準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)埋弧焊熔池反應(yīng)區(qū)熱場(chǎng)及流場(chǎng)的數(shù)值模擬.pdf

1、焊接是一個(gè)涉及電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過(guò)程。焊接現(xiàn)象包括焊接時(shí)的電磁、傳熱過(guò)程、金屬的熔化和凝固、冷卻時(shí)的相變、焊接應(yīng)力和變形等，而一旦能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種焊接現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬，就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)確定焊接各種結(jié)構(gòu)和材料的最佳設(shè)計(jì)、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(chǎng)，流場(chǎng)數(shù)值模擬的現(xiàn)狀、溫度場(chǎng)計(jì)算基本原理以及用 ANSYS軟件進(jìn)行焊接溫度場(chǎng)模擬的方法和步驟的基礎(chǔ)上，針對(duì)埋弧焊接條件下的焊接熱循環(huán)進(jìn)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(chǎng)數(shù)值模擬的可行性，以及焊接過(guò)程中熔池金屬的流動(dòng)狀況。 本文以焊接熱過(guò)程的數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，針對(duì)埋弧焊接的特點(diǎn)，利用高斯熱源模型，通過(guò)引入材料的“高溫等效導(dǎo)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(duì)埋弧焊接溫度場(chǎng)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(duì)埋弧焊接時(shí)焊縫處溫度場(chǎng)分布有很大的影響，而對(duì)熱影響區(qū)900℃以上停留

3、時(shí)間(t9)、800～500℃冷卻時(shí)間(t8/5)的影響很小。通過(guò)比較t8/5的數(shù)值模擬結(jié)果和參考文獻(xiàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬值和實(shí)測(cè)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(duì)埋弧焊熔池金屬流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得在不同焊接條件下的熔池金屬流動(dòng)速度，并比較不同焊接條件下金屬流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)而分析原因。對(duì)焊接過(guò)程中采用不同的焊接電流、焊接電壓和焊接速度，應(yīng)用前人總結(jié)得出的埋弧焊熔池形狀和所受外界熱場(chǎng)、力場(chǎng)等

4、基本公式，計(jì)算出焊接過(guò)程中埋弧焊熔池形狀和熔池邊界條件，并進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在不同焊接條件下金屬的流動(dòng)速度相差很大，這與實(shí)際流場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律基本吻合，從而說(shuō)明，ANSYS軟件可較好地模擬埋弧焊焊接熔池金屬的流動(dòng)狀態(tài)。 本文得到以下結(jié)論： 1．針對(duì)埋弧焊接的特點(diǎn)，通過(guò)引入高溫等效導(dǎo)熱系數(shù)，在高斯熱源基礎(chǔ)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(jìn)行模擬試驗(yàn)時(shí)，隨著高

5、溫等效導(dǎo)熱系數(shù)的增大，溫度場(chǎng)峰值溫度迅速降低，峰值溫度從5329℃，降至2836℃，說(shuō)明通過(guò)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(lái)的影響，使模擬結(jié)果趨于合理。從模擬溫度場(chǎng)等溫線形狀來(lái)看，呈不規(guī)則橢球狀，與經(jīng)典溫度場(chǎng)理論相一致。 3 ．電弧吹力和熔池傳熱對(duì)焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)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(chǎng)分布及計(jì)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(dāng)考慮焊縫及

6、熱影響區(qū)某一峰溫時(shí)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(guò)程數(shù)值模擬時(shí)，用高斯熱源很難獲得焊縫附近準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)分布，但當(dāng)以熱循環(huán)參數(shù)為研究對(duì)象時(shí)，仍可以采用高斯熱源而得到合理的結(jié)果。 5．埋弧焊時(shí)電弧吹力和熔池傳熱對(duì)溫度場(chǎng)分布有很大的影響，而對(duì)焊接熱循環(huán)主要參數(shù)(t8/5、t9)的影響很小；高斯熱源加熱半徑對(duì)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(jì)算埋弧焊接熱循環(huán)主要參數(shù)是可行的，模擬計(jì)算的低合金鋼t8/5數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)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(chǎng)的二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)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(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了從初始條件、邊界條件到數(shù)值模擬的轉(zhuǎn)化。 7．對(duì)不同焊接規(guī)范參數(shù)下的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件熔池流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明：在同等的焊接規(guī)范下，焊接電流的變化對(duì)熔池的影響明顯大