Page 130 - 机械工程材料2024年第十一期

吴叶军，等：考虑侧壁热源的摇动电弧窄间隙GMA焊接温度场有限元模拟

2.2.2 侧壁停留过程中的热源模型 制方程，通过ANSYS软件对瞬态温度场进行计算。
电弧分热源的热源中心也可由式（2）~式（4）描 焊件表面考虑对流及辐射散热，环境及初始温度设
述，通过坐标转换后得到原坐标系下的热源模型分 为20 ℃，熔点取1 500 ℃。Q370qE钢的热物理性能

布函数，如下： 参数见表1。
12 3 IU
η
q = 1
f1 a +a bc ππ
( f1 r1 ) 1 1 （7）
 3 2 3y′ 2 3x′ z  ′ 2
exp -   2 - -   (x≥ 0)
 a b 1 f1 c 1 
12 3 IU
η
q r1 = 1
a
bc ππ
( f1 +a r1 ) 1 1 （8）
 3 2 3y′ 2 3x′ z  ′ 2
x
exp -   - -   ( < 0) 图 6 焊接接头网格划分示意
 a 2 b 1 r1 c 1  Fig. 6 Meshing diagram of welded joint
式中： η 为电弧分热源的热效率。 表1 Q370qE钢的热物理性能参数
1
侧壁热源的中心（x ，y ，z ） ［11］ 可表示如下： Table 1 Thermophysical performance parameters of
2c
2c
2c
 α  π Q370qE steel
r
x = vt + sin  - + t ω  （9）
2c 0 0
 2 2  温度/℃ 密度/(g · cm ) 热导率/ 比热容/
−3
−1
−1
(W·m −1 · ℃ ) (J · kg −1 · ℃ )
p
y 2c =± （10） 20 7 800 51.9 450
2
100 7 740 51.1 499
d
z 2c =+b （11） 300 7 700 46.1 565
2
式中：p为焊件坡口间隙；d为焊趾到焊件底部的距 550 7 610 37.5 705
离；b 为热源分布参数。 750 7 550 30.6 1 080
2
侧壁热源采用双椭圆平面热源模型 ［13］ 描述，表 1 000 7 490 29.4 437
达式为 1 200 7 400 29.7 400
2
2
q = 6 η 2 exp -   3 IU x 2c 3y  2c  3 模拟结果与讨论
f2 a +a b π a 2  - b 2 
( f2 r2 ) 2  f2 2  （12）
(x≥ 0) 3.1 试验验证
由图7可见：未考虑侧壁热源时，焊缝截面左右
q r2 = 6 η 2 exp -   3 IU x 2  2 2c - 3y  2 2 2c   两侧壁熔合线最高点的深度相比于试验结果更大，
a
b π
( f2 +a r2 ) 2  a r2 b 2  （13） 二者相差0.7 mm；考虑侧壁热源时，左右两侧壁熔
( < 0)
x
合线最高点的深度减小，与试验结果相差0.1 mm。
式中：q 为前半部分椭圆热流分布函数；q 为后半 由图8可知，考虑与不考虑侧壁热源2种条件下，模
f2 r2
部分椭圆热流分布函数； η 2 为侧壁热源的热效率； 拟得到焊接接头不同测试点的热循环曲线的变化趋
a f2 ， a r2 为热源分布参数。 势与试验结果基本吻合，最大偏差出现在T 1 点，峰
2.3 有限元模型 值温度的相对误差分别为1.8%和3.4%。不考虑侧
依据摇动电弧窄间隙焊接坡口形式，利用 壁热源时，模拟得到的T1点的峰值温度较试验结果
ANSYS有限元软件建立焊接接头的几何模型，并进 低约28 ℃，这是因为不考虑侧壁热源时热源沿着焊
行网格划分，焊缝区网格尺寸为0.6~1.0 mm，热影 丝方向指向熔池底部，热量主要集中在熔池底部，而
响区网格尺寸为2~3 mm，母材区网格尺寸为5 mm 测温点高度与焊缝上表面相当，因此温度偏低。考
左右，采用SOLID70单元，六面体单元网格，具体的 虑侧壁热源时将一部分电弧热源分解到侧壁，因此
网格划分如图6所示。采用生死单元法反映填充金 模拟得到的T1点的峰值温度较试验结果高约15 ℃。
属对焊接传热过程的影响。将上述模型代入传热控 对比可知，考虑侧壁热源的热源模型能更加准确地
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