厚板多層多道焊的有限元數(shù)值模擬分析

賀宏偉，剛發(fā)云，楊 娜

（廊坊廣廈新源石化設(shè)備制造有限公司，河北 廊坊065600）

1 引 言

多層多道焊的方法通常應(yīng)用在中厚焊板的焊接中，在多次焊接熱循環(huán)的影響下工件會(huì)出現(xiàn)非常復(fù)雜的溫度場(chǎng)變化，而溫度場(chǎng)的變化則直接影響著焊接的質(zhì)量，因此有必要對(duì)工件溫度場(chǎng)與焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行研究。在本文的研究中采用了一種非常簡(jiǎn)便可行的方法來(lái)分析的溫度場(chǎng)，即數(shù)值模擬技術(shù)。本文在計(jì)算多層多道焊的焊接過(guò)程以及瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分布時(shí)主要利用了ANSYS 有限元軟件中的單元“生死法”。

2 焊接溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型

2.1 邊界條件

將熱流和換熱邊界假定為測(cè)試工件的上下表面和周圍的邊界進(jìn)行處理：k gradT·n=-q+b(T-Tα)，其中邊界表面外法線方向用n 表示；表面換熱系統(tǒng)用b 來(lái)表示；單位面積上的外部輸入熱流用q 來(lái)表示；周圍介質(zhì)溫度用Tα來(lái)表示。另外，在本文的實(shí)驗(yàn)研究中室溫取293K。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在焊接的過(guò)程中輻射損失是熱能損失的主要形式，與此相對(duì)的是表面熱傳導(dǎo)的損失比較小，另外隨著溫度的不斷升高，會(huì)出越來(lái)越強(qiáng)烈的輻射換熱作用。當(dāng)溫度達(dá)到300℃左右時(shí)，輻射損失就會(huì)超過(guò)對(duì)流損失，這也就是說(shuō)當(dāng)溫度在300℃以下時(shí)，輻射損失要小于對(duì)流損失。此外，只對(duì)上下兩個(gè)表面進(jìn)行表面?zhèn)鳠釗p失的計(jì)算，其余的側(cè)面都不再進(jìn)行計(jì)算。

2.2 焊接熱源的選擇

在本文的實(shí)驗(yàn)研究中，在進(jìn)行電弧焊接的過(guò)程中，采用熱流密度為高斯分布的表面熱源，由此得出的溫度場(chǎng)結(jié)果最為滿意。不過(guò)對(duì)于每一條焊縫的上表面都要假設(shè)其是一個(gè)平面。高斯熱源的表達(dá)式為：q*=q*maxe-kr2，其中系數(shù)用k 來(lái)表示，熱源密度用q*來(lái)表示，離斑點(diǎn)熱源中心的距離用r 來(lái)表示。

3 建立幾何模型

3.1 實(shí)體模型

在建立實(shí)體模型時(shí)要以測(cè)試工件的幾何尺寸為依據(jù)，在本文的研究中選用Q235 鋼板兩塊，這兩件鋼板的長(zhǎng)寬高分別為：200mm、100mm、14mm。由于在本文的研究中采用的多道焊方法，因此不能應(yīng)用對(duì)稱的原則來(lái)簡(jiǎn)化處理模型，所以整個(gè)焊接構(gòu)件都是有限元模型。在進(jìn)行實(shí)際的焊接時(shí)還存在著兩個(gè)問(wèn)題：一是基體與焊縫填加金屬之間相互融化的問(wèn)題；二是先填加金屬與后填加金屬之間相互融化的問(wèn)題，對(duì)于這兩個(gè)問(wèn)題在有限元的計(jì)算過(guò)程中很難實(shí)現(xiàn)，因此需要將焊縫的幾何模型加以處理，使之成為比較規(guī)則的形狀，從而使模型得以簡(jiǎn)化。另外，由于存在余高，因此需要處理第三層焊縫的每一道上表面，使之形成比較小的弧面。

