【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 非線性焊接分析流程圖 幾何建模與網(wǎng)格生成本課題采用Marc有限元分析軟件，模擬中碳鋼平板對(duì)接焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形。采用長(zhǎng)寬高分別為100mm50mm5mm的鋼板進(jìn)行熔化極CO2氣體保護(hù)焊。在網(wǎng)格生成菜單中建立如圖22的模型。圖22熱源在平板上焊接時(shí)起點(diǎn)為焊縫中心O點(diǎn)，終點(diǎn)為I點(diǎn)，坐標(biāo)系方向如圖所示。注意在網(wǎng)格劃分過(guò)程中在焊縫附近要用更細(xì)數(shù)目的網(wǎng)格來(lái)描述，其是為了精確地捕獲熱梯度。 設(shè)置母材和焊縫的材料參數(shù)在焊接過(guò)程的數(shù)值模擬中，進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)必須確定下列熱物理參數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.℃）、換熱系數(shù)（W/mm2.℃）、密度（Kg/m3）、比熱（J/Kg.℃）、焓(J/m3)；應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)則必須確定泊松比、彈性模量(N/m2)、熱膨脹系數(shù)(1/℃)、密度(Kg/m3)和屈服極限（MPa）等參數(shù)。對(duì)于本課題母材材料和焊縫填料均選擇45鋼。由于在Marc軟件材料庫(kù)中有45鋼，因此在此45鋼的材料參數(shù)在軟件中為默認(rèn)值。 焊接路徑的設(shè)置本課題采用單層單道焊，模型只有一條焊縫，因此只需設(shè)置一條焊接路徑，創(chuàng)建原始曲線和輔助曲線，焊接路徑如圖23。由于焊接路徑的創(chuàng)建， Mentat。Z軸代表焊接運(yùn)動(dòng)方向，Y軸代表焊接電弧方向，X軸代表焊縫寬度方向。圖23 初始邊界條件的設(shè)置由于模型材料選擇為45中碳鋼，焊接性較差，需焊前預(yù)熱，一般預(yù)熱溫度為200300℃。因此設(shè)預(yù)熱溫度為200℃，設(shè)置模型所有節(jié)點(diǎn)初始溫度為200℃。設(shè)環(huán)境溫度30℃，℃。不同的外部約束條件和拘束部位對(duì)平板焊后變形有很大影響。本課題即研究不同的拘束部位對(duì)焊后變形和殘余應(yīng)力的影響。添加外部約束條件假定為三種方案：方案1：拘束平板上4個(gè)點(diǎn)GHJK的區(qū)域，如圖24。方案2：拘束平板上靠近焊縫處4個(gè)點(diǎn)PQMN的區(qū)域，如圖25。方案3：拘束平板四個(gè)頂點(diǎn)LRST的區(qū)域，如圖26。圖24 圖25圖26焊接熱源對(duì)于通常的焊接方法如手工電弧焊、鎢極氬弧焊，采用高斯分布的函數(shù)就可以得到較滿意的結(jié)果。對(duì)于電弧沖力效應(yīng)較大的焊接方法，如熔化極氣體保護(hù)焊和激光焊接，常采用雙橢球形熱源分布函數(shù)。為求準(zhǔn)確，還可將熱源分成兩部分，采用高斯分布的熱源函數(shù)作為表面熱源，試板熔池部分采用雙橢球形熱源分布函數(shù)作為內(nèi)熱源。表面熱源其熱流密度分布公式即，式中Q為熱輸入量，r為電弧有效加熱半徑。雙橢球形熱源分布公式即，式中Q為熱輸入量，a、b、c為橢球軸的大小。本文根據(jù)所需模擬精度及焊接方法選擇雙橢球的熱源模型進(jìn)行模擬。熱源計(jì)算公式為Q=UIη，, U為電壓，I為電流，η為電弧效率。 焊接模擬分析 載荷工況的定義在MAIN主菜單中拾取LOADCASE，進(jìn)入載荷工況定義子菜單。在連鑄、擠壓、軋鋼、沖壓、焊接等許多加工過(guò)程中，工件產(chǎn)生變形的同時(shí)往往伴隨著溫度的變化。準(zhǔn)確的分析這些加工過(guò)程中的溫度和應(yīng)力變化通常不應(yīng)把溫度場(chǎng)的求解和應(yīng)力場(chǎng)的的分析分解開來(lái)。因?yàn)槌藴囟茸兓瘜?duì)結(jié)構(gòu)變形和材料性質(zhì)產(chǎn)生影響外，結(jié)構(gòu)變形反過(guò)來(lái)會(huì)改變熱邊界條件，進(jìn)而影響溫度變化。對(duì)于溫度與位移存在強(qiáng)耦合作用的問(wèn)題，若先算溫度，后分析熱應(yīng)力的解耦方法，分析會(huì)產(chǎn)生較大誤差，比較精確地分析是按照熱機(jī)耦合場(chǎng)的求解方法，同時(shí)處理熱傳導(dǎo)和力平衡兩類不同場(chǎng)方程。本課題用熱機(jī)耦合工況來(lái)進(jìn)行焊接分析，包括熱傳導(dǎo)分析和熱應(yīng)力分析。 工作參數(shù)定義并提交運(yùn)行在MAIN主菜單中單擊JOBS，進(jìn)入子菜單，進(jìn)行熱機(jī)耦合工況條件加載。最后提交并運(yùn)行。 焊接模擬后處理Mentat的后處理功能以圖形、動(dòng)畫、曲線、表格和文件等多種形式顯示Marc程序進(jìn)行分析后生成的結(jié)果。