越低．第2至6道焊縫與第1道焊縫不同的是，除了焊接溫度受到上一道焊縫余熱的影響外，亦受到不同焊縫尺寸及不同能量輸入等因素的影響，熱源中心處的最高溫度比第1道次時略高．

為了顯示在焊接過程中焊縫上節(jié)點的溫度隨時間的變化規(guī)律，繪制了第5道焊縫上從起弧端開始到收弧端結束的 14 個節(jié)點的選取示意圖及其溫度-時間曲線，如圖5 所示．各節(jié)點之溫度時間曲線的最高點均超過了焊材的熔化溫度，并且各曲線的特征相似，除起弧和收弧階段的溫度最高值較高外，焊縫中間區(qū)域呈現(xiàn)準穩(wěn)態(tài)的溫度分布，最高溫度均穩(wěn)定在 2 280 ℃左右．

熱源前端相比熱源后端溫度梯度大，說明熱源的加熱速率大于中部槽材料的散熱速率[12]．其原因是由于熱源尚未到該節(jié)點位置時，熔池內的高溫金屬就會對其產生預熱作用，而當熱源移動到該節(jié)點位置時節(jié)點溫度達到峰值，隨著熱源繼續(xù)移動離開該節(jié)點時，但該節(jié)點還處于熔池內，減緩了冷卻速度．

雖然在整個焊接過程中熱源的加熱和中部槽的散熱速率是隨時間變化的，但在焊接溫度場達到準穩(wěn)態(tài)時，焊縫附近的加熱速率和冷卻速率卻近似不變，保持穩(wěn)定．以第 5 道次焊接為例，時間為 258 s、270 s、290 s 、304 s時刻最大熱速率分別為 1 068.95 ℃/s 、1 068.14 ℃/s、1067.72 ℃/s、1066.71 ℃/s，最大冷卻速率為 427.49 ℃/s、 427.57 ℃/s、 427.59 ℃/s、427.62 ℃/s ．焊縫區(qū)域的最大加熱速率平均值為1 067.79 ℃/s，最大冷卻速率平均值為 427.57 ℃/s．最大加熱速率誤差不超過 0.1% ，最大冷卻速率誤差不超過 0.02% ，認為穩(wěn)定狀態(tài)下熱源的加熱與冷卻速率保持穩(wěn)定．

在全部6個道次焊接過程結束的瞬時，中部槽仍然處于較高的溫度水平，且分布極不均勻，隨著冷卻時間的增加，其熱量逐漸散失．但是由于溫度分布不均且散熱不均導致中部槽較大的溫度變化，而這會導致中部槽產生較大的應力和變形．為了研究中部槽在空冷過程中的溫度和能量變化，在圖6中給出冷卻過程的不同時刻的中部槽溫度云圖．

圖5 第5道焊縫節(jié)點選取與溫度時間曲線Fig.5 Node selection diagram along the fifth passweld centerline and temperature-time curves

圖6 各冷卻時刻溫度場Fig.6 Temperature field in air cooling

由圖6中溫度云圖可知，在焊后冷卻過程中，靠近焊縫的區(qū)域溫度變化梯度較大．為了描述中部槽槽幫上靠近焊縫處不同節(jié)點的溫度變化規(guī)律，在槽幫表面焊縫區(qū)附近由近到遠的選取垂直于焊縫的3個節(jié)點：m（9 699）、n（9 698）、p（9 564） 繪出溫度時間歷程曲線，如圖7 所示．其中 m 點溫度變化最大，在 340 s左右節(jié)點溫度達到最高，接近 1 500℃ ，這是因為m點更靠近焊縫，移動熱源和殘余熱量對它的影響很大；而p點溫度變化一直相對穩(wěn)定，在整個焊件冷卻過程中，最大溫差在 100℃左右．熱源對中板及槽幫遠離焊縫的區(qū)域的影響比較小，因為熱源所產生的熱量主要用于熔化焊絲以及焊縫附近的金屬．焊接過程中距焊縫遠近不同，其最大溫差的明顯不同，這是導致中部槽在冷卻過程中發(fā)生變形和應力的主要原因．

圖7 焊接及冷卻過程中槽幫表面上不同節(jié)點的溫度變化曲線Fig.7 Temperature-time curveof three points in them iddle pan

4 結論

1）在中部槽焊接過程中，溫度場是一個動態(tài)的變化過程，每道焊縫在開始焊接 2 s左右時，溫度場開始進入準穩(wěn)態(tài)，溫度場的梯度與范圍基本不變，隨時間均勻的向前移動，呈線性變化．

2）中部槽焊縫區(qū)域的溫度場隨熱源的移動急劇變化，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的加熱速率高于散熱速率，且熱影響區(qū)的加熱速率、散熱速率及最高溫度決定于到焊縫的距離，離焊縫越近，加熱及散熱速率越大，最高溫度也越大．

3）焊接溫度場達到準穩(wěn)態(tài)時，中部槽焊縫附近的加熱速率和冷卻速率近似不變，保持穩(wěn)定．

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[責任編輯 楊 屹]

Study of themulti-layerandmulti-passwelding temperature field of m iddle pan based on numericalsimulation

QIEYan-hui1，WANG Xiu-hong1，2，HUANG Hai-xin3，HU Hai-bo1
(1.SchoolofMechanicalEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin300130,China;2.Schoolof Science,TianjinUniversity of Commerce,Tianjin 300134,China;3.Schoolof Civil Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

Temperature field formulti-layerandmulti-passwelding of them iddle panwassimulated by SYSWELD code. Themobileheating processof tw inw irearcweldingwassimulated by themodified doubleellipsoid heatsource.Thewelding temperature fieldwhen differentwelding-passesof them iddlepanwereobtained.The temperaturehistoriesofspecified nodewere drawn which to appointon the centerline and in the heat-affected zone of the fifthweld pass.The results show thatboth the temperature field and temperature-timediagram are in accordancew ith the fact.These lay a foundation forstudy ofwelding deformation field and residualstress field form iddlepan,and also provideavailable reference for the weldmanufactureofm iddle pan.

temperature field;multi-layerandmulti-passwelding;m iddle pan;numericalsimulation

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.05.013

1007-2373(2014)05-0072-05

TG404

A

2014-06-29

河北省自然科學基金（E2011202011）

郄彥輝（1976-），男（漢族），副教授，博士．