一种应用于水环境中焊接物理场耦合的系统分析方法

技术领域

本发明属于材料加工工程学科中的焊接领域，尤其涉及一种应用于水环境中焊接物理 场耦合的系统分析方法。

背景技术

海洋蕴含着丰富的自然资源。海洋的开发需要大量海洋工程的建设，而这必定离不开 水下焊接技术的应用。水下焊接技术从电弧环境上主要区分为：湿法、干法和局部干法。 湿法焊接是指直接在水环境中进行焊接，水与电弧之间没有任何隔离设施，电弧主要靠焊 条药皮或药芯燃烧生成的气罩进行保护。干法焊接是指用大型隔离舱将焊接件与水环境隔 开，形成类似于陆上焊接的工况环境。局部干法是指将局部焊接区域的水排开，保证施焊 位置局部干燥。

焊接过程是个复杂的传热传质问题。在计算焊接温度场时，电弧、焊件与周围环境之 间热对流系数的取值决定着焊接温度场分析的准确与否。以往计算大气条件下的焊接温度 场时往往设定焊件与空气环境之间的对流换热系数h_c为某个常数，取值范围为 1~100W/(m²·K)。与此对应，在为数不多的几篇有关水下湿法焊接温度场模拟的研究文 献中，把焊件与水环境之间的对流换热系数h_c也常设定为某个常数，取值范围为 200~1000W/(m²·K)。但对于水下湿法焊接而言，水环境的存在使得该焊接过程的热传递 变得更为复杂。随着焊件表面温度的上升，与其接触的水介质会发生沸腾和汽化，水介质 的相变必然会导致焊件与水环境之间对流传热系数的变化，此时再将其取为常数显然不能 恰当描述水下湿法焊接的物理场耦合情况。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种应用于水环境中焊接物理场耦合的系统分析方 法。本发明结合水的饱和沸腾传热原理，得到水下湿法焊接过程中，焊件与水环境之间的 对流传热系数随焊件温度变化的曲线，并以此为基础给出应用于水下湿法焊接的温度场分 析流程。本发明的目的在于改进水下湿法焊接物理场的分析方法，使分析结果更符合实际 工况。

为了解决上述技术问题，本发明一种应用于水环境中焊接物理场耦合的系统分析方 法，步骤如下：

步骤一：参考水的大容器饱和沸腾曲线，根据焊件表面过热度Δt增加过程中水沸腾传 热的不同机理，将该曲线分为自然对流、核状沸腾、过度沸腾和稳定膜态沸腾四个区；其 中：Δt=t_w-t_s，t_w表示焊件表面温度，t_s表示水环境温度，Δt表示焊件表面过热度；

步骤二：根据公式h=q/Δt分别计算出上述水的大容器饱和沸腾曲线中沸腾状态变化 特征点A、B、C、D、E、F的对流散热系数h，并拟合得到对流散热系数随焊件表面温度 t_w变化的曲线，该曲线的分段函数如下：

$\left(\begin{array}{c}h=205,t_w\le 100;\\ h=250+353(t-100),t_w\le 130;\\ h=10840-109(t-130),t_w\le 220;\\ h=1030,t_w\le 2000;\end{array}\right)---\left(1\right)$

公式（1）中，t_w的单位为℃，h的单位为W/(m²·K)；

步骤三：确定水下湿法焊接条件，至少包括：环境温度、焊接工艺参数、焊板几何尺 寸，焊板材质以及坡口形式；

步骤四：依据上述焊板几何尺寸用网格划分软件对焊板建立几何建模和进行有限元网 格划分；

步骤五：根据实际焊接条件，初步设定水下湿法焊接模型的热输入条件、边界散热条 件和边界约束条件，其中，将公式（1）作为水下湿法堆焊有限元模型的边界散热条件；

步骤六：利用SYSWELD软件计算水下湿法焊接的温度场，提取焊接热循环参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明结合水的饱和沸腾传热原理，得到水下湿法焊接过程中固液耦合界面对流传热 系数随焊件温度变化的曲线，并以此为基础提出了分析水下湿法焊接温度场的改进方法。 本发明提供的技术思想可以合理预测水下湿法焊接温度场的分布情况，在实际生产中有重 要的科学和工程意义，可以减少进行水下焊接工艺试验的工作量，降低工艺试验成本。

