摘 要

焊接是一个局部快速加热到高温状态，使被加入的填充材料或焊缝区金属融化，从而得到稳定性连接的工艺。在焊接过程中，由于热源的热量传递到被焊工件中，导致工件的温度升高，从而引起了物理性能的改变。所以在焊接过程中的热传导是瞬态的，即下一时刻的温度场与下一秒基本没什么大的关系。要想得知焊接热传导的具体情况，就需要我们把焊接过程完整的模拟出来，本文通过ANSYS软件，对陶质衬垫CO₂焊进行了整个焊接过程的模拟。

现代工业的快速发展，要求制造的效率和质量不断提高，在制造工艺当中，焊接作为一种可以形成稳定性的金属或者非金属连接的工艺，也需要不断地发展处更加高效优良的工艺，来满足现代工业的需求。在造船业中，焊接更是被广泛使用的一种制造工艺，而单面焊双面焊就是在造船中被广泛使用的一种高效优良的焊接工艺，单面焊双面成型技术相比较普通的双面成型技术，可以在难于操作的焊接位置进行焊接，同时，由于只需要进行单面焊接，工艺简单，易于实施，在这些优点的前提下，可以同时保证焊接的质量，焊缝成型情况也较好，所以，研究单面焊双面成型对现代工业的发展就是非常具有现实意义的。

数值模拟技术是在现代电子计算机的高速发展之下所发展起来的一种模拟实验技术，其目的是在电子计算机上面进行物理实验的模拟，通过简单的电脑操作，得到复杂的试验过程才能得到的结果，在实验过程中，虽然不能得到完全一样的结果，但是可以在满足精确要求的情况下，得到非常相似的结果。

陶质衬垫焊的热传导模拟就是在利用ANSYS软件模拟出焊接的过程，通过设置出焊接过程中材料材料的物理性能变化，从而得到焊接过程中的热传导过程，在模拟的过程中，划分的网格越小，所得到的结果就越加精确，所以在使用有限元分析的时候，需要对焊缝区的焊件进行较小的网格划分，而在相对不重要的区域则不需要。

关键词：陶质衬垫焊 单面焊 数值模拟 有限元

Abstract

Welding is a local rapid heating to a high temperature state, to be added to the filler material or weld metal melt, to obtain stable bonding process. In the welding process, due to the heat source of the heat transfer to be welders, leading to the workpiece temperature increased, causing the physical properties change. So in the welding process of heat conduction is transient, i.e., the next time the temperature field and the next second, nothing big. To think that welding heat conduction of the specific situation, we need the welding process simulation, the ANSYS software, the ceramic liner of CO2 welding, the welding process simulation .

Only a is to continuously improve the rapid development of modern industry, manufacturing efficiency and quality in the manufacturing process, welding as a form stable metal or non metal connection technology, also need to continue to develop more efficient and excellent technology to meet the needs of modern industry needs. In the shipbuilding industry, welding is widely used for manufacturing process, and one side welding double welding in shipbuilding is widely used, excellent welding process, one side welding double-sided molding technology compared to ordinary double-sided molding technology, can be difficult to operate welding position welding. At the same time, due to the need for single side welding process Is simple, easy to implement, under the premise of these advantages, at the same time, to ensure the quality of welding, weld forming is also good, so, study on double-sided forming single-sided welding of modern industrial development is very practical significance.

Numerical simulation technology is developed under the rapid development of modern electronic computer of a simulation experiment technology. Its purpose is on top of the computer simulation of physics experiment, complex test process to get the results are obtained through a simple computer operation, in the experimental process, although it can not be exactly the same results, but can obtain very similar results in meets the requirement of precise.

Heat conduction simulation of ceramic backing welding is in using ANSYS software to simulate the welding process, by setting the welding changes in physical properties of the material in the process of material, and welding process of heat conduction in the process, in process simulation, meshing smaller, obtained result is more accurate, so in the use of finite element analysis and need to welding on the welding seam area smaller mesh were carried out, and in a relatively unimportant area is not required.

