基于ANSYS的铝合金薄板焊接温度场三维有限元模拟

金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding Hot Working Technology 2009,Vol.38,No.9

2009年5月

●焊接技术●

铝合金以其优异的比强度及良好的焊接性能成为一种重要的轻质结构材料,广泛应用于航空、航天、交通运输等部门。钨极惰性气体保护焊是焊接铝合金的一种主要焊接方式[1]。由于在焊接过程中局部快速加热及铝合金较大的热导率和较低的高温强度,致使焊后铝合金结构件常会出现较大的残余应力和变形，而残余应力主要由焊接过程中不均匀热循环作用引起，所以焊接瞬态温

度场的准确计算是进行焊接残余应力分析的前提。随着数值模拟技术的发展,对焊接温度场的研究已不只依赖于物理测量,利用有限元模拟的方法同样可以快速、准确地得到焊接温度场的分布，并预测其动态变化过程。本文结合TIG 焊接的实际过程,建立了计算模型，基于ANSYS 有限元分析软件平台，对铝合金平板焊过程的温度场进行了数值模拟计算。

1TIG 焊热力学模型

TIG 焊接包括起弧、熔池形成、熔池长大、熔

透、达到宏观准稳态、熄弧的过程[2]。焊接热过程取决于外加热源的分布形式，材料的热物理性能以及与周围的换热。三维温度场的计算模型可描述为：

收稿日期：2009-01-08

基金项目：河南省科技攻关重点项目（624260007）

作者简介：陈玉喜（1981-），男，河南信阳人，硕士，主要从事新型焊

接电源及其控制的研究工作；

电话：136********；E-mail ：chenyuxi184@https://www.sodocs.net/doc/1b17714050.html,

基于ANSYS 的铝合金薄板焊接温度场

三维有限元模拟

陈玉喜，朱锦洪，石红信，丁高剑

（1.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471000；2.河南科技大学河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室，河南洛阳471000）

摘

要：针对铝合金薄板对接焊，采用双椭球热源分布模式，基于ANSYS 软件平台，建立了运动电弧作用下

焊接过程的有限元数值分析模型。在模拟的过程中，利用ANSYS 软件的APDL 语言，较好地模拟了焊接时焊接电弧移动加热过程以及整个温度场的瞬态变化，实现了参数化编程。对模拟的动态过程进行分析，得到了焊件温度场的分布规律,为以后焊接应力应变的准确分析奠定了基础。

关键词：铝合金薄板；TIG 焊；ANSYS ；温度场；数值模拟中图分类号：TG444+.74

文献标识码：A

文章编号：1001-3814(2009)09-0088-03

3-D Finite Element Analysis of Temperature Fields for Aluminum Alloy Sheet

TIG Welding Based on ANSYS Software

CHEN Yuxi,ZHU Jinhong,SHI Hongxin,DING Gaojian

(1.School of Materials Science and Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471000,China ;2.Henan University of Science and Technology,Henan Key Laboratory of Advanced Non -ferrous Metals,Luoyang 471000,China )

Abstract ：A double elliptic distribution model of moving heat-source was used to TIG welding of thin plate with aluminum alloy,and a 3-D non-linear FEM analysis model was established based on ANSYS https://www.sodocs.net/doc/1b17714050.html,ing APDL language of ANSYS software,the moving and heating course of welding arc and instantaneous change of the whole temperature field were simulated better on butt joint welding.The regulation of temperature field distribution was obtained by analing of the dynamic process simulation.Research results are good for the analysis of welding stress and strain field further .

Key words ：thin aluminum alloy plate ；TIG welding ；temperature fild ；numerical simulation

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金属铸锻焊技术

Casting·Forging·Welding

上半月出版

温度T(x,y,z,t)作为空间坐标(x,y,z)与时间t的函数,

在区域Ω中任何一点满足下列微分方程[3],即

ρc坠T

坠t

=荦·(K荦T)+Q軍(1)

利用Galerkin法，可将（1）式写成有限元的矩

阵表达式，即单元总体合成为

[K]軍軍

T+[C]坠

坠t ；；

T=；；

P(2)

其中：[K]为热导矩阵；[C]为热容矩阵；；；

P为热流矩阵。

2建立有限元模型

2.1实验材料与方法

实验材料为5A06铝合金,尺寸为100mm×60 mm×3mm。待焊工件清洗干燥后，固定在TIG焊平台进行平板对接焊。焊接工艺参数为：钨极直径2.4 mm，电弧电压14V，焊接电流（交流）120A。

2.2网格划分

以焊缝中心为其几何对称面,取试样的1/2进行建模。在焊缝区和远离焊缝区选用ANSYS中进行热分析的SOLID70八节点单元,而在二者之间采用自由网格划分。网格划分方案如图1所示。

