1、 摘 要 太阳能热水系统中用到薄壁不锈钢与薄壁紫铜氩弧焊 焊接 。不锈钢与紫铜的焊接属于异种金属焊接，两者的物理性质差异很大，因而两者的焊接难度较大，在氩弧焊过程中易产生各种缺陷。 本文通过 ANSYS 软件 对其 焊接过程进行 了 模拟， 得到了薄壁不锈钢与薄壁紫铜 焊接过程中的温度场、应力 场分布，并依据模拟结果对焊接过程中可能出现的缺陷进行了分析 。 ANSYS 模拟步骤如下： 首先， 确定薄壁不锈钢和薄壁紫铜氩弧焊工艺参数以及焊缝、坡口形状，为后文的模拟奠定基础； 然后，建立焊接有限元模型，使用 APDL 语言 编写热源施加程序，采用生死单元技术 模拟焊接焊缝的依次生成 ，应用“ *D
2、O *ENDDO”循环语句实现热源的移动，完成对焊接温度场的模拟和分析； 最后，利用温度场与应力场间接耦合法，将温度场分析的结果温度作为载荷施加在模型上，模拟出焊接应力场，并对应力场模拟结果进行分析。 根据焊接温度场、应力场模拟结果，本文分析了薄壁不锈钢与薄壁紫铜氩弧焊 焊接过程中以及冷却后可能出现的质量缺陷，并提出了一些建议。具体结论和建议如下： 一、 由于紫铜散热比不锈钢快，因此 薄壁不锈钢和薄壁紫铜 焊接过程中两管的温度场分布极不均衡。这使得焊缝两侧基体金属熔化程度不一致，可能导致焊缝成形不良。建议在焊接时电弧稍微偏向紫铜管一侧，防止不锈钢一侧受热过多。 二、冷却结束后，始焊位置和终焊位
3、置结合处留有较大的残余应力，为 253MPa，接近这一温度材料的屈服极限。因此，在焊接结合处会有较大的变形，其内部可能会出现较多的裂纹。建议在焊接时严格控制熔池温度、电弧大小以及氩气流量。 三、由 于在焊接过程中不锈钢管和紫铜管应力分布有很大的不同，因此在冷却结束后两管会产生不同的体积变化。这对于焊缝是不利的，同时也会使焊件不符合焊接前的尺寸公差，导致零件报废。建议焊前对焊件采取反应力、反变形措施。 根据对焊件焊后应力场、焊件焊后变形的分析，本文对焊件进行了强度和变形校核，校核结果为：焊件合格，焊接可行。 关键词： 薄壁不锈钢 和 紫铜 管；氩弧焊； ANSYS APDL；温度场；应力场；数值
4、模拟 Abstract TIG welding of thin-walled stainless steel and copper tubes is used in solar hot water system. As the welding of stainless steel and copper is dissimilar metal welding and their physical properties are very different, thus the welding of them is difficult and it is easy to produce a vari
5、ety of defects in the TIG process. In this paper, the welding process of stainless steel with copper is simulated by using ANSYS software, and the temperature field, stress field distribution in the welding process is obtained afterwards, so that the defects that may occur during the welding process
6、 are analyzed based on the simulation results. ANSYS simulation steps are as follows: First, the TIG welding process parameters of thin-walled stainless steel and copper are determined with the shape of welding seam and groove, which lays foundation for later simulation; Then, the simulation and ana
7、lysis of welding temperature field is completed by building a finite element model of welding, using APDL to make programs of heat source, applying element birth and death technology to simulate the successive generating of welding seams and adopting “* DO *ENDDO“ language to realize the movement of
8、 heat source; Finally, the temperature and stress field indirect coupling method is used to simulate the welding stress field by applying the results of temperature field analysis as temperature loads on the model. After that, the results of stress field simulation are analyzed. Based on the simulat
