薄板单面焊接温度场的数值分析

【摘要】：现代造船行业中,6mm及以下焊接薄板结构被大量地应用于船舶上层建筑及一些滚装船的汽车甲板上。薄板结构的焊接变形是焊接领域亟需解决的一大难题。焊接变形通常是由多种因素共同作用而引起的,而且涉及电弧物理、传热学、冶金学、力学等多门学科,情况复杂而且难于预测。随着近年我国造船业的快速发展,靠累积经验来控制焊接中的残余变形的传统方法已经远不能满足实际生产要求。因而,我们有必要深入研究焊接变形的原理,从理论上指导焊接生产实践。对焊接变形的预测与计算始于上世纪二三十年代,但是,直到计算机技术被推广普及,大型有限元软件得以开发使用,使用计算方法模拟复杂焊接过程才成为可能。在制造业,采用计算机模拟技术可以使材料利用率增加25%,生产成本节省30%,从产品设计到实际投产的时间缩短40%[1],因此,计算机模拟为焊接技术的科学发展创造了有力的条件。焊接是一个局部瞬时加热并随后自然冷却的热过程。在焊接过程中,温度迅速而剧烈的变化不但影响着金属焊缝的组织,而且对接头的力学性能和焊后的残余变形也有很大作用。因而研究焊接温度场的变化具有很现实的意义。本文在研究过程中,运用大型通用有限元软件ANSYS中的热力学模块,基于陶质衬垫CO_2气体保护焊工艺试验实例,以两块等尺寸6(mm)厚钢板的陶瓷衬垫单面对接平焊工艺作为对比研究对象,进行了薄板单面焊接温度场的三维数值模拟。在数值模拟中利用参数化编程语言(APDL)实现热源沿焊缝的移动(第二次焊接从第一次焊接起始位置开始);采用单元“死生”技术模拟了多道焊中熔池金属填充焊缝过程。本文研究了单面焊焊缝多道焊温度场的三维动态模拟,建立了可靠的研究方法,为进一步研究应力应变场及改进焊接工艺提供了理论依据和指导,促进了焊接有限元分析技术的推广应用。