CN103366044A - 一种基于ansys预测cmt焊缝形状尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于ANSYS预测CMT焊缝形状尺寸的方法，包括步骤：S1采集CMT焊接过程数据；S2建立有限元分析模型并对焊缝余高进行处理；S3网格划分；S4热源处理；S5控制方程确立；S6获得瞬态温度场，计算温度场分布，计算时间步长采用自适应步长，根据焊接温度场的计算结果得出焊缝截面形状与尺寸，并与焊缝实物尺寸比较。预测是在以下假设上进行的：宽度方向上边界换热条件和几何形状对称；材料的热物理性能随温度变化；不考虑熔池金属的蒸发。本发明简便、快速且考虑到各种力对熔池的影响、结果客观，能获得很高的CMT焊缝形状尺寸的预测精度和整个CMT焊接过程温度分布的详细信息，为焊接过程提供设定和优化参数；应用性强。

Description

一种基于ANSYS预测CMT焊缝形状尺寸的方法

技术领域

本发明涉及一种基于有限元（ANSYS）的预测冷金属过渡（Cold Metal Transfer，CMT）焊缝形状尺寸的方法。

背景技术

现代制造业对焊接生产过程提出了高质量和高效率的要求。为了提高焊接质量，要求减少焊接过程中电弧对母材的热输入，从而减小工件残余变形量和热影响区尺寸。

冷金属过渡（Cold Metal Transfer，CMT）技术是一种全新的革命性的短路过渡技术，实现了无电流状态下的熔滴过渡，当发生短路时，焊丝即停止前进并自动地回抽，在这种方式中，电弧自身输入热量的过程很短，短路发生，电弧即熄灭，热输入量迅速地减少，相对于传统的MIG/MAG焊接过程而言，电弧温度和熔滴温度比较低，热输入更小。

过去在焊接过程中，焊缝几何尺寸的测定是在焊接之后，在焊缝长度方向的不同位置，分别截取焊缝的横截面试样，制成宏观金相试样后，利用读数显微镜（分辨率为0.01mm）测定熔深、熔宽等几何参数，并在进行大量的工艺试验后，经过反复测量，取若干次的平均值作为测试结果。这种方法过程比较繁琐，尤其是在显微镜下读数时受主观因素较大，这在一定程度上影响了焊缝形状尺寸的准确度，进而不能够准确分析焊接质量。

为了实现CMT焊接工艺的工业应用，须解决这种新型焊接方法的关键工艺理论问题，对CMT过程进行有限元计算，定量分析相应的焊接温度场与焊缝形状尺寸，将为这种新工艺的参数优化提供基础数据。为了充分反映过程的物理本质，应充分考虑熔池内部流场的作用以及熔池表面的变形，但是，从实际应用的角度出发，应抓住过程的主要特点，将模型和计算过程简化。因此，将CMT作为适当热源作用下的固体热传导问题来处理，将着重点放在焊缝形状尺寸的预测上，加快计算分析的速度。

例如技术文献资料中的“基于有限元分析对新型DE_GMAW焊缝尺寸预测”（张明贤，武传松，李克海等．焊接学报，2007，02）利用SYSWELD软件，采用高斯热源对DE_GMAW焊缝尺寸进行预测。由于SYSWELD主要功能是对焊后工件组织、变形、应力应变的分析，故对焊接温度场模拟过程的处理相对简单一些，没有考虑各种力对熔池的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于ANSYS预测CMT焊缝形状尺寸的方法，本方法过程简便、预测快速准确，且考虑到各种力对熔池的影响、结果客观。

解决上述技术问题，本发明采用的技术解决方案如下：

一种基于ANSYS预测CMT焊缝形状尺寸的方法，其特征是包括以下步骤：

（1）采集焊接过程数据

包括：

焊接参数：焊接电流、焊接电压、送丝速度和焊接速度；

材料热物性参数：热传导系数、比热、密度和散热系数；

初始信息：焊件尺寸和环境温度；

（2）建立有限元分析模型

对焊缝余高的处理：在有限元分析中，焊缝的余高预先加到工件上，在计算过程中采用单元激活的方法处理；为了简化计算，设余高横截面轮廓曲线为：y=ax²(a＜0)，如图1所示；θ根据焊接工艺的实际情况适当的选取，由图1可以看出

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}{|}_{y=-h}=\tan \mathrm{\θ}$

即

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}{|}_{y=-h}=2\mathrm{ax}{|}_{x=-\sqrt{\frac{h}{a}}}=-2a\sqrt{-\frac{h}{a}}=\tan \mathrm{\θ}$

