硬质合金钎焊的数值模拟及其发展

硬质合金钎焊的数值模拟及其发展

作者：黎冠威 刘金涛 来源：《商情》2008年第45期

【摘 要】对焊接接头残余应力的研究，以往是通过试验的方法获得其力学性能，随着计算机科学的发展，数值模拟技术已经广泛应用各个领域。焊接过程的数值模拟技术的实现，对优化焊接工艺、减少研究工作量、节省研究经费有着不可代替的作用。本文着重介绍硬质合金钎焊的ANSYS模拟过程及焊接数值模拟的发展。

【关键词】硬质合金 钎焊 数值模拟 影响因素 参数优化

将现代焊接数值模拟技术应用于传统的焊接工艺，利用计算机的数值模拟技术改善传统的焊接工艺，优化焊接工艺中的各种参数，对我国焊接技术的发展有着十分重要的意义。

一、焊接的ANSYS数值模拟过程

ANSYS软件是一个大型的、通用的有限元软件，以其多物理场耦合分析的先进技术和理念，在工业领域和研究工作中都得到了广泛的应用。它具有分析结构、流体、热、电磁及其相互耦合的功能。焊接温度场和应力场的模拟就是运用其热-结构的耦合分析功能进行计算的。 在ANSYS软件中，计算焊接温度场和应力场的方法分为直接法和间接法。直接法时使用具有温度和位移自由的耦合单元，同时分析得到热分析和结构应力分析的结果。但由于多种的原因，造成直接法计算周期长、不够灵活。间接法是先进行温度场分析，温度场模拟准确后，保存温度场结果，再分析用力应变，如果应力分析结果不理想也不必再进行温度场分析，而再进行应力场分析即可。这样就可以节省大量的时间。所以，用间接法对焊接过程进行分析计算较为合理、高效。

一般应用ANSYS进行数值模拟计算主要有三个步骤：

1.前处理阶段。包括定义单元类型、输入材料属性、创立几何模型、设定网个单元划分单元格、生成有限元模型。

2.加载求解阶段。就焊接数值模拟来说，此阶段包括定义分析类型、获得瞬态热分析的初始条件、设定载荷步选项、求解运算等。

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3.后处理阶段。ANSYS软件提供两种后处理方式，一种是通用后处理（POST1），它可以对模型某一时刻的结果数据或图形进行显示。另一种是时间——历程后处理（POST26），它可以列表或图形显示模型种某一点随时间的变化结果。

二、硬质合金钎焊数值模拟举例

1.问题描述。硬质合金YG8、钎料Cu-Zn-Mn与A3钢组成YG8/Cu-Zn-Mn/A3搭接接头。假设接头在高温下焊接情况良好，所得焊缝无缺陷，对其进行钎焊，使其从800℃冷却到20℃，对其钎焊过程的温度场和应力场进行数值模拟。（各材料性能见表1） 表1 各材料性能

2.基本假设。硬质合金在本钎焊中不发生塑性变形。因此，计算时只考虑其弹性变形。钢基体和钎料有弹性和塑性变形，计算中采用理性弹塑性线性强化模型。在数值模拟过程中，作以下假设：

（1）在硬质合金和钢的钎焊过程中，假设硬质合金发生的是弹性变形，钢基体和钎料层发生的是弹塑性变形。

（2）由于钎焊温度较高，假设金属材料的物理和力学性能参数是随温度变化的。 （3）与温度有关的物理和力学性能、应力在微小的时间增量内线性变化。 （4）假设各材料的物理和力学性能各向同性。 （5）冷却过程中构件温度时均匀的。

3.模型的建立和网格的划分。由于钎料和木材之间的数量级相差太大，所以对模型进行整体缩小，并取焊缝附近区域进行研究，故这里对母材尺寸设定为10mm×4mm×3mm，钎料尺寸为2mm×4mm×0.1mm，定义材料类型和材料热学性能，划分网格。网格的划分对分析结果的正确性和精度影响较大，理论上，网格密度越大精度越高，但从计算量上看，网格密度大会耗费大量的储存空间和计算时间，所以，两者之间要找到一个较佳的平衡点。

4.加载求解。由于硬质合金钎焊接头的残余应力只在钎料凝固后的冷却过程中产生，所以，这里只考虑冷却过程，焊件从800℃冷却到室温，室温设为20℃，定义分析类型；设定初始温度为800℃；设定载荷步；设定边界条件，将室温设定为20℃，边界条件根据对流换热处理，。（温度场分析完成后，转换单元类型将热单元换成相应的结构单元进行应力分析）

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5.后处理。完成计算后，通过程序的后处理功能查看结果。在硬质合金与钢基体钎焊接头中，破坏和断裂主要发生在硬质合金与钎料一侧，因此，可以主要针对硬质合金与钎料的残余应力的进行重点分析。

三、焊接数值模拟技术的发展

1.焊接有限元模拟的研究历史与发展

焊接数值模拟技术的应用始于20世纪60年代，Tall等人首先利用计算机对焊接热应力进行计算，编制了一套沿板条中线进行堆焊的热应力一维分析程序。1971年，Iwaki编制了可用于分析板平面堆焊热应力的二维有限元程序。我国焊接界有限元模拟研究起步于20世纪80年代，模拟的内容是以二维温度场或薄版准稳态温度场为主，90年代，发展了有关的三维焊接分析程序，并有不少成功的应用实例。与此同时，焊接有限元模拟的领域已经拓展到了熔池反应、凝固、固态相变、焊接接头的性能等各方面。 2.焊接数值模拟技术主要研究对象与目的

焊接数值模拟技术的发展是随着焊接实践经验的积累，有限元数值模拟技术、计算机技术等的发展而逐步开始的。焊接工艺的数值模拟主要是针对焊接温度场、应力场和变形等几个方面，旨在提高焊接构件的性能，优化焊接工艺和参数等。 （1）焊接数值模拟的主要研究对象

目前，焊接领域数值模拟的对象大致分为以下方面：①焊接温度场的模拟，②焊接金属学和物理过程的模拟，③焊接应力和应变的数值模拟，④焊接接头的力学行为和性能的数值模拟，⑤焊缝质量评估的数值模拟，⑥具体焊接工艺的数值模拟。 （2）焊接数值模拟的目的

焊接数值模拟的主要目的是分析焊接的影响因素、优化焊接工艺及参数。

焊接影响因素的分析是焊接有限元模拟的一个重要方面。研究发现，焊接过程中，许多因素都会对焊接接头的性能，焊接构件的质量造成很大的影响，其中包括，焊接速度、冷却速度、热源分布、焊接温度、预热情况、构件尺寸、焊缝厚度、边界条件等。对这些因素进行研究，不仅有助于提高焊接质量和焊接接头性能，而且对优化焊接工艺和参数有重要意义。

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焊接工程需要解决的一个重要问题就是对焊接参数进行优化，所以焊接数值模拟的另一个目的就是通过研究分析，优化工艺参数。一般而言，焊接条件由焊接工程师靠经验或者准则确定，所以，在许多焊接工艺中都存在许多不合理或尚待改善的地方，现在许多焊接过程已经开始机械化和自动化，各种优化焊接参数的数学方法也被用于焊接过程的控制，研究中得到的各种优化参数也被用于实际生产当中。当前，将有限元分析用于焊接影响因素及参数优化的研究尚处于开拓阶段，还需不断地进行探索研究。

参考文献：

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