基于ANSYS的L型焊接件温度场分析

张树丽，郭忠，柳丹，李月琳

（烟台大学机电汽车工程学院，山东 烟台 264000）

引言

目前一些大型化器械及其钢框结构常用到焊接结构，焊接是通过加热或者加压等方式将工件连接到一起，其连接性能好、设计灵活、生产效率高；但是焊接工艺的特点决定了焊接处强度较低，易产生疲劳损伤，因此研究焊缝温度场具有重要意义[1-3]。工程中常采用有限元软件ANSYS对焊接温度场进行模拟分析，以获得焊接试件上较准确的温度分布情况。

1 焊接过程的有限元分析理论

1.1 温度场数学模型的建立

焊接是一个金属熔化后填充焊缝的过程，可将其温度场的变化简化为非线性瞬态传热过程，因此可以采用能量守恒方程对热源的移动进行数值模拟，以对温度的分布进行求解。

能量守恒方程：

当不考虑传质过程时 方程（1）可以展开为：

式中：ρ是密度，c是比热容，T为温度，k为传热系数，ST为物体内热源。材料参数ρ、c和k一般随温度变化。

焊接温度场的计算的热流和换热边界条件为：

式中：n是边界表面法线方向，q是单位面积上的外部输入热流，α是表面换热系数，Tα是周围介质温度。

但是焊接传热过程中温度变化大，相关的材料性能也会随之改变，是一个复杂的非线性传热过程，利用方程（1）或方程（2）很难直接求出焊接温度场。因此工业生产中常采用有限元分析法，将连续体离散化得到结构的近似解[4]。

1.2 生死单元技术

生死单元技术就是利用生死单元模拟焊缝填充的方法来模拟焊接热输入过程。在计算模拟前期，首先将焊缝处的所有单元“杀死”，然后在模拟焊缝填充时再将单元“激活”。激活单元的同时，在单元上施加生热率，热载荷作用的时间与实际的焊接时间相同。

式中：HGEN是单个载荷步上的生热率，K是焊接热源的热效率，U是焊接电压，I是焊接电流，A是焊缝的横截面积，V是焊接速度，DT是每个载荷步的时间。

2 焊接过程的有限元分析过程

试件采用两个L型Q345钢板进行分析，尺寸示意图如图1所示。焊接采用埋弧自动焊焊接，焊接的工艺参数为：焊接电压为30V，焊接电流为200A，焊接速度为10mm/s。

2.1 建模与划分网格

采用8节点六面体热单元solid70建立三维几何模型，图1为划分好网格的有限元模型，其中包括个12675单元、5768个节点。划分网格时，既要保证得到较为精确的温度分布，同时又要考虑到计算效率，因此焊缝及热影响区的网格划分较细，距离焊缝较远位置选择较大的网格单元。

图1 有限元模型

2.2 基于生死单元的热源加载

进行温度场分析前，焊缝模型早已建立好，因此在分析时先将焊缝处的单元“杀死”，然后依次“激活”焊缝单元施加生热率，单个载荷步上的生热率为HGEN=(K×U×I)/(A×V×DT)[5]。

2.3 定义材料特性

模型选用 Q345钢板，为计算方便，焊缝填充材料特性与钢材模板一致。焊接温度场的分析需定义材料的密度、比热容、对流换热系数等，应力场的分析需要定义材料的弹性模量、线膨胀系数、泊松比等参数。焊接过程中材料特性随温度变化而改变，因此需通过实验及文献调研合理选取材料性能参数数值。

3 温度场的计算结果分析

3.1 焊缝填充过程温度场分析

以室温 25度为初始温度，将其加载到模型的单元节点上。焊接是一个动态过程，如图2所示，随着热源的移动，焊缝区域局部逐步被加热，温度超过材料熔点；热源远离后，又逐步冷却降温。本文试件焊接过程为15s，时间步长为0.2s。为分析方便，在焊缝处均匀选取六个节点构成路径R，对焊缝填充过程的温度场进行分析，图3为路径示意图。

(a) t=1.8s (b) t=15s

图2 热源移动过程

图3 路径示意图

首先分析温度随位置的变化趋势，分别选取9.8s时刻和15s时刻R路径上的温度进行分析，温度分布曲线如图4所示。通过分析可得到如下结果： 9.8s时刻，热源中心在100mm处，0-100mm焊缝段距离热源较远位置逐步冷却、温度降低，100-150mm焊缝段因热源未通过而处于室温；15s时刻，热源中心在 150mm处，即热源移动到焊缝末端，此时距离热源较远位置不断冷却、温度降低。

(a) t=9.8s (b) t=15s

图4 不同时刻温度随位置变化分布图

图5是将9.8s时刻与15s时刻的温度分布曲线放同一坐标下进行分析。热源从9.8s移动到15s,即从100mm处移动到150mm处：在小于100mm的焊段部分，由于热交换，试件不断冷却，因此15s时刻的曲线温度低于9.8s时刻的曲线温度；在100-150mm的焊段部分，9.8s时刻热源还未通过，15s时刻热源已通过，因此 15s时刻的曲线温度远高于 9.8s时刻的曲线温度。

图5 不同时刻温度随位置变化曲线对比图

其次分析温度随时间的变化趋势，选取R路径上的的六个节点N1-N6，其温度随时间的变化如图6所示。当焊接热源作用在焊缝单元上时，热源中心的温度迅速从室温升到焊材熔点。焊缝起点处温度峰值较低，此时焊接热源刚接触到试件；随着热源移动形成准稳态场，中间四个节点温度峰值几乎相等；焊缝末端处温度峰值较高，是因为前面的焊接过程存在预热，与焊接热源温度进行叠加的缘故。

图6 N1-N6节点温度随时间变化分布图

3.2 试件整体冷却过程温度场分析

不同时刻整体冷却过程的温度分布云图如图7所示。要使试件完全冷却到室温25度，还需要相当长的一段时间。考虑到计算效率，本次温度场计算试件冷却到与室温接近的25.3071度停止运算。由图可看到最后的高温集中在腹板处，这是因为腹板处是两块20mm的板相重叠，相比试件其他部分较厚，热交换慢。

(a) t=19.8s (b) t=7015.2s

图7 试件整体冷却过程温度分布云图

依然选取R路径上的六个节点N1-N6进行冷却过程温度场的分析。分别选取15-30s、40-100s、6000-7015s三个时间段，图8为温度变化趋势曲线图。由分析可得，冷却初期，试件温度与环境温度悬殊大，热交换大，因此温度迅速下降；冷却中后期，试件温度与环境温度温差减小，热交换也逐渐减小，温度下降趋于平缓；冷却末期，6000-7015s内试件整体温度只下降了约0.26度。

(a) t=15-30s (b) t=40-100s (c) t=6000-7015s

图8 不同时间段温度变化趋势图

4 温度场分析总结

以R路径上的六个节点N1-N6为例，图9是整个焊接过程及冷却过程温度变化曲线图。不难发现，焊接温度场高温中心随焊接热源匀速向前移动，热源前后的温度梯度变化明显；焊接冷却过程中，由于试件温度与环境温度温差越来越小，因此降温速度逐渐变慢。

图9 节点焊接过程及冷却过程温度变化曲线

焊接温度场分析的结果可作为载荷直接加载在焊接应力场的分析计算中，因此温度场分析一方面可确定试件上的温度分布，另一方面也为应力场的计算奠定基础[6]。本文利用ANSYS分析焊接温度场的结果与理论相符，可为相关分析提供参考。