9、ion results of welding temperature and stress field, the quality defects of thin-walled stainless steel with copper that may occur during the TIG welding and cooling process are analyzed and some recommendations are made accordingly. Specific conclusions and recommendations are as follows: Firstly,
10、because the heat transferring of copper is faster than stainless steel, so temperature field distribution of thin-walled stainless steel and copper tubes during the welding process is extremely uneven. This may leads to molten inconsistency of base metal on both sides and may cause poor weld seam. I
11、t is recommended that the welding arc is slightly partial to copper, in case of the excessive heating of stainless steel. Secondly, at the end of cooling, large residual stress that is 253MPa is remained in the junction area among starting and ending position of welding, close to the yield strength
12、of material at the same temperature. Therefore, there will be greater deformation in the junction area and more cracks inside. It is recommend that the temperature of molten pool, the size of welding arc and the gas flow of argon should be under strict control. Thirdly, due to the large difference o
13、f stress distribution between stainless steel tube and copper tube during the welding process, different volume changes are produced in two tubes at the end of cooling. This is detrimental to the welding seam and also leads to unfitness of dimensional tolerances of welding parts, resulting in scrapp
14、ing of welding parts. It is recommended that anti-stress and anti-distortion measures should be adopted before welding. Based on the analysis of stress field and deformation of welding parts after welding, the strength and deformation checking of welding parts is conducted in this paper. The checkin
15、g results are: the welding parts are qualified and the welding is feasible. Keywords: Thin-walled stainless steel and copper tubes; TIG welding; ANSYS APDL; Temperature field; Stress field; Numerical simulation目 录 摘 要 .I Abstract . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 本课题研究背景 . 1 1.2 文献综述 . 2 1.2.1 焊接温度场有限元分析的国内外 现
16、状 . 2 1.2.2 焊接应力场有限元分析的国内外现状 . 4 1.2.3 ANSYS 在焊接有限元分析中的应用 . 6 1.3 本课题研究内容及意义 . 7 第 2 章 太阳能热水系统中不锈钢和紫铜焊接工艺 . 9 2.1 太阳能热水系统工作原理及其连接管成型工艺 . 9 2.1.1 太阳能热水系统工作原理 . 9 2.1.2 太阳能热水系统用连接管成型工艺 . 10 2.2 薄壁不锈钢和紫铜管焊接工艺及操作 . 13 2.2.1 不锈钢与紫铜焊接工艺 . 13 2.2.2 薄壁不锈钢与 紫铜焊接操作 . 16 2.3 本章小结 . 17 第 3 章 有限元模型的建立 . 19 3.1 几
17、何模型的建立 . 19 3.2 单元类型的确定 . 21 3.3 材料的热物理性能和力学性能参数 . 23 3.4 网格的划分 . 27 3.5 单元生死技术 . 29 3.6 热源模型的选取 . 30 3.7 本章小结 . 31 第 4 章 焊接温度场模拟及结果分析 . 33 4.1 焊接温度场数值模拟理论 . 33 4.2 温度场模拟边界条件的确定 . 34 4.3 热源的加载和移动 .35 4.4 温度场求解 .37 4.5 温度场后处理以及结果分析 .37 4.5.1 ANSYS 后处理器 .37 4.5.2 温度场结果分析 .38 4.6 本章小结 .45 第 5 章 焊接应力场计算
