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1、(10)申请公布号 CN 103366044 A (43)申请公布日 2013.10.23 CN 103366044 A *CN103366044A* (21)申请号 201310217892.6 (22)申请日 2013.06.04 G06F 17/50(2006.01) (71)申请人 广东电网公司电力科学研究院 地址 510080 广东省广州市越秀区东风东路 水均岗 8 号 申请人 华南理工大学 (72)发明人 董重里 吴开源 兰艳林 林介东 聂铭 李顺华 (74)专利代理机构 广州知友专利商标代理有限 公司 44104 代理人 周克佑 (54) 发明名称 一种基于 ANSYS 预测 C。
2、MT 焊缝形状尺寸的方 法 (57) 摘要 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。
3、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103366044 A CN 103366044 A *CN103366044A* 1/2 页 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。
4、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)， 根据焊 接工艺的实际情况适当的选取， 得 ： 即 因此， 式中 ： a 为曲线参数 ； h 为焊缝高度 ； 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 ： 式中 ： df为焊丝直径 ； vf为。
5、送丝速度 ； v0为焊接速度 ； 因为 所以可得 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 权 利 要 求 书 CN 103366044 A 2 2/2 页 3 固定坐标系 (x,y,z) 下的热传导方。
6、程为 式中 ： 为金属的密度 ； cp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 ： 式中 ： v0为焊接速度 ； x,y,z 为移动坐标系的三个坐标轴 ； qa为电弧作用范围内的体积 热源 ； 上式的定解条件如下， 工件上表面有 qcr=kcr(T-Ta) qevp=merLb 式中 ： qs为所施加的双半椭球体热源 ； qcr为因对流和辐射而散发的热流密度 ； qevp为因 蒸发而散失的热流密度 ； kcr为对流和辐射边界的综合导热系数 ； Ta为环境温度 ； mer为蒸发 率 ； Lb为蒸发潜。
7、热常数 ； 工件下表面有 对称面 (x=0) 有 初始条件为 T(x,y,z,0)=Ta； 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， tan 取 0.75。 权 利 要 求 书 CN 103366044 A 3 1/6 页 4 一种基于 ANSYS 预测 C。
8、MT 焊缝形状尺寸的方法 技术领域 0001 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 0002 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。 0003 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。
9、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。 0004 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。 0005 为了实现 CMT 焊。
10、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。 0006 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。
11、， 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 0007 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。 0008 解决上述技术问题， 本发明采用的技术解决方案如下 ： 0009 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 ： 00。
12、10 （1） 采集焊接过程数据 0011 包括 ： 0012 焊接参数 ： 焊接电流、 焊接电压、 送丝速度和焊接速度 ； 0013 材料热物性参数 ： 热传导系数、 比热、 密度和散热系数 ； 说 明 书 CN 103366044 A 4 2/6 页 5 0014 初始信息 ： 焊件尺寸和环境温度 ； 0015 （2） 建立有限元分析模型 0016 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 ； 根据焊接工艺的实际情况适当的选取， 由图 1 可。
13、以看出 0017 0018 即 0019 0020 因此， 0021 0022 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 ： 0023 0024 式中 ： df为焊丝直径 ； vf为送丝速度 ； v0为焊接速度。 0025 因为 0026 0027 所以可得 0028 0029 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 ； 0030 （3） 网格划分 0031 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 （。
14、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 ； 0032 （4） 热源处理 0033 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 。
