双圆弧埋弧焊熔池成形特征的数值模拟外文翻译资料

双圆弧埋弧焊熔池成形特征的数值模拟

Kuanfang He*, Jun Chen, Siwen Xiao

湖南省机械设备健康维护重点实验室, 湖南科技大学，湘潭，中国

Email: *hkf791113@163.com

Received January 4, 2012; revised February 6, 2012; accepted February 18, 2012

摘要：宽度比长度的概念被提出来描述双弧埋弧焊熔池的成形特征，并分析了熔池的变化规律和熔池的形成规律。通过建立双圆弧运动的温度场有限元数值模拟模型，讨论双椭球热源的双圆弧加载形式，在不同工艺参数下对双弧埋弧焊熔池温度场进行了计算和分析，分析了焊接速度、电流、电压等因素对双弧焊接参数的影响规律。根据长宽比，讨论了熔池成形特征与焊缝成形的关系。结果表明，随着焊接速度的提高，焊缝熔池长度的宽度逐渐减小，从而导致焊缝缺陷的产生。通过调整电流、电压和距离的比例，增加熔池长度比，避免了焊缝缺陷的产生。

关键词：双圆弧埋弧焊；成形特征；宽度比；数值模拟

1. 简介

双弧埋弧焊技术比较复杂，特别是热特性有很大的不同，从而影响形成的熔池特征[ 1,2 ]。在双弧埋弧焊的工艺，工艺参数对熔池的形成至关重要，它直接影响热量、动量和熔池的质量，并对焊缝成形有一个进一步的决定。因此，在不同工艺参数下，对双弧埋弧焊熔池形态特征进行重新寻找，对焊缝成形机理的研究具有重要意义。随着计算机技术的发展，数值模拟是获得全收藏了解焊接过程的有效方法。熔池温度场的数值模拟是研究焊缝成型机理的一种重要方法[3,4]，为焊接工艺的优化和数字化控制提供必要的数据和理论基础。

在对热源的加载方式研究中，首先，提出了一种最常用的点、线、面热源的解析模型[ 5 ]。首先对焊接过程中的表面熔化过程进行了模拟，提出了点热源[ 6 ]。

在熔化区内作为热源的单位被用来设计计算焊接传热过程的程序，考虑到材料的物理性质和温度，程序中采用了不同的方法[ 7 ]。在此基础上，提出了一种在空间中焊接热源的高斯分布数学模型，那么其他钼模型基于高斯分布如半球形分布，椭球分布，双椭球分布被用来计算温度场[8,9].。这些热源大部分被应用在各种焊接温度场的数值模拟结果的情况上。最近，基于双埃尔- lipsoid的热源模型，双丝焊接热源模型被提出来[ 10 ]，本文采用这些做好我们的工作。

最近，进行了焊接数值模拟。 Dong et al. [11]提出了多道焊件的焊接残余应力的数值分析，本文研究了双椭球体的双动源，在多通焊接板的残余应力预测中的两个移动源。为了掌握熔池变化规律及焊缝成形规律，用有限元法对熔池温度场进行了数值模拟。

建立了瞬态数值模型，提供详细的数据来观察激光复合固定点铝合金焊接过程中的传热与流体流动的性质[12]。对TIG焊接熔池几何的发展动态进行了数值模拟分析，以及影响电弧运动对熔池的几何形状进行了讨论[ 13 ]。用面体组合热源模型，利用ANSYS模拟激光深熔焊接对5A06铝合金筒体结构的温度场，它是由高斯面热源模型和高斯旋转体热源模型、辐射和传导都有定的仿真过程[ 14 ]。Aval et al. [15]研究理论、组织结构和熔池几何形状的304不锈钢氩弧焊过程中的实验，通过求解304不锈钢在准稳态条件下的传热和流体流动的控制方程，预测了钨极氩弧焊接过程中温度场和熔池的几何形状。他们的研究重点分析了熔池的成形特征和工艺参数对焊缝成形的影响。考虑到多场耦合，研究了磁场对熔池温度场的影响。Lin et al. [16]介绍了ANSYS multicoupled分析功能以及分析了外部纵向磁场对运动的钨极氩弧焊熔池，分布的电流密度和磁场的影响等，在移动熔池以及流体流动与传热中，进行系统地研究和探讨并认识和揭示在一个移动的GTA焊接熔池外加纵向磁场对金属液的影响。Zhu et al. [17]利用有限元方法分析了汽车车身钣金件的投影焊接。一个全面的有限元方法采用子程序连接起来的商业软件ANSYS子模块，被提出来进行在定量去尾进行投影焊接的分析。目前，基于埋弧焊的电弧热源模型及熔滴热输入的分析，ANSYS参数化设计语言应用于开发高速度双弧埋弧焊接过程的三维温度场数值模拟子程序[18]。

在前人研究的基础上，提出了双圆弧埋弧焊熔池成形有限元分析的概念，并对熔池成形的有限元分析方法进行了描述。我们分析了熔池变化规律和焊缝成形规律。第二节建立了双圆弧运动的温度场有限元数值模拟模型。第三节计算熔池温度双电弧温度场不同工艺参数下的埋弧焊接，分析了熔池的特点，焊接速度的影响规律，双弧电压和电流埋弧焊的焊接参数。在第四部分，根据宽度与长度的比值，进一步讨论了熔池成形特征与焊缝成形的关系。结论部分在第五节。