18、及结果分析 .47 5.1 焊接应力场数值模拟理论 .47 5.1.1 焊接应力场塑性准则 .47 5.1.2 焊接热弹塑性有限元法 .47 5.2 边界条件的确定 .48 5.3 应力场求解 .50 5.4 应力场分析 .51 5.4.1 Von-Mises 应力 .51 5.4.2 轴向残余应力 .56 5.4.3 径向残余应力 .57 5.4.4 切向残余应力 .58 5.5 焊后变形分析 .59 5.6 本章小结 .61 第 6 章 结 论 .63 参 考 文 献 .67 致 谢 .71 在校期间取得的研究成果 . 错误 !未定义书签。 附 录 . 错误 !未定义书签。 外文科技资料翻
19、译 .81 第 1 章 绪 论 1.1 本课题研究背景 太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。连接管路是太阳能热水系统一个重要的组成部分，其将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。管道必须有很高的质量，保证 有 20 年以上的使用寿命。同时由于管道长期处于室外，内部通有热水或冷水，故要求有高的密封性、耐腐蚀性、良好的耐温耐压性能以及抗冷热水冲击的耐疲劳性能。 根据材
20、料的不同，现阶段常用的供水管道可分为塑料管、复合管、金属管三类。常用的塑料管种类有：硬聚氯乙烯管 (PVC U)； 高密度聚乙烯管 (PE HD)；交联聚乙烯管 (PE X)、无规共聚聚丙烯管 (PP R)；聚丁烯管 (PB)； ABS 管等。塑料管的使用温度及耐热性能决定了 PVC U、 PE、 ABS 仅能用于冷水管，而 PE X、 PP、 PB则可作为热水管。其连接方式主要有：卡套式连接、卡压式连接、插按式连接。复合管一般以金属作支撑材料，内衬以环氧树脂和水泥，它的特点是重量轻、内壁光滑、阻力小、耐腐性能好。根据金属的材料不同，复合管可分为：钢塑复合管；塑覆不锈钢管；塑覆铜管；铝塑复合管
21、、交联铝塑复合管；衬塑铝合金管。在塑覆金属管中，交联铝塑复合管不仅具有良好的耐温耐压、抗冷热疲劳强度等性能，还具有一定强度和可塑性，可随意弯曲且弯曲后不反弹，便于太阳能热水器的室内管路安装施工。其连接方式也主要有卡套式、卡压式和插接式等。金属管主要包括镀锌钢管、铸 铁管、铜管、不锈钢管。 20世纪六七十年代，发达国家开始开发新型管材，并陆续禁用镀锌管。中国建设部等四部委也明确发文，从 2000 年起禁用镀锌管，目前新建小区的冷水管已很少使用镀锌管。铸铁管与钢管相比具有不易腐蚀、造价低、耐久性好等优点，适合于埋地敷设，但它的缺点是质脆、重量大、长度小等，连接方式一般采用承插连接。卡箍式铸铁排水管
22、是一种新型的建筑用排水管材， 20 世纪 60 年代开始进入国际市场，但由于这种管材及配件价格相对较高，在国内一直未能得到普及推广。不锈钢管自 20 世纪发明以来凭借其优良的性能和漂亮的外观在所有 管材的发展中一枝独秀。不锈钢管的优点包括：满足健康要求、安全卫生，可保持水质纯净对人体健康没有任何影响；使用温度范围极广，可在文献翻译 -270 400 的温度下长期安全工作；是一种环保材料，不含环境污染物，可无数次再生， 100 回收利用；材料本身具有很高的强度和耐腐蚀性、可靠耐用、寿命长、低维护，大大降低了水管的渗漏率；具有优越的流通性能和较好的保温性能，可节约能源、降低能耗。在金属管中，铜管和
23、不锈钢管比较适合太阳能热水器的特殊使用环境。铜管的连接方式主要分为机械连接和钎焊连接两大类。机械连接又分卡套式、插接式和卡 压式连接。不锈钢管的连接方式多样，常见的管件类型有卡套式、卡压式、活接式、推进式、推螺纹式、承插焊接式、焊接式及焊接与传统连接相结合的派生系列连接方式。这些连接方式，根据其原理不同，适用范围也有所不同，但大多数均安装方便、牢固可靠。 为了满足不同的需求，节省铜材，太阳能热水系统在制造中会用到钢铜连接工艺，钢铜连接一般使用焊接方法，本文研究的薄壁不锈钢管和薄壁紫铜管的焊接就是其中的一种。不锈钢及铜中含有元素 (Ni, Si, V)和杂质 (O, S, P)，在焊接过程中易产
24、生各种低熔点共晶体和脆性化合物，这些化合 物易偏析于晶界，严重削弱了金属在高温时的晶间结合力。由于铜的导热系数比不锈钢大的多，需要采用大功率热源，因此热影响区较宽，使接头承受较大应力，焊缝易出现热裂纹。同时，在固态下， Fe 和 Cu 几乎不固溶，由于钢的稀释而使 Fe 侵入焊缝，偏析于晶界，与 Fe 同时溶入焊缝的 C 浓缩于 Fe 中，形成含碳较高的脆性化合物 Fe3C，这种铁的析出相容易偏析，降低了焊缝的韧性及抗裂能力。对于铜与不锈钢的焊接有很多方法，如钎焊、真空扩散焊、熔焊、氩弧焊及堆焊过渡层等方法。氩弧焊因其简便的操作、良好的成形质量、适度的经济性等原因而得到广泛的应用，本文中不锈钢
25、与紫铜焊接就采用了氩弧焊。对于薄壁不锈钢管和紫铜管的焊接工艺研究，目前大部分是采用理论和实验结合的方式根据焊后测量结果来选择焊接工艺和操作方法。本课题使用目前较为流行的有限元模拟技术分析焊接过程中的 温度场与应力场变化规律，研究 薄壁不锈钢管和薄壁紫铜管氩弧焊可能出现的问题和产生的缺陷 。 1.2 文献综述 1.2.1 焊接温度场有限元分析的国内外现状 焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑性动态分析的前提。关于焊接热过程的分析，苏联科学院的 Kalni 院士对焊接过程传热问题进行了系统的研究，建立了焊接传热学的理论基础。为了求热传导的微分方程的解，他把焊接热源简化为
