物性參數(shù)對焊接溫度場模擬計(jì)算的影響

仇恒國，霍玉雙

（山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

物性參數(shù)對焊接溫度場模擬計(jì)算的影響

仇恒國，霍玉雙*

（山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

數(shù)值模擬技術(shù)在焊接領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，對焊接領(lǐng)域生產(chǎn)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)研究具有重要的工程使用價值及理論意義。文章利用雙橢圓分布熱源模型，對304不銹鋼TIG焊接溫度場進(jìn)行計(jì)算，分析比熱容（Cp）、熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）、熱損失系數(shù)（α）三個物性參數(shù)在不同取值下對焊接溫度場計(jì)算結(jié)果的影響。結(jié)果表明：比熱容（Cp）的取值變化對焊接溫度場計(jì)算結(jié)果影響最大，其熔深、熔寬變化值四組取值的計(jì)算結(jié)果分別為0.923、0.162 mm；熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）的影響次之，其熔深、熔寬變化值分別為0.522、0.057 mm；熱損失系數(shù)（α）的四組取值的計(jì)算結(jié)果基本保持不變，其熔深、熔寬變化值分別為0.05、0.003 mm。

焊接溫度場；數(shù)值模擬；TIG焊

0 引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展推動了數(shù)值模擬技術(shù)在焊接熱過程研究中的廣泛應(yīng)用。數(shù)值模擬技術(shù)不僅代替了大量的工藝實(shí)驗(yàn)，還節(jié)約了大量的人力、物力、財(cái)力、時間，并且?guī)砹肆己玫慕?jīng)濟(jì)效益［1－4］。利用這一技術(shù)，國內(nèi)外研究人員對焊接溫度場分布、流場分布、焊接應(yīng)力場分布、焊接電弧流場及力場分布等進(jìn)行了深入的研究，得出了相關(guān)的機(jī)理及規(guī)律，從而可以實(shí)現(xiàn)對焊接接頭組織性能的預(yù)測，以及對焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化等［5］。在各種場的數(shù)值模擬計(jì)算中，材料的物性參數(shù)是隨溫度變化的非線性函數(shù)，其變化差異非常大，比如低合金鋼和低碳鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著溫度升高而下降，而高合金鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)則呈現(xiàn)先增高后下降的變化趨勢［6－7］。由于物性參數(shù)的取值存在較大的任意性、盲目性，在保證計(jì)算精度的前提下，為提高計(jì)算速度，在各種計(jì)算中通常假定材料各向同性，物性參數(shù)取值為常數(shù)。同時，不斷的調(diào)整各物性參數(shù)的取值，從而降低了計(jì)算速度，但會提高計(jì)算成本。文章以TIG焊接溫度場的數(shù)值計(jì)算為例，分析比熱容（Cp）、熱損失系數(shù)（α）、熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）對計(jì)算結(jié)果的影響規(guī)律，對于焊接熱過程數(shù)值模擬計(jì)算過程中物性參數(shù)的取值具有重要的指導(dǎo)意義。

1 物性參數(shù)及取值范圍

TIG焊接效率低，焊縫熔深小，同時焊接過程中受焊接速度的影響，熔池呈現(xiàn)前小后大的形貌分布特征，綜合考慮這兩個因素，熱源模型選定采用雙橢圓分布模式［8－9］。利用雙橢圓的熱源分布模型對304不銹鋼的TIG焊接熱過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。試件尺寸為50.5 m m×29.5 m m×3 m m。分析比熱容（Cp）、熱損失系數(shù)（α）、熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）的取值對計(jì)算結(jié)果的影響。表1為計(jì)算中用到的304不銹鋼的其他熱物性參數(shù)。

表1 材料304不銹鋼的熱物性參數(shù)

1.1 比熱容（Cp）

比熱容（Cp）又稱比熱容量，是單位質(zhì)量的某種物質(zhì)，在溫度升高時吸收的熱量與它的質(zhì)量和升高的溫度乘積之比，是表示物質(zhì)熱性質(zhì)的物理量。比熱容（Cp）與物質(zhì)的狀態(tài)和物質(zhì)的種類有關(guān)，304不銹鋼比熱容（Cp）與溫度的函數(shù)關(guān)系由式（1）［10］表示。

