準穩(wěn)態(tài)埋弧焊熔池反應區(qū)熱場及流場的數(shù)值模擬.pdf

1、焊接是一個涉及電弧物理、傳熱、冶金和力學的復雜過程。焊接現(xiàn)象包括焊接時的電磁、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、冷卻時的相變、焊接應力和變形等，而一旦能夠?qū)崿F(xiàn)對各種焊接現(xiàn)象的計算機模擬，就可以通過計算機系統(tǒng)來確定焊接各種結(jié)構(gòu)和材料的最佳設計、最佳工藝方法和焊接參數(shù)。 本文在系統(tǒng)的論述焊接溫度場，流場數(shù)值模擬的現(xiàn)狀、溫度場計算基本原理以及用 ANSYS軟件進行焊接溫度場模擬的方法和步驟的基礎上，針對埋弧焊接條件下的焊接熱循環(huán)進行數(shù)值模擬

2、，并結(jié)合物理模擬方法，目的是探索基于溫度場數(shù)值模擬的可行性，以及焊接過程中熔池金屬的流動狀況。 本文以焊接熱過程的數(shù)值模擬為基礎，針對埋弧焊接的特點，利用高斯熱源模型，通過引入材料的“高溫等效導熱系數(shù)”，建立了埋弧焊接熱循環(huán)參數(shù)模擬的數(shù)值模型。 研究了電弧吹力和熔池傳熱以及電弧加熱半徑對埋弧焊接溫度場的影響。結(jié)果表明，電弧吹力和熔池傳熱以及電弧加熱半徑對埋弧焊接時焊縫處溫度場分布有很大的影響，而對熱影響區(qū)900℃以上停留

3、時間(t9)、800～500℃冷卻時間(t8/5)的影響很小。通過比較t8/5的數(shù)值模擬結(jié)果和參考文獻研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬值和實測值相差在10％以內(nèi)，表明本文建立的數(shù)值模型是可靠的。 利用有限元軟件ANSYS對埋弧焊熔池金屬流場進行數(shù)值模擬，獲得在不同焊接條件下的熔池金屬流動速度，并比較不同焊接條件下金屬流動狀態(tài)進而分析原因。對焊接過程中采用不同的焊接電流、焊接電壓和焊接速度，應用前人總結(jié)得出的埋弧焊熔池形狀和所受外界熱場、力場等

4、基本公式，計算出焊接過程中埋弧焊熔池形狀和熔池邊界條件，并進行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在不同焊接條件下金屬的流動速度相差很大，這與實際流場流動規(guī)律基本吻合，從而說明，ANSYS軟件可較好地模擬埋弧焊焊接熔池金屬的流動狀態(tài)。 本文得到以下結(jié)論： 1．針對埋弧焊接的特點，通過引入高溫等效導熱系數(shù)，在高斯熱源基礎上，建立了基于ANSYS軟件的埋弧焊接熱循環(huán)參數(shù)模擬的數(shù)值模型。 2．選用不同高溫等效系數(shù)進行模擬試驗時，隨著高

5、溫等效導熱系數(shù)的增大，溫度場峰值溫度迅速降低，峰值溫度從5329℃，降至2836℃，說明通過增大高溫系數(shù)，能夠部分抵消由于高溫物理參數(shù)、邊界條件的誤差及熱源缺陷等因素帶來的影響，使模擬結(jié)果趨于合理。從模擬溫度場等溫線形狀來看，呈不規(guī)則橢球狀，與經(jīng)典溫度場理論相一致。 3 ．電弧吹力和熔池傳熱對焊接瞬態(tài)溫度場分布以熔池尺寸有很大的影響，若要考慮焊縫附近的溫度場分布及計算熔池尺寸，就必須充分考慮電弧吹力和熔池傳熱的影響。當考慮焊縫及

6、熱影響區(qū)某一峰溫時的熱循環(huán)參數(shù)，電弧吹力和熔池傳熱的影響將變得非常小，熱循環(huán)參數(shù)的數(shù)值模擬具有可行性。 4．埋弧焊接過程數(shù)值模擬時，用高斯熱源很難獲得焊縫附近準確的溫度場分布，但當以熱循環(huán)參數(shù)為研究對象時，仍可以采用高斯熱源而得到合理的結(jié)果。 5．埋弧焊時電弧吹力和熔池傳熱對溫度場分布有很大的影響，而對焊接熱循環(huán)主要參數(shù)(t8/5、t9)的影響很??；高斯熱源加熱半徑對熱循環(huán)主要參數(shù)(t8/5、t9)的影響不大；用ANSY

7、S軟件模擬計算埋弧焊接熱循環(huán)主要參數(shù)是可行的，模擬計算的低合金鋼t8/5數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)誤差在10％以內(nèi)。 6．本文建立了埋弧焊焊接熔池流場的二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型。在模型中充分考慮了焊接熔池中液態(tài)金屬所受的電弧力、表面張力、重力、熱流量等共同作用下的流體運動，實現(xiàn)了從初始條件、邊界條件到數(shù)值模擬的轉(zhuǎn)化。 7．對不同焊接規(guī)范參數(shù)下的準穩(wěn)態(tài)條件熔池流場進行了數(shù)值計算，結(jié)果表明：在同等的焊接規(guī)范下，焊接電流的變化對熔池的影響明顯大