26、点、线、面三种形式的理想热源，且不考虑材料热物理性质随温度的变化以及有限尺寸对解的影响。实际上焊接过程中除了包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能和变化而导致传热过程严重的非线性外，还涉及到金属的熔化、凝固 以及液固相传热等复杂现象，因此是非常复杂的。由于这些假定不符合焊接的实际情况，因此所得到的解与实际测定有一定的偏差，尤其是在焊接熔池附近的区域，误差很大，而这里又恰恰是研究者最为关心的部位。 Admaes、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程，以大量的实验为基础，积累了不同材料、不同厚度、不同焊接线能量以及不同预热温度等测量数据，然后从传热理论的有关规律出发，经过整理、归纳和验证，最
27、后建立了不同情况下的焊接热公式。这种方法比前者采用数学解析法要准确，但实验的工作量很大，有确定的应用条件和范围，且可靠性取决于 测试手段的精度。 1966 年 Wliosn 和Nikcell 首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。 70 年代，有限元法才逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。 1975 年，加拿大的 Poley 和 Hbibert 在发表的文章中，介绍了利用有限元法研究焊接温度场的工作，编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层 U、 V 型坡口的焊接温度场计算程序，证实了有限元法研究焊接温度场的可行性。之后国内外众多学者进行了这方面的研究工作，如 Sonti 和 Amate
28、au 提出铝合金激光深熔池焊接二维温度场有限元模型； G.Bruggemann 等通过焊接测温设备得到了激光焊接的温度场，同时通过数值模拟方法得到了模拟温度场结果，然后比较焊接实验数据和数值模拟温度场的结果，得出了焊接温度场模拟和实验结果具有一致性。 国内，焊接温度场有限元分析是从 20 世纪 80 年代初期开始的。唐慕尧、陈楚和武传松等对简单焊接传热热源模型进行了基础性的研究和分析，为学者们以后的研究奠定了基础。 1983 年，陈楚等对非线性热传导问题进行了有限元分析，建立了焊接温度场的计算模型，进行固定热源和移动热源、薄板和厚板、准稳态和非准稳态二维温度场的有限元分析。西安交通大学的段权
29、、张新国等人利用有限元方法对焊接接头得非线性热传导问题进行研究，得出焊接热循环曲线，非线性数值分析表明，在金属相变温度附近采用经典线性方法其结果偏差较大，并指出在模拟焊接接头温度场分布时必须考虑材料热传导参数的非线性特征。 20 世纪 90 年代，焊接数值模拟开始向三维方向迈进。上海交通大学的汪建华等人进行了三维瞬态温度场的有限元数值模拟研究工作，并且得到了与实际一致的结果。天津大学的李慧娟、程方杰等通过建立厚板多层焊的三维有限元数值分析模型，利用 ANSYS 软件中的单元生死技术处理多层焊问题，使用 APDL 语言进行模 拟计算，得到了厚板多层焊的焊接温度场，并利用红外热像仪实时测定了实际焊
30、接过文献翻译 程的温度场，二者的结果比较后得出数值模拟和试验结果相吻合。西北工业大学的贾坤荣、刘军等运用有限元软件 ABAQUS 对 10mm 厚钢板电子束焊接温度场和应力场的数值模拟计算，不仅充分考虑了材料物理性能随温度的变化和周边对流、辐射散热的影响，还考虑了相变的影响，这样使模拟环境越来越接近实际的焊接过程。张亮峰利用 ANSYS有限元软件对焊接传热过程进行了模拟，有效分析了焊件设计和焊接生产过程，以及焊接传热对焊件产品的影响，从而找到了解决问题的方法。中国船舶研究中心的孙文婷针对应用有限元方法进行焊接残余应力数值预报时模拟三维过程普遍存在的复杂、计算时间冗长、计算费用较高的问题，通过引
31、入焊接热循环过程的加热和冷却时间比，提出了以线热源代替点热源的简化数值预报方法，将三维问题简化为二维问题进行数值模拟，大大节省了计算时间。陈玉喜针对铝合金薄板对接焊，采用双椭球热源分布模型，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，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，并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。 1.2.2 焊接应力场有限元分析的国内外现状 焊接过程中应力应变的研究工作始于二十世纪三十年代，但是研究工作只能是定性的和实测性的。五
32、十年代，前苏联学者奥凯尔布洛母等人在考虑材料机械性能与温度之间的相互依赖关系的情况下，用图解的形式分析了焊接过程的热弹塑性性质及其动态过程，并分析了一维条件下对焊接应 力应变的影响。六十年代，由于计算机的推广应用 ,对焊接应力应变的数值模拟才发展起来。 20 世纪 60 代， Tall、 Iwaki先后利用计算机编制了一维和二维焊接应力场模型，并得到了一定的结果。 20 世纪 70 年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授等人首先以有限元法为基础，提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，导出了分析焊接应力应变过程的表达式。 1973 年，Vaidyanathan 利用板壳理论，在分析平板对接焊过程焊接应力的基础上，提出了薄壁管对接环焊缝残余应力的计算方法，并将计算结果与试验结果进行比较，结 果表明：计算值与试验值吻合较好。进入九十年代，随着计算机性能的进一步提高，对焊接应力应变的研究更深入。 1991 年 Mhani 等人在研究中考虑了耦合的热应力问题，其中热源分布采用实验矫正的方法进行处理，同时考虑熔池对流、辐射及传热对温度分布的影响，其残余应力的计算结果与采用中子衍射测得的结果吻合很好。加拿大的 J.Goldak 等对
