第２５卷第５期
焊接学报ｖ。１．２５Ｎ。．５２００４年１０月ＴＲＡＮＳＡＣＴｌ０ＮＳ０ＦＴＨＥＣＨＩＮＡＷＥＬＤＩＮＧＩＮＳＴｎ’ＵＴｌ０Ｎ０ｃｔｏｂｅｒ２０Ｏ４
考虑金属逐步填充的多道焊温度场数值模拟
孟庆国，方洪渊，徐文立，姬书得
（哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨１５０００１）
摘要：采用“单元死活”有限元技术自行编制了控制焊接过程金属填充的子程序，利
用Ｍａｒｃ有限元软件以低碳钢为例进行了三维多道焊温度场的数值模拟。实现了模拟
过程中焊接材料的逐步填充，温度场计算结果与试验测量值十分吻合。将计算结果与
未考虑材料逐步填充的多道焊计算结果进行了比较。结果表明，是否考虑金属逐步填
充对多道焊计算结果影响很大，在多道焊次数较多时不可忽略。为更准确的多道焊应
力分析打下了基础。
关键词：数值模拟；多层多道焊；温度场
中图分类号：ＴＧ４４文献标识码：Ａ文章编号：眈５３—３印ｘ（２００４）晒一５３—０４孟庆国
０序言
近年来随着计算机性能和有限元技术的发展，对三维焊接过程数值模拟的研究受到了越来越多焊接研究人员的注意。如ｃａｍｉｑｎａｎｉ¨３作了激光焊接厚板的数值模拟工作，斯坦福大学的ＨｉｕＭｉｃｈａｅｌＲ”ｏ用数值模拟的方法研究了不同板厚的残余应力等。在厚板焊接中，考虑到焊接方法熔宽及熔深大小的局限性，一般采用多层多道焊的方法，而多层多道焊的模拟涉及到金属的逐步填充问题，这在数学建模上比较难以实现，这种情况下一般采用将模型简化为二维或者不考虑逐步填充，材料一开始就全部填人焊道的方法”１。这些方法从不同程度上降低了模拟的精度，都不是太理想。现在有限元计算中的单元“死活”技术提供了解决这种问题的一种方法，作者利用此方法，在Ｍａｒｃ软件的基础上开发了控制金属逐步填充的子程序，在低碳钢上进行了开Ｙ形坡口的多层多道焊的温度场模拟。
１有限元模型的建立
１．１电弧热输入
目前描述焊接热源的模型大致有四种，其中Ｇｏｌｄａｌ【提出的双椭球形热源㈧对于厚板焊接比较适用，此模型中热流密度沿长轴呈高斯分布，前后两部分为不同的椭球形热源，这种形式最大程度的模
收稿日期：２００３—１１—１３
基盒项目：国家８６３计划项目（２∞２＾＾３０５４０２）拟了熔池的形状，其形式如图ｌ所示。
图１双椭球型热源模型
Ｆｉｇ１Ｄｏｕｂｌｅｅ｜｜ｉｐｓｏｊｄｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｍｏｄｅＩ
前半部分椭球热源表达式为
ｇ（”而￡）：骂“弼＋呼），（１）
口６ｃ、１ｒ√霄
后半部分椭球热源表达式为
ｇ（Ⅵ而ｔ）：骂“螂＋半），（２）
口６ｃ２宙√盯
式中圻和工是热流密度分布系数■＋，＝２；Ｑ为热源总功率，Ｑ＝叩，ｎ＂为焊接热效率。
文中计算时参数取值为＾＝０．６，，＝１．４，＿＝０．７，ｃ１＝２ｍｍ，ｃ，＝６ｍｍ，Ⅱ＝４ｍｍ，６＝３ｍｍｏ１．２焊丝熔敷速度
多道焊建模时要将填充金属考虑进去，所以要知道每一层焊道的大小以及体积。这靠焊丝的熔敷速度来确定。ＪａｎｅｚＤｓｃ通过分析焊丝直径，干伸
长度，电流强度等因素的影响，采用多重回归分别获
万方数据
万方数据
第５期孟庆国，等：考虑金属逐步填充的多道焊温度场数值模拟５５
３数值模拟与试验结果对比分析