2。数值仿真建模

图1中所示的是实际模型示意图。面对中板表面焊接复活来做模拟分析，材料为低碳钢Q235，焊接工件的尺寸为200mmX100mmX20mm，焊缝位于焊件的X-Y平面中心线。弧中心沿轴移动。热物理性能性能参数导热系数（W／m·°C），传热系数（W/m2·°C）、密度（公斤/立方米），比热（J／kg·°C）、熔点（°C）和工件的初始温度（°C）。在本文中，工件的初始温度是室温20°C。材料是各向同性并且在温度变化范围内，根据下列温度函数计算各热物理性能参数[19]。热系数： =54.3-0.000042,比热：，密度：,传热系数：,插值是热物理在未知的温度范

图1 实践模式示意图

围内进行了力学性能参数[20] 。

2.1 有限元模型与网格划分

三维八节点单元SOLID70，作为有限元模型生成有限元。计算相关的单元分割密度，如果网格太粗，结果可能包含严重的错误。电子设备密度越高，结果越精确。但如果网格太细，它将花费太多的时间计算而却浪费计算机资源。因此，采用合适的细网格，在焊缝中，获得较高的元件密度，并保证计算精度。在远离焊接热源的地方使用粗网格，因为温度梯度很小。这样它就可以兼顾计算精度和速度。有限元模型的网格划分为图2。此外，由于几何形状和载荷分布沿焊接线中心线呈对称分布，为了节省计算时间，可以计算了模型的一半。

2.2 边界条件

焊接温度场分析是非瞬态热传导的一个典型的问题，三维度的三维温度场的控制方程可以给出： (1)

其中Q(x，y，z，t)是求解域V内热源强度，T是温度场分布函数，lambda;是导热系数、rho;是密度，C是物质的比热。上面的表达式是一个普遍的定义方程，为了得到某些解，需要确定解的条件，即边界条件和微分方程的初始条件。焊接温度场的计算往往需要这些边界条件：

1. 第一类边界条件，边界温度实现：

（2）

1. 第二类边界条件，热流密度分布：

（3）

1. 第三类边界条件，热交换边界对象和环境介质：

(4)

在表达式（2），（3）和（4）中，是单位面积的外部热量，是表面热换系数，是表面温度，是环境介质温度，分别为外法线方向余弦。

2.3 热源模型

高斯热流分布函数是目前常用于电弧焊接温度场仿真中的一种，适用于小型规范和弧动量效应的情况，如手工电弧焊接和氩弧焊接。在埋弧焊过程中，规格比较大，这是一种大弧动量效应的焊接方法，而且双椭球热源分布函数比高斯热流分布函数更适合数值温度模拟。模型的热量主要集中在工件上的双椭球上，给出了一个移动单弧热源的双椭球热源模型的数学表达式：

（5）

其中Q是双椭球高斯体的热流密度，它的单位是。Q是是焊接电源的有效功率，它的单位是W，和是第一和后半部分模型的能量分布系数，它满足关系：，和c是椭圆模型上x，y，z方向的热场拦截热流。

图2 有限元网格

3 模拟结果与讨论

APDL（ANSYS参数化设计语言）是他们用来实现预处理工件的载荷和边界条件，线性搜索和自动步骤时长的方法来提高计算精度和处理元素的消亡与诞生，和全牛顿迭代法解。在表1中给出了双弧埋弧焊的参数，计算结果如图3所示，图3中的曲线轮廓的熔池表明Q235钢的熔化温度，它类似于从实际测试中的低碳钢池表面大小。在图3中，我们可以发现，熔池轮廓呈前小后大的双椭圆形，沿焊接方向的表面（X-Y）和部分（Y-Z），这是因为二次热源对第一热源的影响很大，有着很大的加深穿透作用，这说明了基金属的两次加热过程。

焊接熔池的几何形状的几何参数主要包括：熔池最大宽度Bmax、熔池长度L和熔池深度H。熔池的最大宽度Bmax定义为熔池边界点之间垂直于焊接方向的最大距离。焊接熔池长度L为熔池的头和尾之间的距离。焊接熔池深度H为两个平行于焊接方向的焊接熔池边界点的最大距离。从图3可以看出最大焊接宽度和穿透力在不同的剖面上，最大穿透率是在最大宽度的后面，距离为X，焊接速度为，沿池深方向融化的速度为，电弧在最大穿透处的加热影响时间为t，然后，焊接速度为常数，距离X的表达式为：

(6)

表1 计算条件

图3 焊接熔池的计算轮廓和实际表面

从表中可以看出，距离X和焊接速度成正比，而且和沿池深方向融化的速度为成反比。焊接速度越大，距离X也越大。在高速焊接过程中，距离X对焊接熔池行为有重大的影响，较大时，难以保证焊接质量，也导致焊缝出现咬边和驼峰现象。

为了描述影响高速焊接熔池焊缝成形的规律，这里介绍了焊接熔池宽度与焊缝长度的比值，表示为，最大焊缝宽度和焊缝长度之比,最大焊缝宽度为B,熔池长度为L，这样可以表示为，

（7）

定义这些尺寸参数的目的是进一步分析影响双圆弧高速埋弧焊焊接熔池行为的因素。

4 讨论

4.1 焊接速度对熔池形状的影响

根据表2和表3中的参数，计算了单弧焊和双弧焊焊接速度的变化情况，结果显示在表4。

表2 计算条件

表3 计算条件。

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