附图说明

图1是水的大容器饱和沸腾曲线；

图2是对流散热系数随焊件表面温度变化的曲线；

图3水下焊接的网格模型；

图4计算所得的焊缝熔池形状同实际熔池形状的对比；

图5计算所得的焊缝熔合线处的温度循环曲线；

图6计算所得的焊缝热影响区处的温度循环曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，但 本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明一种应用于水环境中焊接物理场耦合的系统分析方法，步骤如下：

步骤一：参考水的大容器饱和沸腾曲线，如图1所示，根据加热面过热度Δt增加过程 中水沸腾传热的不同机理，将该曲线分为自然对流、核状沸腾、过度沸腾和稳定膜态沸腾 四个区；其中：Δt＝t_w-t_s，t_w表示焊件表面温度，t_s表示水环境温度，Δt表示加热面过热 度；

步骤二：根据公式h=q/Δt分别计算出上述水的大容器饱和沸腾曲线中沸腾状态变化 特征点A、B、C、D、E、F的对流散热系数h，（其中，AB段属于孤立汽泡区，BC属于汽 气块区，CD段属于大汽块区，DE属于过渡沸腾区，EF段属于稳定膜态沸腾区）并拟合得 到对流散热系数随焊件表面温度t_w变化的曲线，如图2所示，该曲线的分段函数如下：

$\left(\begin{array}{c}h=205,t_w\le 100;\\ h=250+353(t-100),t_w\le 130;\\ h=10840-109(t-130),t_w\le 220;\\ h=1030,t_w\le 2000;\end{array}\right)---\left(1\right)$

公式（1）中，t_w的单位为℃，h的单位为W/(m²·K)；

步骤三：确定水下湿法焊接条件，至少包括：环境温度、焊接工艺参数、焊板几何尺 寸，焊板材质以及坡口形式；

本实施例采用水下湿法堆焊，焊接条件为：环境温度设为20℃，平板试样，板厚7.5mm， 长度100mm宽度60mm；板材为Q345；焊条采用国产的TS202水下专用焊条，堆焊规范 如表1所示：

表1水下湿法堆焊焊接规范

步骤四：依据上述焊板几何尺寸用网格划分软件，诸如Visual Mesh、Hyper Mesh， 对焊板建立几何建模和进行有限元网格划分，单元类型为三维六面体单元，在焊缝及其周 围5mm处进行网格细化，划分好的网格模型如图3所示。

步骤五：根据实际焊接条件，初步设定水下湿法堆焊模型的热输入条件、边界散热条 件和边界约束条件，具体过程如下：

（1）热输入条件：用有限元分析软件SYSWELD对热源模型的热源参数进行校核， 热输入系数取0.7，热源形式为双椭球与平面高斯复合热源，能量比为3:1；

（2）将公式（1）作为水下湿法堆焊有限元模型的边界散热条件，即：依据公式（1） 编写子程序如下：

将其导入有限元分析软件SWSWELD中的函数库，从而将其设为水下堆焊有限元模 型的边界散热条件；

（3）设定水下湿法堆焊模型的边界约束条件：在焊板模型的端面选取不在一条直线 上三点，分别记为点1、点2、点3，其中，对点1施加X，Y，Z方向约束，对点2施加 X，Y方向约束；对点3施加X方向约束。

步骤六：利用SYSWELD软件计算水下湿法堆焊模型的温度场，提取其熔池截面形 状并同实际的熔池形状作对比，如图4所示,通过观察可以发现计算所得的熔池形状与实 际熔池形状吻合情况良好，这说明该方法的计算准确度较高，计算结果能够很好地反映真 实的焊接温度场。最后提取熔合线及热影响区处的焊接热循环参数分别如图5和6所示， 至此完成该水下堆焊温度场的分析模拟。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式， 上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明 的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保 护之内。