GTAW电弧温度场与流场数值模拟
固定电弧等离子弧焊接热传导的数值计算
固定电弧等离子弧焊接热传导的数值计算董红刚, 高洪明, 吴 林(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨 150001)摘 要:针对固定电弧等离子弧焊接过程建立了二维稳态热传导模型,在模型中考虑了工件表面与周围环境换热及辐射散热对整个焊接热过程的影响,并且将焊接电流在流经工件时产生的焦耳热作为热能方程的源项进行计算。
针对所建立的模型,采用大型商业软件PHOEN ICS(Parabolic hyperbolic or elliptic numerical integration code series)对工件中的温度场以及电流密度的分布进行了计算。
采用该软件对焊接热过程进行数值模拟,可以很方便地对求解变量和边界条件进行操作,显著提高了效率。
比较结果显示,计算结果与实际测量结果吻合良好。
关键词:固定电弧;等离子弧焊;热传导;数值计算中图分类号:TG402 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2002)04-24-04董红刚0 序 言在焊接领域,针对传统的非熔化极钨极氩弧焊(GTAW)和熔化极氩弧焊(GMAW)焊接过程开展的数值模拟工作已经取得了很大的进步[1],但是在等离子弧焊接(PAW)过程中,由于经过压缩后的等离子电弧的特殊性,以及等离子弧焊接熔池独有的特点,尤其是在存在小孔的情况下,使得针对该焊接方法的数值模拟工作产生了很大的困难。
很多研究者在这方面开展了大量的工作,并且也取得了不小的进步。
美国加州大学伯克利分校的Hsu Y F[2]很早就对小孔等离子弧焊接传热与流体流动现象进行数值计算研究工作,作者针对匀速小孔等离子弧平板焊建立了二维准稳态有限元数值模型,没有考虑熔池中高温液态金属蒸发的影响,并且小孔形状预先假定,小孔半径给定为2mm,模型建立在与焊枪垂直的二维平面内,采用Newton2raphson迭代方法求解了小孔等离子弧焊接过程的流场和温度场。
1993年Keanini R G[3]对等离子弧焊接过程建立了三维准稳态有限元模型,计算了小孔等离子焊接熔池中的温度场和流场。
等离子弧焊接熔池流场和温度场三维数值模拟
（３）合理的疏密分布：在流场参数变化率较大的区域（如焊接熔池区、液固两相区等）及几何形状变化剧烈的区域采用较密的网格：（４）正交性：物面上尽可能地保证网格线的正交性，保证边界上的计算精度；（５）单值性：物理域与计算域上点一一对应，不能有网格线相交和重叠。
由于工件上存在较大的温度梯度，尤其是靠近电弧附近，温度梯度最大，离热源越远，温度梯度越小，因此把热源附近的网格分的细一些，而在远离熟源处则采用较粗的网格，这样就可以在不增加单元和节点数量静条件下提高计算精度。
有限元方法的优点之一是能很好地适应物理域复杂的几何形状，可以生成非均匀网格。
图３·１三维模型及非均匀阐格系统示意｛耋｛ＡＮＳＹＳ中网格类型有自由网格和映射网格两种。
自由网格对于实体模型无特殊要求。
对任何几何模型，规则的或不规则的，都可以进行网格划分，并且没有特定的规则。
所用单元形状取决于对面还是对体进行网格划分，自由面网格可以只由四边形单元组成，也可以只由三角形单元组成，或由两者混合组成：自由体网格一般限图４—１（ｂ）为焊接时问为０．２ｓ时温度情况，可以看出，在焊接热源作用下，电弧下方中心处工件温度迅速升高，工件开始熔化，并出现少量液相。
图４．１（ｃ）．（ｇ）即０．２ｓ，１．２ｓ时间段，随着焊接过程的进行，热输入量增加，焊接熔池温度不断升高。
液态金属量逐渐增多，熔池沿着径向和轴向两个方向扩展。
其中径向方向的扩展更为明显。
这主要是因为焊接初期，热传导起主要作用，形成的熔池体积较小，流体流动速度较低，等离子流力和电磁力纵向的挖掘作用较弱，因此熔池主要沿着径向方向扩展，轴向也伴随有一定程度的扩张。
焊接熔池形状近似成半椭圆形，并以椭圆形为基础逐渐长大。