3.2 劃分網(wǎng)格

在整個(gè)焊接過(guò)程中，測(cè)試工件的加熱并不均勻，特別是在工件的焊縫處存在比較大的溫度梯度變化。在本文的研究中采用不均勻網(wǎng)格劃分的方法來(lái)劃分工件的網(wǎng)格，并采用加密的網(wǎng)格來(lái)劃分焊縫及其附近區(qū)域。對(duì)于距離焊縫比較遠(yuǎn)的區(qū)域，由于溫度分布梯度并不會(huì)出現(xiàn)比較明顯的變化，因此可以忽略其細(xì)節(jié)。

3.3 施加溫度載荷

完成工件的網(wǎng)格劃分之后，在利用高斯熱源進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算時(shí)，要對(duì)ANSYS 中的多載荷步功能進(jìn)行充分的利用，將當(dāng)前的熱流密度施加到每個(gè)載荷步，從而使高斯熱源能夠在工件表面隨著時(shí)間進(jìn)行移動(dòng)。之后單載荷步的施加載荷、載荷步時(shí)間控制的設(shè)置、載荷步選項(xiàng)的設(shè)置以及對(duì)輸出控制進(jìn)行求解都要重復(fù)進(jìn)行，一直到整個(gè)時(shí)間歷程的求解完成。

（1）熱源的簡(jiǎn)化。假設(shè)在焊接之前已經(jīng)存在由焊條或者焊絲填充的焊道部分，由于對(duì)于整個(gè)焊件來(lái)說(shuō)焊道部分并沒(méi)有占據(jù)較大的體積，因此對(duì)于整個(gè)焊接過(guò)程的熱傳導(dǎo)分析來(lái)說(shuō)以上的假設(shè)并不會(huì)帶來(lái)較大的影響。之后可以將有限元分析中的單元生死法充分的利用起來(lái)模擬多層多焊道。

（2）熱源的移動(dòng)。在實(shí)際的焊接過(guò)程中，隨著時(shí)間的變化熱源會(huì)在工件表面進(jìn)行移動(dòng)，因此溫度場(chǎng)實(shí)際上是一個(gè)函數(shù)并且隨著時(shí)間的變化而變化。不過(guò)對(duì)于模擬焊接瞬態(tài)過(guò)程來(lái)說(shuō)移動(dòng)的高斯熱源更加合適。不過(guò)在工件的表面要使高斯熱源隨著時(shí)間的移動(dòng)而移動(dòng)，還需要按照時(shí)間將施加熱載荷的過(guò)程劃分為一個(gè)個(gè)比較小的時(shí)間段。以L 為長(zhǎng)度沿焊接方向?qū)⒄麄€(gè)焊接結(jié)構(gòu)的焊縫等分為n 段，然后將當(dāng)前的熱流密度施加到每個(gè)時(shí)間段。這樣每當(dāng)開始加載下一個(gè)時(shí)間段時(shí)，上一個(gè)時(shí)間段中所加的高斯熱流密度就會(huì)被消除，而下一次加載的初始條件就是上一次加載所得的溫度場(chǎng)。每一次加載都是一個(gè)時(shí)間步，在這種情況下對(duì)各點(diǎn)依次進(jìn)行加載就可以對(duì)移動(dòng)焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行有效的模擬。

