基于ANSYS的GMAW温度场计算

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1、第!"卷#第$期焊接学报789:!"##*8:$!%%$年&月’()*+),’-.*+./’01,0-*)2134-*5-*+’-’6’-.*);<;=#>#!%%$基于!"#$#的%&!’温度场计算???!?雷玉成，#张#成，#程晓农，#胡小俊，#冯雅明（?:江苏大学材料科学与工程学院，江苏镇江#!?!%?@；!:镇江宝华半挂车配件有限公司，江苏镇江#!?!%?@）摘#要：根据传热学、流体力学、物理冶金等理论，建立了运动电弧下熔化极气体保护焊（5A)2）的三维非稳态熔池的数学模型。在数学模型的基础上建立了5A)2堆焊的有限元模型，并使

2、用通用有限元软件)*+B+对熔池温度场进行了计算，在计算的过程对有限元模型进行了非均匀网格划分，加入了熔滴对熔池的能量和表面变形的影响，采用了双高斯热源叠加的双峰热源分布模型，应用有限元生死单元的处理方法。并通过不同工艺参数下的工艺试验的熔宽和熔深的测量值与)*+B+计算值进行了比较，熔池的熔宽和熔深的误差均控制在&C以内。结果表明，使用)*+B+和使用双峰分布的热流来计算5A)2温度场均是可靠和可行的。关键词：熔化极气体保护焊；温度场；)*+B+有限元软件中图分类号：’5$%!##文献标识码：)##文章编号：%!"@D@E%F（!%%

3、$）%$D@?D%$雷玉成%#序##言熔化金属向熔池传输能量、动量及质量的过程。焊接熔池获得的这一额外的热量输入与焊接电弧热量温度场的热计算从最初的固体热传导发展到在输入共同作用的结果是决定焊接熔池及热影响区的熔池内考虑流体的流动，在热影响区用固态热传导温度分布的重要因素。另一方面，熔滴在到达熔池的计算方式。热源也从固定点热源发展到移动热源时还携带一定的动量，熔滴通过对熔池的冲击将其的形式。在焊接温度场的计算中对’-5焊接的研究携带的动量传递给焊接熔池。因此，5A)2熔池的较为完备了，但对于焊接过程更为复杂的熔化极气流体流动及传热模型不

4、仅要考虑电弧热（像’-5焊体保护焊（5A)2）在焊接热源分布模式和熔滴对一样），而且还要考虑熔滴对熔池的能量、动量及质熔池影响的研究还存在着一定的问题。量的传输过程。既要考虑熔滴带入熔池的热量，又有限单元法的基本思想是将求解区域离散为有要考虑熔滴对熔池的冲击力及熔池中熔化金属的增加。限个、且按一定规则相互连接的单元，然后组集为系对于不可压缩流体的层流及传热过程，其控制统方程组并求解。它不但成功解决了结构分析问方程为质量守恒方程、能量方程和动量方程。在三题，还越来越广泛地应用于传热、流体动力学、电磁维移动坐标系中，焊枪沿!轴方向以速度"%

5、运动，学和声学等领域［?］。其熔池温度场的模型为因此作者采用有限元的方法，利用)*+B+有限!#$（%&%）!’I"!’I)!’J[%!!!(!*]元软件，以新的热源模式考虑了熔滴和熔池之间的!!’!!’!!’能量和动量的影响，对5A)2的温度场进行了计算。(+)I(+)I(+)I"（,!，(，*），（?）!!!!!(!(!*!*!%!%!%?#5A)2熔池温度场模型的建立!#$[（%&%%）-"-)]J!!!(!*!!!!$!%!%!%!DI"--，（!K）(!!!)5A)2与非熔化极焊接之间的区别就是，!!!!!(!*5A)2既利用

6、连续填充的金属电极（熔化极）与工!"!"!"!#$[（%&%%）-"-)]J件之间的电弧热，也利用过渡的熔滴带入熔池中的!!!(!*!!!热量与动量使被焊金属熔化。熔滴过渡是一个焊丝!$!"!"!"(DI"(!-!-!)，（!L）!(!!!(!*收稿日期：!%%@D%GD?G!)!)!)!#$[（%&%%）-"-)]J基金项目：江苏省高技术研究项目（H5!%%!%!?）!!!(!*#!"焊#接#学#报第"$卷"""!"!$!$!$!%&!("&"&")，（"’）!#!%!!!#!’!(!$&&()，（!）!%!!!#式中："为密度；)"

7、为定压比热；*为温度；+为导热系数；"为压力；!为粘度系数；’，(，$为熔池液态金属在%，!，#方向的流动速度；",（%，!，#）为熔滴的热焓量。图!$1234567单元图%&’"!$8/),)9:1234567"#*+,-有限元模型的建立和计算式中：#为总的换热系数；*为初始的环境温度。经针对平板*+,-的实际问题，将热源加在试件过计算低碳钢在*+,-时的上下表面换热系数随中心线上，有限元计算试验试样的尺寸为$)../温度的变化如图!所示。!)../0..，对123$钢焊接区进行有限元分析。为了简化有限元的计算采用了平板堆焊的形式。!

8、"#$网格的划分有限元单元网格如图2所示。对于焊接热源加载的问题如果使用缺省单元尺寸生成的网格就会使所生成的网格不适应。这就需要深入网格划分。使用局部网格划分，通过单元边长来控制总体单元尺寸。使得热源附近网