Key words: ceramic liner welding, one side welding, numerical simulation, finite element method

目录

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 焊接温度场国内外的发展情况 1

1.3 陶质衬垫CO焊及其相关研究 2

1.4 本文研究的主要内容 3

第2章 有限元分析理论 4

2.1 有限单元法介绍 4

2.2 ANSYS的三个板块 4

第3章 焊接热传导基础 6

3.1 焊接热过程及其特点 6

3.2 焊接热传导效率 6

3.3 热传导的微分方程式 7

3.4 焊接热源的选择 8

1. 陶质衬垫CO焊温度场模拟 9

4.1 焊接材料及工艺 9

4.2 实体模型及网格划分 10

4.3 热源模型的加载 12

4.4 边界条件的处理 12

4.5 求解 13

第5章 实验结果的分析 14

5.1 焊件在不同时间点的温度场分布 14

5.2 焊缝传热规律研究 16

5.3 本章小结 17

第6章 结论 18

致谢 19

参考文献 21

1.绪论

1.1 前言

焊接是一种现代工业经常使用到的金属或者非金属连接方式。焊接过程中伴随着各种各样的物理化学变化。通过这些可以全面的了解整个焊接过程金属的变化，了解了这些变化之后才能够控制好焊接工艺参数，从而得到高质量的焊缝或焊接接头，在熔化焊中，焊缝中产生填充物与母材的加热液化，然后熔池内的金属共同冷却凝固，这个过程叫做焊接热过程。焊接工艺以前是根据实验得到一系列的工艺参数，凭借这些工艺参数得到稳定的焊接结构。但是，如果只是依靠试验得到的数据或图形来了解和控制焊接工艺，这是一个非常复杂的事情，不仅需要大量的实验，还需要大量的材料，既费时又费力成本还很高。在这样的情况下，数值模拟方法就可以发挥它的作用和优点，只需要进行少量的实验对模拟出来的结果进行验证，证明数值模拟技术的可行性和适应性，剩下的计算模拟工作可以交给计算机来自主完成，不必进行大量的人工实验，这样就能够在大程度上节约了人力、物力和财力，具有非常大的经济效益。通过计算机对焊接过程的模拟，可以得到使用不同工艺参数时得到的焊缝质量，通过对这些焊缝进行分析比较，可以比较简单的得到良好的焊接工艺。进而大幅度减少工艺试验的次数，并获得更好的焊接工艺结构。

由于现代社会的快节奏，工业生产也需要变得越来越高效，焊接作为工业生产中经常使用到的一种工艺，也需要不断的发展进步，近几年发展起来的单面焊双面成型工艺就是一种非常高效且易于操作的焊接工艺方法，与双面焊接方法相比，单面焊的工艺较为简单，所需的劳动力较小，对于实际的生产应用中，单面焊双面成型可以在很多双面焊难以成型的位置进行焊接，焊缝的焊接次数又比双面焊少，所需的焊接条件又比较的简单，而且焊缝组织比较优越，能够缩短焊接时间，即可大范围推广使用，又有着显著地经济效益，陶质衬垫CO₂焊是高效、节能的单面焊双面成型工艺，不仅提高了焊接效率，有保证了焊接质量，在造船等行业得到了非常广泛的应用。但是这种焊接工艺仍然有着缺陷，对造船等工业有不利影响。因此采用合理的焊接工艺对焊接质量的保证非常重要。如果仅仅是采用车间实验的方法来得到焊接工艺参数的话，不仅需要大量的时间，而且浪费材料，成本较高，所以，用软件模拟焊接过程来得到相应的焊接参数就显得非常的简单，不仅大大节约了时间，而且节省材料，只需要进行少量的车间实验来验证实验数据就可达到较为准确的焊接工艺参数。