因此，

$h=-\frac{{\tan }^2\mathrm{\θ}}{4a}$

由于单位时间内熔敷的金属量是已知的，即图中的金属液体截面积A已知，可以表示为：

$A=\frac{\mathrm{\π}{d_f}^2{v}_f}{4v_0}$

式中：d_f为焊丝直径；v_f为送丝速度；v₀为焊接速度。

因为

$A=2{\∫}_0^{\sqrt{-h/a}}({\mathrm{ax}}^2+h)\mathrm{dx}$

所以可得

$a^2=\frac{{2v}_0{\tan }^3\mathrm{\θ}}{{{3\mathrm{\πd}}_f}^2{v}_f}$

由上式可以得到a值，进而求出h，这样焊缝余高的横截面形状就被确定了；

（3）网格划分

采用8节点六面体的不均匀网格来处理计算精度与计算时间之间的矛盾，工件分成3个部分：焊缝区、过渡区和远离焊缝区；其中焊缝区采用较密（网格大小为0.0002m）的网格，远离焊缝区采用较疏（网格大小为0.005m）的网格，过渡区采用自由网格划分方法；

（4）热源处理

焊接热源模型的建立是进行焊接热过程和熔池行为分析的前提和条件，CMT焊接技术由于产生较大的焊缝深宽比，焊接热源的热流沿焊件厚度方向施加很大的影响，因此需要按某种恰当的体积分布热源来处理；为了考虑电弧热流沿焊件厚度方向的分布，体积分布热源可以用椭球体模式来描述，常见的有半椭球体分布热源和双椭球体分布热源；由于在CMT焊接过程中，焊接速度的影响，电弧前方的加热区域要比电弧后方的小，加热区域不是关于电弧中心线对称的单个的半椭球体，而是双半椭球体，并且电弧前、后的半椭球体形状也不同，因此作用于焊件上的体积热源分成前、后两部分；

（5）控制方程的确立

固定坐标系(x,y,z)下的热传导方程为

$\mathrm{\ρ}{c}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(k\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q(x,y,z)$

式中：ρ为金属的密度；c_p为定压比热容；T为温度；t为时间；k为导热系数；(x,y,z)为固定的三维直角坐标；

在移动坐标系中热传导方程为：

${\mathrm{\ρc}}_p[\frac{\∂T}{\∂t}+(-v_0)\frac{\∂T}{\∂y}]=\frac{\∂}{\∂x}\left(k\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q_a$

式中：v₀为焊接速度；x,y,z为移动坐标系的三个坐标轴；q_a为电弧作用范围内的体积热源；

上式的定解条件如下，

④工件上表面有

$k\frac{\∂T}{\∂z}=q_s-q_{\mathrm{cr}}-q_{\mathrm{evp}}$

q_cr=k_cr(T-T_a)

q_evp=m_erL_b

式中：q_s为所施加的双椭球热源；q_cr为因对流和辐射而散发的热流密度；q_evp为因蒸发而散失的热流密度；k_cr为对流和辐射边界的综合导热系数；T_a为环境温度；m_er为蒸发率；L_b为蒸发潜热常数；

⑤工件下表面有

$-k\frac{\∂T}{\∂z}=-q_{\mathrm{cr}}$

⑥对称面(x=0)有

$\frac{\∂T}{\∂x}=0$

初始条件为

T(x,y,z,0)=T_a

（6）获得瞬态温度场：针对实例计算温度场分布，计算时间步长采用自适应步长，根据焊接温度场的计算结果可以得出焊缝截面形状与尺寸，并与焊缝实物尺寸比较；

上述预测是在以下假设上进行：

宽度方向上边界换热条件和几何形状对称；

材料的热物理性能随温度变化；

不考虑熔池金属的蒸发。

有益效果：本发明的基于ANSYS的预测CMT焊缝形状尺寸的方法，简便、快速且考虑到各种力对熔池的影响、结果客观；且本发明采用功能强大，应用广泛的ANSYS软件来对CMT焊缝形状尺寸进行预测，ANSYS软件能对CMT焊接传热的传导、对流和辐射三种类型的热传递进行稳态和瞬态、线性和非线性分析；其热分析还可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热－结构耦合分析能力。

