摘 要

三丝埋弧焊是多丝埋弧焊的一种，三丝埋弧焊比起普通的埋弧焊有着更高的焊接速度和熔敷效率，焊接熔深，焊接接头。对于三丝埋弧焊的热过程研究，是一个很复杂的过程，其中包括了传热，冶金和力学的作用，而焊接现象包括焊接时的传热过程，金属的融化和凝固，冷却时的相变，焊接应力和变形等，对于研究三丝埋弧焊的热过程情况，其实可以理解为三个埋弧焊热源的叠加过程^[5]。

本文通过使用有限元分析软件ANSYS对三丝单面埋弧焊的热过程进行温度场模拟，其主要内容包括选择适合的单元，了解相关材料的热物理性能，分析三丝埋弧焊的热源特征，在高斯热源，半球状热源，球状热源，椭圆形热源，双椭圆型热源中选择适合的焊接热源，然后看情况使用生死单元技术模拟焊缝生成，最后通过选择出最佳的热源模型加载，以此来模拟出焊接过程的温度变化。

关键词：三丝埋弧焊；ANSYS；温度场；有限元；热模型

Abstract

Three wire submerged arc welding is an improved technology of submerged arc welding.Compared with submerged arc welding,three wire submerged arc welding can significantly improve the welding speed and welding efficiency,and welded joint is excellent.To studing welding on the thermal process is a very complicated process, including heat transfer, metallurgy and mechanics, where the welding reacting including the heat transfer process of welding, metal melting and solidification, weld cooling, shall be stress and deformation etc.To study the heat process of three wire submerged arc welding, in fact, it can be understood as the superposition of three submerged arc welding heat sources.

In this paper using the finite element analysis software ANSYS to imitate the process of temperature field to three wire single side submerged arc welding heat ,The main content includes the choice suitable Element Type,investigate the thermo physical properties of related materials, Analysis heat source of the three wire buried arc welding,Selecting the suitable heat source in hemispherical source, spherical heat source, ellipsoidal heat source, double elliptic heat source selection for welding heat source,Then whether useing the birth and death element depend on welding situation ,By loading the suitable model of pyrogen to simulating of the Temperature change of the welding process.

Key Words：three wire submerged arc welding；ANSYS；temperature field；finite element；Thermal model；

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 目的和意义 1

1.3 课题研究内容 2

第2章 实验过程和计算 3

2.1ANSYS简介 3

2.2 三丝埋弧焊的焊接特征和耦合场分析 3

2.3 三丝埋弧焊的热源模型及选择 4

2.4 焊接过程的模拟计算 7

2.4.1模拟过程的主要步骤 7

2.4.2 确定单元类型 8

2.4.3 确定焊接和材料性能参数 8

2.4.4 三丝埋弧焊建模模型 10

2.4.5 模型的网格划分 11

2.4.6 加载热源模型 13

2.4.7 施加边界条件 15

2.4.8 求解程序 15

第三章实验结果分析 18

3.1三丝埋弧焊焊接热过程的温度云图 18

3.2焊接过程中各点的温度时间变化历程 18

3.3三丝埋弧焊热过程分析 19

第4章 全文总结与展望 20

4.1全文总结 20

4.2展望 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着人口的增长，资源消耗的越多，开发难度就越大，而且伴随着科技的进步，人类从事生产业的比率也越来越低。因此，需要更大口径，更高韧性，更厚的钢板，以及越来越多的机器，来提高生产效率，来开发更多的资源。提高焊接效率可以说是制造业提高效率的好办法，因此，本来就高效的埋弧焊为了追求更高的焊接速度，更好的焊接接头，更深的熔深，双丝，三丝，甚至是多丝埋弧焊就这样诞生了。可以这么说，多丝埋弧焊的使用能大大提高生产效率，而且利用埋弧焊机械化程度高，焊缝质量好，以及熔深大的特点，在造船,锅炉,压力容器,化工,桥梁,起重机械,工程机械,海洋开发,核电生产中都是极为重要的手段^[7]。