图４一ｌ（ｈ）一（ｎ）即１．４ｓ．２．４ｓ时问段，随着焊接时间的延长，热输入量继续增加，焊接熔池液态金属量增多，液态金属的运动也逐渐加剧，此时熔池主要沿轴向方向扩展，熔深增加，直至熔透，径向方向上熔池尺寸也有一定程度的增加。
GTAW电弧温度场与流场数值模拟
GTAW电弧温度场与流场数值模拟樊丁;杜华云;张瑞华【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2004(034)008【摘要】基于自由燃烧的钨极氩弧焊电弧建立了二维稳态的轴对称模型,研究了电弧的传热和流体流动,计算了电弧温度场和速度场的分布.方程的求解采用以SAMPLE算法为基础编写的通用热流计算软件-PHOENICS(Parabolic hyperbolic or elliptic numerical integration code series).计算的条件为电弧电流200A,弧和mm,氩气作保护气体.计算得到的电弧温度、流体速度和电势分布与文献报导的测量结果吻合良好.【总页数】4页(P6-9)【作者】樊丁;杜华云;张瑞华【作者单位】兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料国家重点实验室,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料国家重点实验室,甘肃,兰州,730050;太原理工大学,材料科学与工程学院,山西,太原,030024;兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料国家重点实验室,甘肃,兰州,730050【正文语种】中文【中图分类】TG402【相关文献】1.直流GTAW电弧条件下钎料润湿铺展温度场的数值模拟及分析 [J], 李瑞峰;于治水;余春2.直流GTAW电弧钎焊温度场的数值模拟及分析 [J], 李瑞峰;于治水;余春3.外加变位磁场作用GTAW焊接电弧的数值模拟 [J], 周祥曼;刘练;陈永清;袁有录;田启华;杜义贤;何青松;付君健4.Q235与304L异种钢角焊缝GTAW电弧能量分配规律研究 [J], 赵金涛;岳建锋;谢昶;刘文吉;刘海华5.无熔滴电弧热丝GTAW自润滑耐磨堆焊层组织及性能 [J], 田春英;王军;庄明辉;李慕勤;杨小兵因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
《2024年基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》范文
《基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》篇一一、引言随着制造业和机械工程的不断发展，焊接作为连接各种金属材料的主要方法之一，其过程和结果的研究显得尤为重要。
焊接过程中，由于局部高温和材料相变，会产生复杂的温度场和应力分布。
这些因素对焊接接头的质量、强度和耐久性有着重要影响。
因此，对焊接温度场和应力的数值模拟研究具有重要的理论和实践意义。
本文将基于ANSYS软件，对焊接过程中的温度场和应力进行数值模拟研究。
二、焊接温度场的数值模拟研究1. 模型建立在ANSYS中，我们首先需要建立焊接过程的物理模型。
根据实际焊接条件和材料属性，设定合理的几何尺寸和材料参数。
同时，考虑到焊接过程中的热源分布、热传导和热对流等因素，我们采用适当的热源模型和边界条件。
2. 网格划分与求解在模型建立完成后，我们需要对模型进行网格划分。
网格的精细程度将直接影响模拟结果的准确性。
接着，我们设定求解器，根据热传导方程和边界条件进行求解。
通过求解，我们可以得到焊接过程中的温度场分布。
三、焊接应力的数值模拟研究1. 热弹性-塑性本构关系焊接过程中，由于温度的变化，材料将发生热膨胀和收缩。
这种热膨胀和收缩将导致应力的产生。
