基于计算机模拟技术的薄板GTAW焊接接头温度分布

杨 莎

（遵义师范学院，贵州遵义563002）

基于计算机模拟技术的薄板GTAW焊接接头温度分布

杨 莎

（遵义师范学院，贵州遵义563002）

使用类似K型热电偶测量不同薄板焊缝接头在GTAW焊接过程中热影响区温度的分布。对比通过有限元分析软件建立的三维有限元模拟测量板材的温度分布情况。由于热电偶与熔合线接近且冷却速度相似，证明实验和仿真结果吻合，尤其表现在热影响区的微观组织上。另外，还可在焊接过程缺少填充材料时，观察峰值温度和不同材料的冷却速度。

计算机模拟；GATW焊接；温度分布

1 简介

焊接是可靠、高效和实用的金属填充过程，在各行业被广泛使用，如航空航天、汽车、运输和石油等。尽管这种填充过程具有许多优点，但会受到一些条件的影响。例如：热周期等参数显著影响焊缝的残余应力、变形、微观组织、热影响区硬度等。导致的焊接缺陷直接影响焊缝性能。由于焊接是局部加热过程，因此控制热循环至关重要。

在此主要研究计算薄板焊接瞬态温度分布。使用K-type热电偶测量两组相同材质和一组不同材质的GATW单道焊缝的焊接温度分布。并运用有限元分析软件，开发3D有限元模型，预测温度循环，然后进行实验模拟验证。

2 试验程序

试验采用S304型不锈钢和St37碳钢材料，使用相同的对接焊缝接头，焊接方法为钨极惰性气体保护焊（GTAW）。本试验会将结果与有限元法获得的结果进行比较。热电偶位于工件水平表面中部孔上，从而测量焊缝两边不同位置的温度。试件和热电偶的位置示意如图1所示。试件规格200mm×200mm× 3mm。在记录测量温度时，收集到的信号被转移到数据记录器和电脑上。数据记录器设置10次/s读数记录热电偶的信号。同时，使用Labview显示温度曲线。

图1 热电偶在工件表面的位置

当热电偶与薄板连接时，热电偶通过两根导线接通并记录数据，此时必须保证没有其他导线与热电偶导通，否则会导致测量值不准确。

工件焊接属于没有填充材料的单道焊，焊接保护气为氩气。在焊机上读取电压和电流。此外，记录焊接时间，并根据时间计算出焊接速度。试验电压（U）、电流（I）、焊接速度（v）如表1所示。GTAW焊接的热效率为50％，每毫米的热输入量为Q

表1 实验参数和计算数据

下面将详细讨论瞬态温度以及温度随距离焊缝熔合线远近的变化情况。S304和St37化学成分如表2所示。

表2 S304不锈钢和St37碳钢的化学成分％

3 数值计算

在使用有限元分析软件的基础上，通过热有限元计算三次单道焊接过程中温度的分布，使用传热分析获取温度记录。因材料的热属性不同，瞬态温度场与工件的材料有关。

在GTAW焊接过程有限元模拟中，三种接头同样使用S304不锈钢和St37碳钢，模型尺寸与试验工件相同，材料特性如表3所示，模型网格如图2所示。在焊缝区及其附近划分细网格。前期已有专家研究过网格尺寸大小的影响，其结果表明峰值温度随网格大小而变化。本次模拟中选择划分细网格，峰值温度与实际值相差小于2％。DFLUX用户子程序使用FORTRAN语言和模型来计算热通量。建立一个近似于焊接熔池形状和尺寸的双椭球热模型，模型中单个椭球内热源分布方程为

后部分椭球内热源分布方程为

式中x、y、z为焊接熔合线在双椭球热模型中的坐标；ff和fr分别为前后椭球热量分布函数，ff+fr=2.0，本次实验中ff=1.4，fr=0.6，可以看出在焊接过程中前半部分椭球内温度斜率比后半部分大；Q为焊接热源功率，其计算方法见式（1）。a1、a2、b、c为椭球形状参数。通过实验研究计算上述参数，从而调整焊接参数以得到理想的焊缝熔合区。

图2 焊接模拟三维有限元模型

表3 St37碳素结构钢和S304型不锈钢的热物理性质

由于在本次实验中，GTAW焊接没有使用焊缝填充金属，其中一些焊接参数不再使用，如起弧、收弧等。当焊接电弧应用于工件，整个焊缝存在并且经过加热。因此，上述技术的应用在仿真中引起了误差，在这项工作的整个模拟时间模型中，移动热量源靠近焊缝元件。