2.3材料的热物理性能参数

5A06铝合金在不同温度下的比热容、线膨胀系数、导热系数如图2所示,其中部分参数引用了文献[4]的数据,400℃以上的数据用外推法获得。

2.4热源模型及边界条件

焊接数值模拟中常用的高斯热源虽然能够描述表面热流的形式,但是对于厚度方向上的热源形状只能靠材料本身的导热来获得。因此高斯热源的定义在三维热传导分析中会带来不必要的误差。解决这一问题的有效方法是采用Goldak提出的双椭球热源模型[5]，可获得更满意的结果。

前半部分椭球模型定义为[6]

q(x,y,z,t)=

63

姨f f Q

abc1ππ

姨

姨姨e-3(x/a)2e-3(y/b)2e-3(z/c1)2

后半部分椭球模型定义为[6]

q(x,y,z,t)=

63

姨f b Q

abc2ππ

姨

姨姨e-3(x/a)2e-3(y/b)2e-3(z/c2)2

式中:a、b分别是椭球模型的x、y半轴长度；c1、c2分别是前后椭球体z向的半轴长度；f f、f b是热源集中系数，f f+f b=1；Q是热输入量,Q=ηUI(η是电弧的热效率)。

有限元模型的边界条件包括温度边界条件和机械约束边界条件。温度边界条件施加对流边界条件和辐射边界条件,机械约束边界条件主要考虑焊接过程中夹具对焊件的约束，并在工件冷却至室温后移除夹具的约束。

3数值模拟结果与分析

在温度场的计算过程中，由于是瞬态的计算，所以首先在起弧时定义一个极小的时间段（t= 0.05s）进行初始温度场的计算，得到焊缝金属的温度分布，然后再通过ANSYS的APDL语言编制实现热源载荷移动的子程序，即实现移动热源的加载。图3（a）为焊接瞬时的温度场分布。通过循环计算，得出了整个焊接过程中温度场的变化情况。随着热源的不断移动，焊件上各点的温度随时间而变化；在刚开始的一段时间内，温度很不稳定，焊件升温迅速，经过一段时间后，焊件上会形成准稳态温度场，即焊件上各点的温度虽然随时间而变化，但各点以均衡的温度会随着热源沿焊接方向向前推进。图3(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为焊接时间为1、3、5、7和9s的温度场分布情况。

图1有限元网格划分Fig.1Finite element mesh

1200

1100

1000

900

800

700

600

500

100200300400500600700

温度T/℃

比

热

容

c

/

(

J

·

k

g

-

1

℃

-

1

)

线

胀

系

数

α

/

(

×

4

.

5

×

1

-

7

℃

-

1

)

导

热

系

数

λ

/

(

×

6

-

1

W

·

m

-

1

℃

-

1

）

α

λ

c

图25A06铝合金物理性能参数

Fig.2Material properties of weld metal

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《热加工工艺》2009年第38卷第9期

金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding

Hot Working Technology 2009,Vol.38,No.9

2009年5月

从图3中可清楚地看到焊接及其冷却过程中的整个温度场的动态变化情况，而且在中间的稳定时刻，等温线分布形状基本上是一样的，只是热源中心位置随着热源的移动有所变化。

图4为在焊接过程中，距离焊缝中心线分别为0、5、10、15和20mm 各点的热循环曲线。可看出，焊接过程中热源沿焊接方向移动时，焊件上某点的温度由低到高，达到最大值后，又由高到低，随时间而变化；而且各点的升温速度明显地大于冷却速度，冷却时，各点的温度逐渐趋于焊件本体的温度。

4

结论

（1）基于ANSYS 软件平台，采用双椭球移动

热源作为TIG 焊电弧热输入模式，采用适当的热边界条件可较为准确模拟铝合金薄板TIG 焊接过程；

（2）利用ANSYS 软件的APDL 语言，较好地模拟了焊接时焊接电弧移动加热过程以及整个温度场的瞬态变化，实现了参数化编程；

（3）对温度场的动态过程和焊件上不同点的热循环进行分析，得到了焊件温度场的分布规律,为以后焊接应力应变的准确分析奠定了基础。

参考文献：

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Preston R V ，Shercliff H R ，Withers P J ，et al ．Physically-based constitutive modeling of residual stress development in welding of aluminum alloy 2024[J]．Acta Materialia ，2004，52：4937-4983．[2]赵明，武传松，赵朋成．GTAW 熔池形状数值模拟精度的改进[J]．焊接学报，2006，27（3）：17-28.

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工程材料实用手册(3)

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[6]

Goldak J ，Chakravarti A ，Bibby M ．A new finite element model for welding heat sources [J]．Metallurgical Transac-tions B ，1984，15(2)：299-305．

5

10152025

1-距焊缝中心线0mm 2-距焊缝中心线5mm 3-距焊缝中心线10mm 4-距焊缝中心线15mm 5-距焊缝中心线20mm

1

234

5

t /s

图4焊缝中心及其附近各点的热循环

Fig.4

Heat cycle curves of different points away from weld center

1040950880800720640550480400

320240

T /K

(a)t=0.05s

(b)t=1s

(c)t=3s

(d)t=5s

(e)t=7s (f)t=9s

图3不同时刻的温度场分布

Fig.3

Distribution of temperature field

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