（3）數(shù)值模擬的結(jié)果。在以上的分析中溫度場(chǎng)的有限元模型已經(jīng)建立起來(lái)，各項(xiàng)參數(shù)也已經(jīng)在熱分析的過(guò)程中加以明確，這樣厚板多層多道焊的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果就可以計(jì)算出來(lái)。在熱源的移動(dòng)過(guò)程中，焊縫的熔池也發(fā)生移動(dòng)并且不斷向前，同時(shí)通過(guò)對(duì)每道焊縫焊接中間時(shí)刻的模擬溫度場(chǎng)分布圖的觀察可以發(fā)現(xiàn)：第一，在焊接熱源的前移過(guò)程中熔池也在移動(dòng)并不斷向前，同時(shí)溫度場(chǎng)的分布開始出現(xiàn)明顯的變化且呈現(xiàn)出連續(xù)性。剛進(jìn)行焊接時(shí)，由于在工件上施加熱源的時(shí)間較短，因此金屬的溫度在熱源的作用下超出熔點(diǎn)的溫度較低，同時(shí)熔池區(qū)域也并沒(méi)有較大的面積，在這種情況下隨著焊接的不斷推進(jìn)大幅增加了焊縫區(qū)的溫度以及基體部分的溫度，與此同時(shí)也加大了熔池區(qū)域的面積；第二，在焊接中間時(shí)刻，溫度場(chǎng)的分布情況表現(xiàn)的是處于穩(wěn)定狀態(tài)下的焊接過(guò)程，此時(shí)已經(jīng)基本穩(wěn)定的溫度場(chǎng)分布已經(jīng)近似于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布，以焊接方向?yàn)殚L(zhǎng)軸的橢圓形就是溫度場(chǎng)的形狀，可以看出它們的最高溫度分別是保持在1800℃和1900℃左右；第三，通過(guò)觀察第一層各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)，位于焊縫中心位置的焊接熱源，使兩邊的機(jī)體出現(xiàn)對(duì)稱性的受熱作用，并且其對(duì)稱性的溫度場(chǎng)分布在焊接過(guò)程中以及冷卻過(guò)程中都是相同的。另外，通過(guò)觀察第二層第一道各個(gè)時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)圖像中熱源的中心位置向上方偏出，從而使基體出現(xiàn)不對(duì)稱的受熱作用。與此同時(shí)，與圖像下方的基體溫度相比圖像上方的基體溫度明顯要高出許多。

4 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)焊接溫度場(chǎng)的比較

在焊接過(guò)程和質(zhì)量控制技術(shù)的研究過(guò)程中焊接溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)是非常重要的方向之一，同時(shí)還能夠?qū)碚撨M(jìn)行驗(yàn)證并對(duì)焊接溫度場(chǎng)方法精確程度進(jìn)行求解。在本文的研究中通過(guò)比較模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)以下三點(diǎn)：一是在ANSYS 中得到的是呈現(xiàn)出細(xì)長(zhǎng)紡錘形狀的高溫區(qū)形狀，并且具有較長(zhǎng)的尾部區(qū)域。而在實(shí)際測(cè)量中拍攝到的也是呈現(xiàn)出細(xì)長(zhǎng)紡錘形狀，并且具有較長(zhǎng)尾部區(qū)域的高溫區(qū)形狀。由此可見，就高溫區(qū)域的分布形狀來(lái)說(shuō)，仿真和實(shí)驗(yàn)基本上是一致的；二是，當(dāng)焊縫的中心位置不是焊接熱源的位置時(shí)，計(jì)算得到的溫度場(chǎng)的偏移情況與實(shí)際測(cè)量的溫度場(chǎng)的偏移情況相同；三是通過(guò)比較分析溫度場(chǎng)的最高溫度定量可以發(fā)現(xiàn)：實(shí)際測(cè)量得到的最高溫度與仿真中的熔池溫度基本相同，與實(shí)驗(yàn)溫度相比仿真溫度略高。造成以上誤差的原因主要有三個(gè)方面：一是公式中推導(dǎo)出來(lái)的熱物理參數(shù)理論值與實(shí)際值存在偏差；二是簡(jiǎn)化模型時(shí)所作的假設(shè)；三是熱像儀的原因。雖然紅外熱熱像儀具有比較高的精度，在實(shí)際的測(cè)量中出現(xiàn)的誤差非常小，但是在進(jìn)行焊接時(shí)，電弧所發(fā)出的弧光會(huì)在一定程度上影響紅外熱像儀的測(cè)量精度。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)分析比較模擬溫度場(chǎng)與實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)的可以發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果的溫度場(chǎng)分布以及高溫區(qū)的分布情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，這充分說(shuō)明了數(shù)值模型是有效的并且是正確的，希望能夠?yàn)橐院笙嚓P(guān)方面的工作提供一些參考。