文中采用的焊接方法为ＭＩＧ焊，焊接规范为：第一层焊道为打底焊，电压２０Ｖ，电流为６５Ａ，焊丝直径为２．５ｍｍ，焊接速度为２．５ｍｎ∥ｓ；第二层电压为２２ｖ，电流为１３５Ａ，焊丝直径为４ｍｍ，焊接速度为１．６ｍｎ∥ｓ。第一层与第二层间时间间隔为１２０ｓ。试验采集点分布如图２所示，利用镍铬一镍硅热电偶来进行温度的测量。图５为数值模拟得到的第一层焊道焊接时板的温度场分布。从图中可以看出，在热源前端焊道里的材料温度为零，这是因为这部分没有填充的材料，也就没有温度。而热源走过的部分温度则为正常值，表示这部分填充了焊道。这与实际的焊接填充非常吻合。
图５第一焊道时温度场分布
Ｆｉｇ５Ｔｅｍｐｅ旧ｔｕｒｅｆｉｅＩｄ’ｓｄｉｓｔｒ晒ｕｔｉＯｎＯｆ
ｔｈｅｆｉｒｓｔｗｅＩｄｉｎｇｐａｓｓ
为了考察材料逐步填充这种更真实的情况对温度场计算结果的影响，文中作了未考虑材料逐步填充的比较计算，采用完全一致的物理模型和网格划分方式。不同之处在与焊道上的单元在计算之前并没有杀死。图６为试验测量的热循环曲线与分别采用上述两种计算方法得到的结果的对比。在图中１增量步＝０．５ｓ。
通过比较可看出，三个采集点由于距焊道距离的不同到达热循环峰值温度的时间也有差异，在进行第一道焊接时，第一点在３２．５ｓ时达到峰值，第二点在４３．５ｓ时达到峰值，第三点在５５ｓ时达到峰值。与预期的结果一致，在三个采集点处的热循环曲线，都是考虑焊接材料逐步填充的温度场计算结果与试验结果的吻合效果比未考虑逐步填充的温度场吻合效果要好得多，说明了采用这种处理方法的正确性与必要性。另外未考虑材料逐步填充的计算温度比考虑后得到的温度普遍偏高，但是在温度较高的第二道焊时差距却减小了。以上现象的产生作者分析认为是由于未考虑材料逐步填充时，一次将材料全部填入焊道，这些材料过早参与热传导，增大了＿导热面积，导致热量的传递更容易，所以温度偏高，但是低碳钢在温度升高到一定程度后热传导系数减小，所以在温度较高的第二道焊时差距反倒减小了。由此可推出，当模拟热传导系数随温度升高而逐渐增大的材料时，焊道越多，构件温度就越高，温差就会越来越大。所以在进行次数较多的多层多道焊模拟时，不考虑材料的逐步填充会对结果的准确性产生很大的影响。
ｌ０００
８００
堇６００
簧４００
２００
７００
６００
ｕ５００
≥
４００
蓍３００
２００
１００
０１００２００３００４００５００６００
增量步
（ａ）ｌ号试验点
Ｏ１００２００３００４００５００６００
增量步
（ｂ）２号试验点
增量步
（ｃ）３号试验点
图６试验测量与计算得到的热循环曲线比较ＦＩｇ６ＣＯｍｐａｒｉｓＯｎｏｆｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄ
ｔｈｅｒｍａＩｃｙｃｌｅｃｕｒｖｅｓ
［下转第５９页】 万方数据
万方数据
考虑金属逐步填充的多道焊温度场数值模拟
作者：孟庆国， 方洪渊， 徐文立， 姬书得
作者单位：哈尔滨工业大学,现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨,150001
刊名：
焊接学报
英文刊名：TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
年，卷(期)：2004，25(5)
被引用次数：3次
参考文献(5条)
1.Janez D Sc Mathematical modeling of melting rate in twin wire welding 2000(1-3)
2.John Goldak A new finite model for welding heat source 1984(02)