式中：Cp為比熱容，J／（k g·K）；T為溫度，K。

1.2 熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）

熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）是指在穩(wěn)定傳熱條件下，板厚為1 m的材料，兩側(cè)表面的溫差為1 K，在1 s內(nèi)，通過1 m2面積傳遞的熱量，W／（m·K）。熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）高的物質(zhì)有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。304不銹鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）與溫度的函數(shù)關(guān)系由式（2）［10］表示。

式中：λ為熱損失系數(shù)，W／（m·K）。

1.3 熱損失系數(shù)（α）

304不銹鋼的熱損失系數(shù)（α）與溫度的函數(shù)關(guān)系如式（3）所示［10］。

式中：α為熱損失系數(shù)，W／（m2·K）。

由表1可知304不銹鋼的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)分別為1723和3073 K。根據(jù)式（1）、（2）、（3）可以得出比熱容（Cp）的取值范圍在687.9到793.4 J／（k g·K）之間，熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）的取值范圍在29.7到43.6 W／（m·K）之間，熱損失系數(shù)（α）的取值范圍在343.8到831 W／（m2·K）之間。在各自取值范圍內(nèi)，分別取出4組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，研究不同取值對焊接溫度場計(jì)算結(jié)果的影響。為便于分析，計(jì)算中每次只改變一個物性參數(shù)的數(shù)值，其他兩個物性參數(shù)取值保持不變。

2 程序編寫

利用有限差分法對雙橢圓熱源分布模型進(jìn)行離散化。為保證計(jì)算精度、提高計(jì)算速度采用非均勻網(wǎng)格劃分模式，即焊縫區(qū)以及近縫區(qū)采用密網(wǎng)格劃分，而在工件的其他區(qū)域采用擴(kuò)張系數(shù)為定值（計(jì)算中取1.5）的粗網(wǎng)格劃分，沿著工件厚度網(wǎng)格劃分為均勻網(wǎng)格。利用Visual Fortran編寫計(jì)算程序，為便于程序的調(diào)試、編譯和改進(jìn)，使程序具有良好的可讀性和擴(kuò)展性，采用模塊化程序設(shè)計(jì)。

3 模擬計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 比熱容對焊接溫度場模擬計(jì)算的影響

圖1是比熱容（Cp）分別取值為690、710、730和750 J／（k g·K）時計(jì)算的焊縫截面形貌。計(jì)算中保持熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）、熱損失系數(shù)（α）取值不變，分別取值為λ＝32.5W／（m·K）和α＝520W／（m2·K）。由圖1（a）可知，隨著比熱容（Cp）的增大，焊縫熔深減小，當(dāng)比熱容（Cp）取690 J／（k g·K）時，其為全熔透焊縫，取值710 J／（k g·K）時的熔深為2.497m m，其為未熔透焊縫，730 J／（k g·K）時的熔深為2.215 m m，750 J／（k g·K）時的熔深為2.017 m m，其變化值為0.923 m m。由圖1（b）可知，取值690 J／（k g·K）時的熔寬為3.264 m m；取值710 J／（k g·K）時的熔寬為3.208 m m；取值730 J／（k g·K）時的熔寬為3.154 m m；取值750 J／（k g·K）時的熔寬為3.102 m m，變化值為0.162 m m。從圖1（a）和圖（b）中可知比熱容的取值變化對焊接溫度場的計(jì)算結(jié)果影響很大。

3.2 熱傳導(dǎo)系數(shù)對焊接溫度場模擬計(jì)算的影響

圖2是熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）分別取值為31、33、35和37W／（m·K）時計(jì)算的焊縫截面形貌。計(jì)算中保持比熱容（Cp）、熱損失系數(shù)（α）取值不變，分別取值為Cp＝710 J／（k g·K）和α＝520 W／（m2·K）。由圖2（a）可知，隨著熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）的增大，焊縫熔深減小，并且在4個取值中取值37W／（m·K）時的熔深最小，其為2.195 m m；取值為31 W／（m·K）時的熔深最大為2.717 m m，雖然其變化值為0.522 m m，但計(jì)算結(jié)果均為未熔透。由圖2（b）可知；取值31W／（m·K）時的熔寬為3.297 m m；取值33 W／（m·K）時的熔寬為3.238 m m；取值35 W／（m·K）時的熔寬為3.181m m，取值37W／（m·K）時的熔寬為3.124 m m，變化值為0.057m m。從圖2（a）和（b）中熱傳導(dǎo)系數(shù)的取值變化對熔深的計(jì)算結(jié)果影響較小。