在程序運(yùn)行完成后提取不同約束方案的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和不同方向焊后變形曲線，同時(shí)對(duì)變形結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，得出結(jié)論。第3章 溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的模擬 焊接工藝方案的確定本文是在如前所述三種方案的拘束條件下來(lái)進(jìn)行模擬的，通過(guò)比較平板的宏觀和微觀變形來(lái)討論不同外部約束條件對(duì)焊接變形的影響。欲獲得良好的焊接接頭，必須正確選擇焊接方法，了解材料的焊接性，正確掌握基本操作，選擇合適的焊接規(guī)范。CO2氣體保護(hù)焊的焊接參數(shù)選擇要求如下： 當(dāng)鋼板厚度大于4mm時(shí)。 焊接電流的作用是熔化焊絲和工件，同時(shí)也是決定熔深的最主要因素。焊接電流使用范圍隨焊絲直徑和熔滴過(guò)渡形式的不同而不同。，能得到飛濺小、成形美觀的焊道。細(xì)滴過(guò)渡的焊接電流在350A以上時(shí)，能得到熔深較大的焊道，常用于焊接厚板。 電弧電壓是焊接參數(shù)中很重要的一個(gè)參數(shù)，電弧電壓的大小決定了電弧的長(zhǎng)短和熔滴的過(guò)渡形式，它對(duì)焊縫成形、飛濺、焊接缺陷以及焊縫的力學(xué)性能有很大的影響。實(shí)現(xiàn)短路過(guò)渡的條件之一是保持較短的電弧長(zhǎng)度，即低電壓。但電弧電壓過(guò)低，電弧引燃困難，焊絲會(huì)插入熔池，電弧也不能穩(wěn)定燃燒；若電話電壓過(guò)高，則由短路過(guò)渡轉(zhuǎn)化為粗滴的長(zhǎng)弧過(guò)渡，焊接過(guò)程不穩(wěn)定。 選擇焊接速度主要根據(jù)生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量。焊速過(guò)快，保護(hù)效果差同時(shí)使冷卻速度加大，使焊縫塑性降低，且不利于焊縫成形，易形成咬邊缺陷；焊速過(guò)慢，熔敷金屬在電弧下堆積，電弧熱和電弧力受阻礙，焊道不均勻，且焊縫組織粗大。在實(shí)際生產(chǎn)中。 當(dāng)其他焊接參數(shù)不變時(shí)，隨著焊絲伸出長(zhǎng)度的增加，焊接電流下降，熔深也減??；焊絲上的電阻熱增大，焊絲熔化加快，從提高生產(chǎn)效率上看這是有利的。但是當(dāng)焊絲伸出長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，焊絲容易發(fā)生過(guò)熱而成段熔斷，飛濺嚴(yán)重，焊接過(guò)程不穩(wěn)定。同時(shí)焊絲伸出長(zhǎng)度增加后，噴嘴與工件間的距離亦增大，因此氣體保護(hù)效果變差。焊絲伸出長(zhǎng)度過(guò)小，會(huì)妨礙觀察電弧，影響焊工操作；同時(shí)飛濺金屬容易堵塞噴嘴；另外還會(huì)使導(dǎo)電嘴過(guò)熱而夾住焊絲，甚至燒毀導(dǎo)電嘴。很據(jù)經(jīng)驗(yàn)，合適的焊絲伸出長(zhǎng)度一般為焊絲直徑的1012倍。 CO2焊主要采用直流反接法。能得到飛濺小，電弧穩(wěn)定，焊縫成形好，熔深大，焊縫金屬含氫量低的焊縫。 氣體流量主要根據(jù)對(duì)焊接區(qū)域的保護(hù)效果來(lái)決定。在焊接電流較大、焊接速度較快、焊絲伸出長(zhǎng)度較長(zhǎng)以及室外作業(yè)等情況下，氣體流量要適當(dāng)加大。粗絲CO2焊氣體流量在1525L/min?；诒菊n題，5mm單道焊平板對(duì)接模型，通過(guò)查取《熔焊方法與設(shè)備》和《實(shí)用焊接手冊(cè)》，選擇熔化極CO2氣體保護(hù)焊，滴狀過(guò)渡，焊絲為H08Mn2SiA，焊接層數(shù)1層，具體參數(shù)如下：電弧電壓U=30V，焊接電流I=300A，焊接速度為6mm/s，氣體流量15L/min。 溫度場(chǎng)的模擬及分析 瞬態(tài)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果圖3圖3圖3。圖31圖32圖33圖34圖35是平板在如圖所示節(jié)點(diǎn)方向上從焊接開始到焊后冷卻整個(gè)過(guò)程的溫度曲線。 圖35 溫度場(chǎng)的對(duì)比分析從圖3333我們可以看到，平板的初始溫度為200℃，即焊前預(yù)熱溫度。在焊接過(guò)程中試板上形成穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，圖上等溫線的形狀呈現(xiàn)為以焊接方向?yàn)殚L(zhǎng)軸的近似1/4橢圓形。焊接熱源前方等溫線密集，溫度梯度大，后方等溫線稀疏，溫度梯度小。焊接熔池形狀為雙橢球形，試板焊縫處附近的溫度場(chǎng)成梯度分布，溫差較大；由于試板只有5mm厚，所以遠(yuǎn)離焊縫部分的溫差很小。從圖34可看到焊后冷卻后形成的溫度場(chǎng)，冷卻后平板溫度大概在168℃左右。從圖35可以看出在如圖所示所選節(jié)點(diǎn)處，即焊縫3/4熔深處，溫度達(dá)到了45鋼的熔點(diǎn)1350℃，說(shuō)明平板焊