3.李国成;王靖涛;曾静大型箱型梁对接焊的三维数值模拟[期刊论文]-工业建筑 2002(11)
4.Hill Michael R;Nelson Drew V Determining residual stress through the thickness of a welded plate 1996
5.Carmignani C;Mares R;Toselli G Transient finite element analysis of deep penetration laser welding process in a singlepass buttwelded thick steel plate 1999(03)
相似文献(10条)
1.学位论文李慧娟厚板多层多道焊的有限元数值模拟分析2007
厚板焊接多应用于复杂结构中，在焊接制造过程中，由于焊接热循环的存在，不可避免地会产生焊接残余应力和变形。开展焊接过程温度场和焊接热应力场的数值模拟研究，为控制、调整和减少焊接残余应力提供理论依据，具有重要的学术价值和实际应用意义。
本文以平板对接问题为例，以ANSYS软件为平台，对厚板大型结构多层多道焊接过程中的温度场和应力应变场进行了有限元模拟，具体阐述如下。 首先，建立了平板对接的几何模型，根据多层多道焊的实际焊接过程，建立了三层六道的几何模型，并根据具体的要求划分了尺寸不一的网格。
其次，在温度场分析中，将热过程模拟为表面施加的具有高斯分布的热流密度载荷，利用生死单元对焊缝金属的填充、熔化和凝固进行了有效模拟，获得了比较接近于实际的分析效果，并且使用APDL语言编制了循环加载求解的命令流，简化求解过程。同时，计算了不同焊接规范下的温度场，便于合理选择工艺参数，用以指导生产。使用FLUR公司S65型热像仪，实测了Q235焊接过程的温度场，并且和ANSYS求解得到的温度场进行比较。结果表明
，模拟结果的温度场形状与实际情况吻合良好。
最后，在应力场分析中，在热弹塑性力学的基础上，建立了应力应变场模型，通过热-力场间接耦合，将温度场耦合入应力应变场，计算得到了焊后残余应力场。
2.期刊论文李慧娟.黄振华.张京焘.Li Huijuan.Huang Zhenhua.Zhang Jingtao厚板多层多道焊的数值模拟分析
-宇航材料工艺2007,37(5)
在建立厚板多层多道焊的三维有限元数值分析模型的基础上,利用ANSYS软件中的单元"生死"技术处理多层多道焊问题,模拟得到了厚板多层多道焊时的温度场分布规律,并利用红外热像仪实时测定了实际焊接过程的温度场.比较实测温度场和模拟温度场的结果表明,模拟结果与试验结果基本吻合,证明所建数值模型是正确的.
3.学位论文郑振太大型厚壁结构焊接过程的数值模拟研究与应用2007
为了对大型水轮机蜗壳的焊接残余应力和变形进行数值模拟，本文首先对焊接热源模型及多层多道焊的温度场进行了研究。焊接温度场的准确定量是焊接应力应变分析的前提。温度场包含了焊接过程的充分的信息，其研究结果对焊接基本问题的认识和焊接结构的生产具有重要的作用。
在对已有热源模型分类并仔细分析典型热源模型的基础上，提出了动态热源模型的概念和热源模型的三要素。并结合红外成像实验，对短路过渡CO2气体保护焊的温度场进行了研究。发现在熔池及其邻近区域的温度场呈现锥形加喇叭形的分布特点，不同于以往TIG焊和手工焊条电弧焊的高斯分布。在上述研究的基础上，建立了结合电弧热流高斯分布和熔滴热流锥形分布的结合型的热流分布模式。并经实验验证以及与高斯热源模型的数值模拟结果进行比较，证明其应用于有熔滴过渡行为的能量密度更加集中的GMAW的数值模拟结果较好。
