准稳态埋弧焊熔池反应区热场及流场的数值模拟

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1、摘要焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等，而一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。本文在系统的论述焊接温度场，流场数值模拟的现状、温度场计算基本原理以及用ANSYS软件进行焊接温度场模拟的方法和步骤的基础上，针对埋弧焊接条件下的焊接热循环进行数值模拟，并结合物理模拟方法，目的是探索基于温度场数值模拟的可行性，以及焊接过程中熔池金属的流动状况。本文以焊接热过程的数值模拟为基础，针对埋弧焊接的特点，

2、利用高斯热源模型，通过引入材料的“高温等效导热系数”，建立了埋弧焊接热循环参数模拟的数值模型。研究了电弧吹力和熔池传热以及电弧加热半径对埋弧焊接温度场的影响。结果表明，电弧吹力和熔池传热以及电弧加热半径对埋弧焊接时焊缝处温度场分布有很大的影响，而对热影响区900℃以上停留时间(t9)、800~500℃冷却时间(t8/5)的影响很小。通过比较t8/5的数值模拟结果和参考文献研究结果发现，模拟值和实测值相差在10%以内，表明本文建立的数值模型是可靠的。利用有限元软件ANSYS对埋弧焊熔池金属流场进行数值模拟，获得在不同焊接条件下的熔池金属流动速度，并比较不同焊接条件下金属流动状

3、态进而分析原因。对焊接过程中采用不同的焊接电流、焊接电压和焊接速度，应用前人总结得出的埋弧焊熔池形状和所受外界热场、力场等基本公式，计算出焊接过程中埋弧焊熔池形状和熔池边界条件，并进行数值模拟。结果表明，在不同焊接条件下金属的流动速度相差很大，这与实际流场流动规律基本吻合，从而说明，ANSYS软件可较好地模拟埋弧焊焊接熔池金属的流动状态。本文得到以下结论：1．针对埋弧焊接的特点，通过引入高温等效导热系数，在高斯热源基础上，建立了基于ANSYS软件的埋弧焊接热循环参数模拟的数值模型。2．选用不同高温等效系数进行模拟试验时，随着高温等效导热系数的增大，温度场峰值温度迅速降低，峰

4、值温度从5329℃，降至2836℃，说明通过增大高温系数，能够部分抵消由于高温物理参数、边界条件的误差及热源缺陷等因素带来的影响，使模拟结果趋于合理。从模拟温度场等温线形状来看，呈不规则椭球状，与经典温度场理论相一致。3．电弧吹力和熔池传热对焊接瞬态温度场分布以熔池尺寸有很大的影响，若要考虑焊缝附近的温度场分布及计算熔池尺寸，就必须充分考虑电弧吹力和熔池传热的影响。当考虑焊缝及热影响区某一峰温时的热循环参数，电弧吹力和熔池传热的影响将变得非常小，热循环参数的数值模拟具有可行性。4．埋弧焊接过程数值模拟时，用高斯热源很难获得焊缝附近准确的温度场分布，但当以热循环参数为研究对象

5、时，仍可以采用高斯热源而得到合理的结果。5．埋弧焊时电弧吹力和熔池传热对温度场分布有很大的影响，而对焊接热循环主要参数(t8/5、t9)的影响很小；高斯热源加热半径对热循环主要参数(t8/5、t9)的影响不大；用ANSYS软件模拟计算埋弧焊接热循环主要参数是可行的，模拟计算的低合金钢t8/5数据与实测数据误差在10%以内。6．本文建立了埋弧焊焊接熔池流场的二维非稳态数学模型。在模型中充分考虑了焊接熔池中液态金属所受的电弧力、表面张力、重力、热流量等共同作用下的流体运动,实现了从初始条件、边界条件到数值模拟的转化。7．对不同焊接规范参数下的准稳态条件熔池流场进行了数值计算，结

6、果表明：在同等的焊接规范下，焊接电流的变化对熔池的影响明显大于速度变化对熔池的影响。8.比较不同焊接工艺条件，可以发现焊接电流的变化影响到焊接熔池的深度，焊接电压的变化影响到焊接熔池的宽度，焊接速度的变化影响到焊接熔池前部长度。9．不同焊接熔池的形状和焊接熔池边界条件，导致焊接熔池中金属流动状态和流动速度的不同，最终导致了不同焊接条件下焊接工件接头性能的不同，同时为进一步的焊接冶金行为研究提供另一种手段。摘要摘要焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等，而一旦能够实现对各种焊接现

7、象的计算机模拟，就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。本文以焊接热过程的数值模拟为基础，针对埋弧焊接的特点，利用高斯热源模型，通过引入材料的“高温等效导热系数”，建立了埋弧焊接热循环参数模拟的数值模型。研究了电弧吹力和熔池传热以及电弧加热半径对埋弧焊接温度场的影响。结果表明，电弧吹力和熔池传热以及电弧加热半径对埋弧焊接时焊缝处温度场分布有很大的影响，而对热影响区900℃以上停留时间(t9)、800~500℃冷却时间(t8/5)的影响很小。通过比较t8/5的数值模拟结果和参考