科技的进步，人口的增加，各种矛盾造就了需要越发发展生产力，所以提高生产力，是提高人们生活质量的保证，因此多丝埋弧焊势必成为以后埋弧焊发展的趋势。目前，国内厚板生产厂家主要以单丝,双丝埋弧焊焊接方法为主，而三丝埋弧焊虽然能有着更好的经济效益，但是需要对焊丝距离和焊丝角度，电源组合，焊剂匹配有更高的技术要求。虽然三丝埋弧焊的焊接效率和经济性很高，但是对技术指标要求也更加严格，焊接电源的组合，焊丝和焊机的匹配，焊丝距离和焊丝角度都是影响焊缝成型的因素。因此技术要求可以说是难以推广三丝埋弧焊的主要原因^[15]。

1.2 目的和意义

通过采用数学理论与有限元数值模拟相结合的方法来研究三丝单面埋弧焊的热过程是为了达到以下目的：

1. 基于三丝埋弧焊的热源形式，从高斯热源,球状热源,半球状热源,椭圆形热源,双椭圆型热源中选用合理的热源来模拟三丝埋弧焊的热过程。
2. 根据情况决定是否运用单元生死技术来模拟焊缝生成。
3. 运用有限元数值模拟技术研究在给定条件下三丝埋弧焊的温度场，温度变化情况，模拟出最高温度，焊件某点温度变化规律等。
4. 通过实验结果观察温度变化等规律和总结三丝埋弧焊的适用范围。

通过研究三丝埋弧焊的热过程，从而为研究和模拟三丝埋弧焊的技术和方法提供一个参考，三丝埋弧焊是焊接技术中一个重要的组成方式，随着越来越多的高强厚板结构被应用，我相信高效三丝埋弧焊的使用会越来越广，所以我认为研究三丝埋弧焊的热过程意义很大，不但了解温度变化规律，更重要的是通过温度变化规律来对组织的变化规律做一个预测，能够了解组织变化规律，就能获得更好的焊缝质量^[6]。

1.3 课题研究内容

本文将应用大型通用有限软件ANSYS对三丝埋弧焊焊接过程经行数值模拟和分析，主要内容有一下几点：

1. 建立三维有限元模型，在结合总结其他前人的技术上，对本课题的有限元三维模型经行建模，建模过程中，采用合适的耦合方式进行计算。
2. 建立三维移动热源有限元分析模型，考虑三丝埋弧焊的热源性质，材料自身的物理性能，力学性能随温度的变化情况，以及对材料的影响，选择适合的热源模型。选择适合的网格划分方式划分单元。并利用ANSYS程序自带的APDL语言编写程序模拟三丝埋弧焊的温度变化。
3. 通过给定条件带入APDL的命令流来模拟三丝埋弧焊的热过程，当模拟完成时，总结模拟的温度场变化及其变化规律。
4. 通过上述对三丝埋弧焊热过程的模拟，了解三丝埋弧焊的适用范围，总结本次实验的模拟情况，以及对三丝埋弧焊的应用前景做一个预测。

第2章 实验过程和计算

2.1ANSYS简介

ANSYS软件是一种能够分析电磁场,流体,结构,热,声场,应力场和耦合场于一体的多功能常用有限元分析软件。ANSYS用户涵盖了航空航天,交通运输,水利,生物,教学研究,物理,军工,核能,新能源,宇宙开发,机械,土木工程,电子,医学等众多的领域。ANSYS系列是一套可以自由选择搭配集成的功能模块的组合产品，用户根据自身需求集成需要的模块来满足完成自己的工作目标。

在众多有限元分析软件中ANSYS之所以能脱颖而出是因为他是唯一一种能够实现单场，两场，或者多场的耦合分析软件，他不但包含其他类似软件的结构，热，电磁，流体力学，材料力学等项目的研究，还能进行多种问题相互作用的场的研究，例如：热-应力耦合分析,热-电偶合分析,流体-耦合分析,磁-热耦合分析,磁-结构分析或者电-磁-热-应力耦合等^[3]。