附图说明

图1是本发明的焊缝余高横截面计算示意图；

图2是本发明的焊接材料热物性参数；

图3是本发明的网格划分图示意图；

图4是本发明的CMT焊接温度场分布云图；

图5是本发明的CMT实物焊缝横截面图；

图6是本发明的预测CMT焊缝形状与尺寸图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

实施例

基于ANSYS预测CMTQ235钢平板堆焊过程模拟中Q235钢平板堆焊过程模拟中焊缝形状尺寸的方法，包括以下步骤：

（1）采集焊接过程数据，包括：

焊接参数：焊接电流234A，焊接电压21V，送丝速度10.0m/min，焊接速度16.7mm/s

材料热物性参数：热传导系数，比热，密度（如图2所示）；

初始信息：焊件尺寸200mm×50mm×3mm，环境温度20℃；

（2）建立有限元分析模型

对焊缝余高的处理：在有限元分析中，焊缝的余高预先加到工件上，在计算过程中采用单元激活的方法处理；为了简化计算，设余高横截面轮廓曲线为：y=ax²(a＜0)，θ根据焊接工艺的实际情况适当的选取，得：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}{|}_{y=-h}=\tan \mathrm{\θ};$

即

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}{|}_{y=-h}=2\mathrm{ax}{|}_{x=-\sqrt{\frac{h}{a}}}=-2a\sqrt{-\frac{h}{a}}=\tan \mathrm{\θ};$

因此，

$h=-\frac{{\tan }^2\mathrm{\θ}}{4a};$

由于单位时间内熔敷的金属量是已知的，即金属液体截面积A已知，表示为：

$A=\frac{\mathrm{\π}{d_f}^2{v}_f}{{4v}_0}$

式中：d_f为焊丝直径；v_f为送丝速度；v₀为焊接速度；

因为

$A=2{\∫}_0^{\sqrt{-h/a}}({\mathrm{ax}}^2+h)\mathrm{dx};$

所以可得

$a^2=\frac{{2v}_0{\tan }^3\mathrm{\θ}}{{{3\mathrm{\πd}}_f}^2{v}_f};$

由上式可以得到a值，进而求出h，焊缝余高横截面形状被确定；

从上面的焊接参数由经验分析tanθ取0.75，其中焊丝直径取1.2mm，这样根据公式就可以确定焊缝余高的横截面形状。

（3）对模型进行网格划分

采用8节点六面体的不均匀网格，工件分成3个部分：焊缝区、过渡区和远离焊缝区；其中焊缝区采用网格大小为0.0002m的网格，远离焊缝区采用网格大小为0.005m的网格，过渡区采用自由网格划分方法，划分结果如图3所示。

（4）热源处理

按体积分布热源处理，采用双半椭球体分布热源，电弧前、后的半椭球体形状不同；

（5）控制方程的确立

固定坐标系(x,y,z)下的热传导方程为

$\mathrm{\ρ}{c}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(k\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k\frac{\∂t}{\∂z}\right)+q(x,y,z);$

式中：ρ为金属的密度；c_p为定压比热容；T为温度；t为时间；k为导热系数；(x,y,z)为固定的三维直角坐标；

在移动坐标系中热传导方程为：

${\mathrm{\ρc}}_p[\frac{\∂T}{\∂t}+(-v_0)\frac{\∂T}{\∂y}]=\frac{\∂}{\∂x}\left(k\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q_a;$

式中：v₀为焊接速度；x,y,z为移动坐标系的三个坐标轴；q_a为电弧作用范围内的体积热源；

上式的定解条件如下，

1、工件上表面有

$k\frac{\∂T}{\∂z}=q_s-q_{\mathrm{cr}}-q_{\mathrm{evp}}$

q_cr=k_cr(T-T_a)

q_evp=m_erL_b

式中：q_s为所施加的双半椭球体热源；q_cr为因对流和辐射而散发的热流密度；q_evp为因蒸发而散失的热流密度；k_cr为对流和辐射边界的综合导热系数；T_a为环境温度；m_er为蒸发率；L_b为蒸发潜热常数；

2、工件下表面有

$-k\frac{\∂T}{\∂z}=-q_{\mathrm{cr}}$

3、对称面(x=0)有

$\frac{\∂T}{\∂x}=0$

初始条件为

T(x,y,z,0)=T_a；

（6）获得瞬态温度场：计算温度场分布，计算时间步长采用自适应步长，根据焊接温度场的计算结果得出焊缝截面形状与尺寸；

上述预测是在以下假设上进行的：

宽度方向上边界换热条件和几何形状对称；

材料的热物理性能随温度变化；

不考虑熔池金属的蒸发。

采用前述焊接计算模型和复合热源模型，通过用户子程序实现热源移动，模拟得焊接温度场如图4所示，焊缝实物如图5所示，最后得出焊缝形状尺寸的实测值与计算值如图6所示。

Claims (2)