在ANSYS中，我们需要设定合理的热弹性-塑性本构关系，以描述材料的热膨胀和收缩行为。
2. 应力求解与分析根据热弹性-塑性本构关系和温度场分布，我们可以求解出焊接过程中的应力分布。
通过对应力结果进行分析，我们可以了解焊接接头的应力分布情况，从而评估焊接接头的质量和强度。
四、结果与讨论1. 温度场分布通过ANSYS模拟，我们可以得到焊接过程中的温度场分布。
温度场分布将直接影响焊接接头的质量和性能。
我们可以观察到，在焊接过程中，局部高温将导致材料发生相变和热膨胀。
同时，热对流和热传导将影响温度场的分布。
2. 应力分布在得到温度场分布的基础上，我们可以进一步求解出焊接过程中的应力分布。
应力分布将直接影响焊接接头的强度和耐久性。
低压直流电弧焊接过程中温度场与应力场的数值模拟
低压直流电弧焊接过程中温度场与应力场的数值模拟在工业生产中，低压直流电弧焊接已成为常用的一种焊接方式。
在焊接过程中，温度场和应力场是非常重要的参数。
通过数值模拟可以对这些参数进行预测和优化，在提高焊接质量和效率方面有着重要的作用。
首先，我们来了解一下低压直流电弧焊接的基本原理。
低压直流电弧焊接是在电流作用下将物体熔化并焊接在一起的一种方式。
电弧产生时，焊接区域温度迅速升高，形成一个高温区。
高温区内的金属熔化并与周围的金属融合，从而实现焊接目的。
在这个过程中，温度场和应力场是密切关联的。
温度场的变化会导致物体中的应力分布发生改变。
应力场的分布又会影响温度场的分布。
因此，在进行低压直流电弧焊接时，需要综合考虑温度场和应力场的影响。
数值模拟是对焊接过程中温度场和应力场进行预测和优化的常用方法。
数值模拟可以通过计算物体内部的温度和应力分布，提前判断焊接过程中可能出现的问题，并优化焊接参数，以达到最优的焊接效果。
一般来说，数值模拟有两种方法：有限元法和边界积分法。
有限元法通过将较复杂的物体划分为许多小的单元，对每个单元内部的温度和应力进行计算，再将单元之间的影响整合起来，得到整体的温度场和应力场分布。
边界积分法则先对物体表面和焊接区域的边界进行计算，再通过整合边界处的影响，计算出整体的温度场和应力场分布。
数值模拟的结果可以用来优化焊接参数，例如选择合适的焊接电流、焊接速度和焊接角度等，以减小应力集中和裂纹产生的风险。
对于焊接过程中可能出现的变形问题，也可以通过数值模拟来预测和优化。
这些预测和优化操作可以帮助人们在焊接过程中取得更好的效果。
综上所述，低压直流电弧焊接中温度场和应力场是焊接质量和效率的重要参数。
通过数值模拟，可以提前预测和优化这些参数，从而提高焊接质量和效率。
各种数值模拟方法都有其优点和适用范围。
在具体的生产中，需要综合考虑工艺条件和需求，选取合适的数值模拟方法和参数，以达到最佳效果。
GTAW电弧电势、电流密度和电磁力的数值模拟
ｂ ｅ ｉ ｌｔ ｄ ｈ ｏ ｇ ｈ ｔｅ ｒ ｆ ｅ ｅ ｔ ｅ ｎ ｓｍｕ ａ ｅ ｔ ｒｕ ｈ ｔ ｅ ｈ ｏｙ ｏ １ ｍｍａ ｎ ｔ ｍ． ｈ ｏ ｔ ｌ ｅ ｕ ｔ ｎ ｓ ｓ ｌｅ ｓｎ ｇ ｎ ｒ ｌ ｔ ｅ ｍｏ ｕ ｄ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｇ ｅｉ Ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｑ ａ ｉ ｓ ｗａ ｏｖ ｄ ｕ ｉ ｇ ａ ｅ ｅ ａ ｈ ｒ ｆ ｉ — ｃ ａ ｉｓ ｓ ｏ ｏ ｌ
杜 华 云 ， 樊 丁 ， 文 先 ， 王 卫英 慧 ， 并 社 ， 许
（． １太原理 工大学 材料科 学与 工程 学院 ， 山西 太原 ０ ０ ２ ；． 州理 工大 学 甘 肃省 有 ３ ０ ４ ２兰
色金 属新 材 料 国 家 重 点 实验 室 ， 肃 兰 州 ７ ０ ５ １ 甘 ３ ０ ０
结果与 文献 结果相 一 致 ， 验证 了 电弧理 论 的基本 观 点 。
Ｐ Ｅ ＩＳ 计 算 ＨＯ ＮＣ 。