此外，在分析多层多道焊的热流特点的基础上，对多层多道焊具体的工艺条件及对流辐射条件的动态变化对温度场的影响进行了研究，提出了分层采用不同的热源模型的数值模拟方法。并对每层宜采用的不同的热参数进行了研究，得出了计算各层热效率值的经验公式。此外，重点对双椭球热源模型的热流分布参数的取值规律和不同取值所造成的最大热流密度的误差进行了分析，得出了热流分布参数的一些取值规律。经实验验证，综合应用这些研究结果而建立的多层多道焊数值分析模型是有效的。
基于上述研究结果，对二滩水电开发有限责任公司的大型水轮机蜗壳的焊接过程进行了数值模拟。研究了蜗壳的两种典型焊接结构和典型焊缝，即蜗壳瓦片纵缝焊接和管节组装环缝焊接的应力变形特点，研究结果对蜗壳的焊接生产具有重要的指导作用。
4.期刊论文孟庆国.方洪渊.杨建国.姬书得.Meng qingguo.Fang Hongyuan.Yang Jianguo.Ji Shude多道焊温度场
数值模拟及其分布规律的研究-机械工程学报2005,41(1)
采用单元"死活"的方法进行了三维状态下低碳钢多层多道焊温度场的数值模拟,实现了模拟过程中焊接材料的逐步填充,计算结果与试验结果十分吻合.在此方法的基础上进行了厚板LY16高强铝合金多层多道焊的数值模拟,对其温度场分布规律进行分析,研究了焊道间隔时间对温度场分布的影响,通过计算每一焊道节点的最大温度升高值做出了节点最大温升-节点距焊道中心线距离关系曲线,根据此曲线可在实际焊接中方便地预测构件焊后不同部位的组织和性能.
5.学位论文王怡然低相变点焊条的焊接残余应力数值模拟2007
焊接残余应力易引发裂纹，能对钢结构等产生重要影响，一直是焊接领域广泛关注和研究的重要课题之一。天津大学焊接实验室研制了一种新型低相变点焊条，应用在中高碳钢钢板的焊接中，能很好的消除残余应力。对其进行焊接过程温度场及焊接应力场的数值模拟研究，能为减少、控制、调整焊接残余应力提供理论依据，具有重要的学术价值和实际应用意义。
本文以平板对接问题为例，以ANSYS软件为平台，对多层多道焊接过程中的温度场和应力应变场进行了数值模拟，具体阐述如下：
首先，建立了平板对接的几何模型，根据多层多道焊的实际焊接过程，建立了四层八道的几何模型，并划分了网格。同时通过实验及查找资料，获得了线膨胀系数、屈服强度等热参数值。
其次，在温度场分析中，应用APDL语言，编制了循环加载命令流，将高斯移动热源模型以热流密度载荷形式施加在焊缝上，同时利用生死单元对焊缝金属填充、熔化和凝固进行了模拟。分析过程考虑了焊缝金属发生相变时体积和相变潜热的变化。在随后的应力应变场分析过程中，通过热.力场间接耦合，在热弹塑性力学基础上，将温度场结果耦合如应力应变场，计算得到了焊后残余应力场。
最后，通过小孔法等物理试验，得到了焊后实际应力场分布，验证了数值模拟结果的正确性。
6.期刊论文李慧娟.黄振华.李正任.LI Hui-juan.HUANG Zhen-hua.LI Zheng-ren多层多道焊焊接工艺数值模拟技
术-焊接技术2010,39(11)
利用ANSYS软件中的单元"生死"技术对厚板多层多道焊焊接过程进行模拟,经分析得到了厚板多层多道焊时不同取样点的热循环曲线.同时,利用红外热像仪对实际焊接过程中试件上相应位置进行测量,得到具体位置的实际热循环曲线,比较实测热循环曲线与模拟热循环曲线的结果表明,模拟结果与试验结果基本吻合,证明所建数值模型是正确的,能够对实际焊接过程起到指导作用.