焊接中瞬态传热分析控制方程为

非线性各向同性傅里叶热通量方程为

式中k是与温度有关的热导率。

在焊接过程中，热辐射和焊缝表面的对流会引发热量流失。在焊缝附近高温区主要是热辐射损失，远离焊缝的低温区主要是热对流导致的热量损失。因此使用联合导热边界条件，从而避免辐射建模的难度。同样，在模型中使用热对流系数。对流表面传热系数如表4所示。

表4 对流表面传热系数

4 结果和讨论

4.1 St37碳钢对接焊缝

沿着焊接方向的等温线和焊缝接头的有限元仿真模型如图3所示。工件表面上离焊缝熔合线距离不同的各个点的温度分布如图4所示。其中距离熔合线3mm处的温度最高，达到了550°C。由图4可知，随着距离的增加，温度出现非线性趋势的降低。其原因是焊枪的局部加热和材料的热性能与温度的变化是非线性关系。图5是上述各点实验结果和有限元模拟结果对比的情况。两种方法结果吻合良好，区别在于实验初始阶段工件温度上升更快。这可能是由于试验会有熔合物飞溅以及仿真模型热源与实际焊接不同造成的。焊缝熔线周围各点的峰值温度如图6所示。

图3 仿真模型中熔合线的等温线

4.2 S304型不锈钢对接焊缝

通过实验测量焊缝接头左边薄板的各点温度，分布如图7所示。其最高温度约470°C。对比图4和图7的结果，由于不同材料的热属性（热导率）不同，St37比S304冷却更快。实验和仿真模拟过程中焊缝熔线周围各点的峰值温度如图8所示。

图4 E1实验各点的温度分布

图5 实验各点温度和仿真模拟结果对比

图6 E1实验和仿真模拟各点的峰值温度

图7 E2实验各点的温度分布情况

图8 E2实验和仿真模拟各点的峰值温度

图9 E3实验中St37各点的温度分布情况

图10 E3实验中S304各点的温度分布情况

4.3 不同金属的对接焊缝

由St37碳钢和S304型不锈钢两种不同材料的薄板组成的对接焊缝温度分布如图9、图10所示。可以看出S304的温度高于St37。实验测量和有限元模拟结果如图11、图12所示。图13为两种材料的冷却曲线，明显S304比St37冷却更快。在焊接时工件中没有填充材料，同时考虑到焊接的对称性，得出两种材料薄板的峰值温度和冷却速率主要取决于它们的热属性，特别是热导率。峰值温度出现差异的另一个原因是由于St37碳钢受到相变的影响，因为St37碳钢固态相变时会吸收一定比例的热源能量。

图11 St37碳钢实验和仿真模拟时各点的温度对比

图12 S304碳钢实验和仿真模拟时各点的温度对比

图13 两种材料在实验和仿真模拟中的冷却曲线

5 结论

使用S304型不锈钢和St37型碳钢薄板进行了三组GTAW焊接实验，通过三维有限元进行计算机模拟，并将实验测量的温度分布和仿真模拟的结果进行对比。其结果表明该种温度模型在焊接过程中具有良好的预测能力。

（1）各点的焊接峰值温度分布和温度降低速度与其到熔合线的距离呈非线性关系。通过预测冷却速率与距离的关系，可用于热影响区微观结构的预测。

（2）由于热传导率不同，在焊接过程中，在焊缝熔合线周围S304的峰值温度高于St37。

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Tem perature distribution of sheet GTAW welding joint based on computer simulation technology

YANG Sha
（ZunyiNormalCollege，Zunyi 563002，China）

Use similar type K thermocouple tomeasure different sheetweld joint in heat affected zone temperature distribution in the process of GTAW welding.The temperature distribution of three dimensional finite element simulation ofmeasuring plate at the same time by comparing the finite element analysis software to establish.The thermocouple and the fusion line near and cooling rate are similar，prove that the experimental and simulation results agree，especially themicrostructure in the heat affected zone.In addition，also the lack of fillingmaterial in the welding process，the observation of the peak temperature and cooling rate of differentmaterials.

computer simulation；GATW welding；temperature distribution

TG409

A

1001-2303（2015）07-0101-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.22

2014-11-17；

2015-07-07

杨莎（1982—），女，贵州铜仁人，讲师，硕士，主要从事电子技术和网络应用技术的研究。