圖1 不同比熱容（Cp）取值的焊縫截面計(jì)算結(jié)果（λ＝32.5W／（m·K）、α＝520W／（m2·K））

圖2 不同熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）取值的焊縫截面計(jì)算結(jié)果（Cp＝710 J／（k g·K），α＝520W／（m2·K））

3.3 熱損失系數(shù)對焊接溫度場模擬計(jì)算的影響

圖3是熱損失系數(shù)（α）分別取值為450、470、490和510W／（m2·K）時計(jì)算的焊縫截面形貌。計(jì)算中保持比熱容（Cp）、熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）取值不變，分別取值為Cp＝710 J／（k g·K）和λ＝32.5 W／（m·K）。由圖3（a）可知，熱損失系數(shù)（α）的取值對于熔深的計(jì)算結(jié)果影響很小，取值450 W／（m2·K）時的熔深為2.361m m；取值510W／（m2·K）時的熔深為2.311 m m，變化值為0.05m m，計(jì)算結(jié)果顯示均為未熔透。由圖3（b）可知，不同熱損失系數(shù)（α）的取值對于熔寬的計(jì)算結(jié)果影響很小，取值510W／（m2·K）時的熔寬為3.179 m m；取值450W／（m2·K）時的熔寬為3.182m m，變化值只有0.003m m，計(jì)算結(jié)果基本保持不變。從圖3中可知熱損失系數(shù)（α）取值變化對焊接溫度場的計(jì)算結(jié)果影響微小。

圖3 不同熱傳導(dǎo)系數(shù)（α）取值的焊縫截面計(jì)算結(jié)果（Cp＝710 J／（k g·K），λ＝32.5W／（m·K））

4 結(jié)論

文章利用雙橢圓熱源分布模型對304不銹鋼TIG焊接溫度場進(jìn)行計(jì)算，改變比熱容（Cp）、熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）、熱損失系數(shù)（α）3個物性參數(shù)的取值，分析計(jì)算結(jié)果的變化，研究物性參數(shù)的取值變化對焊接溫度場計(jì)算結(jié)果的影響規(guī)律。結(jié)果表明：

（1）比熱容（Cp）的不同取值使得焊縫熔深及熔寬的變化值分別為0.923、0.162 m m，對焊接溫度場模擬計(jì)算結(jié)果的影響顯著；

（2）熱傳導(dǎo)系數(shù)（λ）的不同取值使得焊縫熔深及熔寬的變化值分別為0.522、0.057 m m，對計(jì)算結(jié)果影響很小；

（3）熱損失系數(shù)（α）的不同取值使得焊縫熔深及熔寬的變化值分別為0.05、0.003 m m對計(jì)算結(jié)果影響很小甚至可以忽略不計(jì)。

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（學(xué)科責(zé)編：李雪蕾）

Effect of physical parameters on numerical calculation of welding tem perature field

Qiu Hengguo，Huo Yushuang*
（School of Material Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Numerical calculation of welding temperature field can provide more theoretical basis for production and experimental research，which has theoretical and practical significance.The paper takes 304 stainless steel as base material and takes the calculation of TIG welding temperature field as an example，The double elliptic distributionmodes is used as heat source.Through changing thermal physical parameters values of the material（thermal conductivity（λ），specific heat capacity（Cp），heat loss coefficient（α）），the effect of thermal physical parameters on the temperature field of welding are analyzed.The results show the influence of specific heat capacity on the calculation ofwelding temperature field ismost..In the four groups，the change values ofweld depth and weld width are 0.923mm and 0.162 mm；the influence of thermal conductivity is less，the change values of weld depth and weld width are 0.522 mm and 0.057 mm；the influence of heat loss coefficient is least，the calculated value is fairly constant，the change values ofweld depth and weld width are 0.05mm and 0.003mm.

welding temperature field；numerical calculation；TIG welding

TG456.2

A

2015－06－03

仇恒國（1989－），男，在讀碩士，主要從事焊接熱過程的數(shù)值模擬等方面的研究.E-mail：qiuhg163＠163.com

*：霍玉雙（1974－），女，副教授，博士，主要研究焊接過程的自動控制、焊接熱過程的數(shù)值模擬等方面的研究.

E-mail：hys6789＠126.com

1673－7644（2015）05－0452－04