7.会议论文丁文斌.刘维.张姝妍.王东坡.邓彩艳.方总涛厚板多层多道焊接温度场的数值模拟与分析2009
采用自行编制的程序对平板对接多层多道焊的温度场分布规律进行了数值模拟研究。计算过程中考虑了温度对材料相变和热物理特性的影响，采用“生死单元”技术模拟焊接材料的逐步填充过程。绘制了温度场分布云图和不同采样点的热循环曲线，可知温度场呈准稳态分布。为更准确的多道焊应力变形分析打下了基础。
8.期刊论文张敏.周小华.李继红.王莹.ZHANG Min.ZHOU Xiao-hua.LI Ji-hong.WANG Ying中厚板CO2多层多道焊
对接接头焊接残余应力及其分布-西安理工大学学报2007,23(4)
阐述了焊接残余应力场数值分析的理论基础,确定了计算模型,并采用有限元数值方法模拟计算了CO2多层多道焊对接接头焊接残余应力的大小及其分布.算例结果表明,模拟结果与试验测试结果基本吻合,证明本文方法正确且有效.
9.学位论文方总涛5000吨吊机底座环箱形体焊接应力变形的数值模拟2009
数值模拟技术对科学地控制大型结构的制造精度具有重要作用，但由于焊接过程的特点，实际结构焊接数值模拟的可行性一直是世界性的难题。本文针对这一挑战开展深入的研究工作，力求在保持必要精度的前提下，大幅度地提高计算效率，以在焊接模拟实用化方面取得重要进展，并在重大工程中得到应用。
本文系统论述了焊接热弹塑性有限元分析的基本理论。以平板开V型坡口多层多道焊为例，使用双椭球热源加载，通过单元生死模拟焊缝金属的填充过程，编制了其求解算法的命令流。可知，焊接过程中的温度场呈准稳态分布。变形协调原则对应力分布有很大的影响，焊缝区域的纵向残余应力为拉应力，横向残余应力有拉有压。焊后焊件有一定的角变形和扭曲，结论与传统的分析结果相吻合。
采用热—结构间接耦合法计算，对5000吨吊机底座环箱形体“T”型梁部分的焊接应力变形进行工程预测。说明了“T”型梁预制的焊接变形控制方案的可行性。首先比较了五种不同焊接顺序下上翼板拼板焊接后的变形情况，发现两道焊缝同时焊时由于在短时间内产生很大的热输入，焊后残余应力及变形最大，是不可取的焊接顺序。而其它四种焊接顺序下变形相差不大，残余变形主要是平面外弯曲。从应力分布角度看，内-外-内-外顺序是各种焊接顺序中最佳的，外-内-外-内最差。计算说明加上筋板对抑制结构的变形起到了一定的作用；中腹板拼板焊接的应力变形都较小。上翼缘板与中腹板组对的“T”型接头焊后产生弯曲变形，先焊外侧焊缝后焊内侧焊缝时的残余应力和变形都相对较小，是最佳的焊接顺序。因此，在焊接前要有合理的工装卡具设计，以防止“T”型接头产生大的变形。这样，通过数值模拟实现了大型结构焊接变形的定量预测和精确控制。
10.期刊论文高立.赵福辰.GAO Li.ZHAO Fuchen双面双弧不清根厚板多层多道焊有限元数值模拟-热加工工艺
2009,38(5)
应用大型有限元软件,对28mm厚板双面双弧不清根焊接进行了三维数值模拟.模拟综合考虑了材料性能随温度的变化,对流、辐射和热传导对焊接过程的影响等诸多因素,跟踪观察了多层多道焊接中的温度场、应力场的变化.结果表明,双面双弧打底,t8/5和t8/3与先后两电弧的跟进距离有关;跟进电弧对先焊道有二次热处理作用.双面双弧焊接角变形极小,打底焊道残余应力为压应力,应力集中出现在盖面焊趾部位.模拟结果与相同工艺条件下实测结果对比,相对误差较小.
引证文献(3条)
1.梁君亮.李昊材料物理参数选取对钢结构焊接模拟的影响[期刊论文]-安徽建筑工业学院学报（自然科学版）2010(3)
2.Zhang Huajun.Zhang Guangjun.Zhang Xiulan.Cai Chunbo.Gao Hongming Three dimension simulation analysis of the interpass stress and deformation during multipass welding[期刊论文]-中国焊接 2008(2)
3.李萌盛.王传标关于钨极氩弧焊热源模型适用性的探讨[期刊论文]-热加工工艺 2007(15)
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下载时间：2011年4月28日