关 键词 ： Ｔ Ｗ 电弧； ＧＡ 数值模拟 ； 电弧电势 电流密度 ； 电磁力
中圈分 类 号 ：Ｇ ０ Ｔ ４３
文 献标 识 码 ： Ａ
文章 编 号 ：Ｏ １２０（ ０） －０００ ｌ０－３３ ０６ ９０５－４ ２ ０
ｓ ｆ ａ ｅ， ＨＯＥ Ｃ ｗ ｉｈ ｓ ｂ ｓ ｄ ｏ ｔ ｅ Ｓ ｏｔ ｒ Ｐ ｗ ＮＩ Ｓ， ｈ ｃ ｉ ａ ｅ ｎ ｈ ＡＭＰ Ｅ ｌ ｏ ｔ ｍ． ｈ ｓ ｌｔ ｄ ｅ ｕ ｔ ｏ ｈ ｓ ｗｏ ｋ ｒ ｉ ｇ ｏ ａ ｒ ｅ ｎ ｗ ｔ Ｌ ａｇ ｒ ｈ Ｔ ｅ ｉ ａｅ ｒｓ ｌ ｆ ｔ ｉ ｉ ｍｕ ｓ ｒ ａ ｅ ｎ ｏ ｄ ｇ ｅ ｍｅ ｔ ｉ ｈ ｃａ ｓｃ ｌ ｈ ｏ ｎ ａｃ ｌ ｔｄ ｒｓ ｌ ｙ ｏｈ ｒ ． ｌ ｓ ｉａ ｅ ｒ ａ ｄ ｃ ｌ ｕ ａｅ ｅ ｕ ｔ ｂ ｔ ｅ ｓ ｔ ｙ ｓ
一种新型的GMAW三维温度场解析模型
存在较大的误差，分析为由于正面焊接过程中的添 加的熔滴金属热传导作用过大所致。
（３）以上该温度场模型建立在固体热传导的基 础上，没有考虑熔池对流与辐射的影响，这也是存在 误差的一个方面。
参考文献：
［１］李亮玉，陈树君．殷树言．基于焊接温度场正面信息的熔透 控制——Ｉ．三维温度场熔透解析模型及验证［Ｊ］．机械工程 学报，２０００，３６（９）：４１—４４．
…ｌ，Ｊ
唧Ｌ＿——————百百ｊ万————一Ｊ ｒ（石＋优一ｖｔｌ）２＋（口一，孔８）２＋（ｚ一２ｒｔＤ一珏）２ １
式中：秽表示焊接速度。在宽度和厚度方向上利用
映像法［１０｜，则（４）式变为
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万示君丽ｂＡｘ【．西瓦稿一 １
式中：死表示试件的初始温度；Ｐ，Ｃ，口分别表示密
度、比热容和热扩散率。
利用累积原理将电弧热源能量分布不同点对所
求点温升贡献进行叠加，然后考虑无数瞬时电弧热
源在不同瞬间的作用，则工件上某点Ｐ（菇，Ｙ，：）在ｔ
×而示ｔ杀ｔ 时刻动坐标系中温升变为
觚（”㈡＝，＇ｉ３４５ｑ万ｄｔＪｌ０觚√７ｒ √１２口（一，）＋Ｌａ ‘×
面和计算熔深处。焊透时，点热源分布于焊接工件
的上下表面。对于以上两种情况，上表面点热源ｑ。
占总熔滴热焓ｈ。的２，３，下表面点热源ｑ２占ｌ，３。
因此当焊接工件只考虑熔滴热焓的影响，则由此引
起焊接工件某点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）温升疋（ｘ，ｙ，ｚ）为
ｅｘｐ一Ｌ’—一——垫—型１等虱ｉ等ｉ厂手—幽—竺一］Ｊ（３Ｌｊ），
总的来说人们对ＧＭＡ焊三维解析温度场模型 的研究成果不是十分理想，这与ＧＭＡ焊接过程中存 在着复杂的物理过程有关，不仅焊接电流比较大而 且伴随着熔滴过渡，而熔滴对焊接熔透具有冲击和
外加纵向磁场GTAW平板堆焊温度场数值模拟与验证
外加纵向磁场GTAW平板堆焊温度场数值模拟与验证
罗键;赵国际;王向杰;覃玲萍
【期刊名称】《热加工工艺》
【年(卷),期】2010()3
【摘要】利用ANSYS对外加纵向磁场作用下GTAW平板堆焊过程温度场进行了数值模拟,并进行了实验验证。
结果表明,所采用的简单磁控焊接电弧热源模型在外加磁场作用下形成"钟罩形"电弧,模拟焊接温度场与实验结果基本吻合。
【总页数】3页(P133-135)
【关键词】纵向磁场;堆焊;温度场;模拟
【作者】罗键;赵国际;王向杰;覃玲萍
【作者单位】重庆大学机械传动国家重点实验室;重庆大学材料科学与工程学院【正文语种】中文
【中图分类】TG455
【相关文献】
1.外加纵向磁场作用TIG焊温度场的数值模拟 [J], 代巍;江淑园;张学武
2.外加纵向磁场GTAW焊缝成形机理 [J], 罗键;贾昌申;王雅生;薛锦
3.GTAW外加间歇交变纵向磁场的数值计算及其对焊接行为的影响 [J], 罗键;贾涛;殷咸青;薛锦;贾昌申
4.外加纵向磁场对GTAW焊接不锈钢接头宏观形貌及组织的影响 [J], 江淑园;张学武;陈焕明