15、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 ； 说 明 书 CN 103366044 A 5 3/6 页 6 0034 （5） 控制方程的确立 0035 固定坐标系 (x,y,z) 下的热传导方程为 0036 0037 式中 ： 为金属的密度 ； cp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 ； 0038 在移动坐标系中热传导方程为 ： 0039 0040 式中 ： v0为焊接速度 ； x,y,z 为移动坐标系的三个坐标轴 ；。
16、 qa为电弧作用范围内的 体积热源 ； 0041 上式的定解条件如下， 0042 工件上表面有 0043 0044 qcr=kcr(T-Ta) 0045 qevp=merLb 0046 式中 ： qs为所施加的双椭球热源 ； qcr为因对流和辐射而散发的热流密度 ； qevp为因 蒸发而散失的热流密度 ； kcr为对流和辐射边界的综合导热系数 ； Ta为环境温度 ； mer为蒸发 率 ； Lb为蒸发潜热常数 ； 0047 工件下表面有 0048 0049 对称面 (x=0) 有 0050 0051 初始条件为 0052 T(x,y,z,0)=Ta 0053 （6） 获得瞬态温度场 ： 针对实例。
17、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 ； 0054 上述预测是在以下假设上进行 ： 0055 宽度方向上边界换热条件和几何形状对称 ； 0056 材料的热物理性能随温度变化 ； 0057 不考虑熔池金属的蒸发。 0058 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。
18、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 说 明 书 CN 103366044 A 6 4/6 页 7 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 0059 图 1 是本发明的焊缝余高横截面计算示意图 ； 0060 图 2 是本发明的焊接材料热物性参数 ； 0061 图 3 是本发明的网格划分图示意图 ； 0062 图 4 是本发明的 CMT 焊接温度场分布云图 ； 0063 图 5 是本发明的 CMT 实物焊缝横截面图 ； 0064 图 6 是本发明的预测 CMT 焊缝形状与尺寸图。 具体实施方式 0065 下面结合实。
19、施例及附图对本发明作进一步详细的描述。 0066 实施例 0067 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 ： 0068 （1） 采集焊接过程数据， 包括 ： 0069 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 0070 材料热物性参数 ： 热传导系数， 比热， 密度 （如图 2 所示） ； 0071 初始信息 ： 焊件尺寸 200mm50mm3mm， 环境温度 20 ； 0072 （2） 建立有限元分析模型 0073 对焊缝余高。
20、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)， 根 据焊接工艺的实际情况适当的选取， 得 ： 0074 0075 即 0076 0077 因此， 0078 0079 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 ： 0080 0081 式中 ： df为焊丝直径 ； vf为送丝速度 ； v0为焊接速度 ； 0082 因为 说 明 书 CN 103366044 A 7 5/6 页 8 0083 0084 所以可得 0085 0086 由上式可以得到 。
21、a 值， 进而求出 h， 焊缝余高横截面形状被确定 ； 0087 从上面的焊接参数由经验分析tan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。 0088 （3） 对模型进行网格划分 0089 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。 0090 （4） 热源处理 0091 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。
22、体形状不 同 ； 0092 （5） 控制方程的确立 0093 固定坐标系 (x,y,z) 下的热传导方程为 0094 0095 式中 ： 为金属的密度 ； cp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 ； 0096 在移动坐标系中热传导方程为 ： 0097 0098 式中 ： v0为焊接速度 ； x,y,z 为移动坐标系的三个坐标轴 ； qa为电弧作用范围内的 体积热源 ； 0099 上式的定解条件如下， 0100 1、 工件上表面有 0101 0102 qcr=kcr(T-Ta) 0103 qevp=merLb 0104 式中。
23、 ： qs为所施加的双半椭球体热源 ； qcr为因对流和辐射而散发的热流密度 ； qevp 为因蒸发而散失的热流密度 ； kcr为对流和辐射边界的综合导热系数 ； Ta为环境温度 ； mer为 蒸发率 ； Lb为蒸发潜热常数 ； 0105 2、 工件下表面有 0106 说 明 书 CN 103366044 A 8 6/6 页 9 0107 3、 对称面 (x=0) 有 0108 0109 初始条件为 0110 T(x,y,z,0)=Ta； 0111 （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 ； 0112 上述预。
24、测是在以下假设上进行的 ： 0113 宽度方向上边界换热条件和几何形状对称 ； 0114 材料的热物理性能随温度变化 ； 0115 不考虑熔池金属的蒸发。 0116 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。 说 明 书 CN 103366044 A 9 1/3 页 10 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103366044 A 10 2/3 页 11 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103366044 A 11 3/3 页 12 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103366044 A 12 。