1.一种基于ANSYS预测CMT焊缝形状尺寸的方法，其特征是包括以下步骤：

S1采集焊接过程数据

包括：

焊接参数：焊接电流、焊接电压、送丝速度和焊接速度；

材料热物性参数：热传导系数、比热、密度和散热系数；

初始信息：焊件尺寸和环境温度；

S2建立有限元分析模型

对焊缝余高的处理：在有限元分析中，焊缝的余高预先加到工件上，在计算过程中采用单元激活的方法处理；为了简化计算，设余高横截面轮廓曲线为：y=ax²(a＜0)，θ根据焊接工艺的实际情况适当的选取，得：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}{|}_{y=-h}=\tan \mathrm{\θ};$

即

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}{|}_{y=-h}=2\mathrm{ax}{|}_{x=-\sqrt{\frac{h}{a}}}=-2a\sqrt{-\frac{h}{a}}=\tan \mathrm{\θ};$

因此，

$h=-\frac{{\tan }^2\mathrm{\θ}}{4a};$

式中：a为曲线参数；h为焊缝高度；θ为焊缝与母材之间的夹角；

由于单位时间内熔敷的金属量是已知的，即金属液体截面积A已知，表示为：

$A=\frac{{{\mathrm{\πd}}_f}^2{v}_f}{4v_0}$

式中：d_f为焊丝直径；v_f为送丝速度；v₀为焊接速度；

因为

$A=2{\∫}_0^{\sqrt{-h/a}}({\mathrm{ax}}^2+h)\mathrm{dx};$

所以可得

$a^2=\frac{{2v}_0{\tan }^3\mathrm{\θ}}{{{3\mathrm{\πd}}_f}^2{v}_f};$

由上式可以得到a值，进而求出h，焊缝余高横截面形状被确定；

S3网格划分

采用8节点六面体的不均匀网格，工件分成3个部分：焊缝区、过渡区和远离焊缝区；其中焊缝区采用网格大小为0.0002m的网格，远离焊缝区采用网格大小为0.005m的网格，过渡区采用自由网格划分方法；

S4热源处理

按体积分布热源处理，采用双半椭球体分布热源，电弧前、后的半椭球体形状不同；

S5控制方程的确立

固定坐标系(x,y,z)下的热传导方程为

$\mathrm{\ρ}{c}_p\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(k\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q(x,y,z);$

式中：ρ为金属的密度；c_p为定压比热容；T为温度；t为时间；k为导热系数；(x,y,z)为固定的三维直角坐标；

在移动坐标系中热传导方程为：

${\mathrm{\ρc}}_p[\frac{\∂T}{\∂t}+(-v_0)\frac{\∂T}{\∂y}]=\frac{\∂}{\∂x}\left(k\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(k\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(k\frac{\∂T}{\∂z}\right)+q_a;$

式中：v₀为焊接速度；x,y,z为移动坐标系的三个坐标轴；q_a为电弧作用范围内的体积热源；

上式的定解条件如下，

①工件上表面有

$k\frac{\∂T}{\∂z}=q_s-q_{\mathrm{cr}}-q_{\mathrm{evp}}$

q_cr=k_cr(T-T_a)

q_evp=m_erL_b

式中：q_s为所施加的双半椭球体热源；q_cr为因对流和辐射而散发的热流密度；q_evp为因蒸发而散失的热流密度；k_cr为对流和辐射边界的综合导热系数；T_a为环境温度；m_er为蒸发率；L_b为蒸发潜热常数；

②工件下表面有

$-k\frac{\∂T}{\∂z}=-q_{\mathrm{cr}}$

③对称面(x=0)有

$\frac{\∂T}{\∂x}=0$

初始条件为

T(x,y,z,0)=T_a；

S6获得瞬态温度场：计算温度场分布，计算时间步长采用自适应步长，根据焊接温度场的计算结果得出焊缝截面形状与尺寸；

上述预测是在以下假设上进行的：

宽度方向上边界换热条件和几何形状对称；

材料的热物理性能随温度变化；

不考虑熔池金属的蒸发。

2.根据权利要求1所述的基于ANSYS预测CMT焊缝形状尺寸的方法，其特征是：所述的步骤S2中，tanθ取0.75。

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