5.外加纵向磁场GTAW焊接机理——Ⅱ.电弧模型 [J], 罗键;贾昌申;王雅生;薛锦;吴毅雄
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出了三维尺寸下的计算结果c%d$.7H7: SH><:’武传松和 雷永平等人分别对稳态下的 JI-] 电弧和熔池的流 场和温度场进行了耦合计算cNf!’d$董红刚利用 /231456, 对固定电弧等离子弧焊接热传导进行了数值计算c!!d& 张瑞华用该软件模拟了焊接过程非稳态的熔池温 度场分布c!"d$
图’
电弧的流场流态
和阴极区分别呈现较大的压力分布 ! 而远离这 - 个 区域!压力相应的减小 " 这一结果与文献549的计算结 果是相吻合的 "
图 - 电弧温度场分布
图 4 为电弧轴向的速度场的计算结果 " 等离子 体在自感应电磁场的中受到向阳极试板的电磁力 ! 磁场强度在阴极尖端附近最大 ! 速度场强度在电弧 阴极与阳极间最大 ! 远离这个对称轴则流速逐渐降 低 " 在电弧阴极的侧面 ! 速度是与坐标轴是反向的 ! 因为电弧的高温区域出现在阴极前端 ! 自然对流加 上电磁力使得该区域的速度呈现负值 " 图 ’ 为电弧 流场的流态 !箭头方向为流体的流动方向 "在阴极区 周围的层流性不好 ! 电极端头附近的少量气流是沿 着电极向上流动 !形成一个漩涡流 " 图 2 为电弧压力场的计算结果 ! 电弧的阳极区
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等人将自由燃烧电弧中的热辐射 ’ 流场 ’ 温度场进 行了耦合分析计算cPd$ / Q8AB:C>A 和 e e J:CW7;AH 给
收稿日期 !"’’*K’"K!% 基金项目 ! 教育部春晖计划资助项目 作 者 简 介 ! 樊 丁 L!‘P! %a&男 & 甘 肃 合 水 人 & 教 授 & 博 士 生 导
师 &主 要 从 事 焊 接 物 理 ’ 新 型 焊 接 方 法 以 及 焊 接 智能控制等方面研究工作 $
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第8期
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# 图2 电弧的压力场分布
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第.期
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序言
JI-]LJ7H IDCFHBAC -8= ]A;G<CF+ 电 弧 燃 烧 过
程是一个非平衡的 ’ 瞬时的 ’ 极不均匀的物理化学 过程 &它涉及电弧物理 ’ 辐射和热力学等方面 $ 由于 弧光的干扰 &焊接过程的实时检测与监控变得困难 & 数值模拟是有效研究方法 $.7H7: SH><: 等人早在
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轴向表达式
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第
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!‘N" 年就对焊接电弧的传热过程进行了分析计算c!d$ e e 0:[_A 和 0),7CH:CCACH 等人计算了双极扩散作
用下的自由燃烧模型c"d$ 樊丁和陈剑虹等人建立了较 完善的焊接电弧传热传质过程的数学模型 & 考虑了 紊流 &得出的温度场流场与实际相接近
c&f(d
/231456, 是英国帝国理工学院 R g ,@7;G<CF 教授所创立的 62-. 公司的主要产品 $ 该软件应用
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