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1 引言
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，苏联科学院的助Rykalin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。为了求热传导微分方程的解，他把焊接热源简化为点、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。
本文利用ansys建立了平板焊接的三维模型，并研究焊接速度和高斯热源的有效半径对其温度场的影响。为实际的焊接工程了提供了一定的指导意义。
2 模型建立与计算讨论
模型尺寸为100mm×50mm×6mm，材料为20号钢，电弧沿焊件中心移动。由于模型的对称性，本文只选取半模型进行计算，其有限元模型图图1所示。
图1 平板焊接的有限元模型 图2 有限元模型中考察的点
本文使用solid70单元来模拟焊接过程的动态温度场，为了提高计算的精度又要节省计算时间，在靠近焊缝中心处即从焊缝中心到距离其5mm的区域内网格控制在1mm，然后其网格密度一次减小；在厚度方向划分为两层。
计算参数：焊接的电压U=20；焊接电流I=160；热效率为0.7。表1给出了平板的温度场计算参数。由于材料缺乏高温材料数据，因此1500度以上的数据采用外插得到。
表1 平板的材料参数
本文采用高斯热源来模拟电弧，现将高斯热源简述如下：焊接时，电弧热源把热能传给焊件是通过一定的作用面积进行的，这个面积称为加热斑点。加热斑点上热量分布是不均匀的，中心多而边缘少。费里德曼将加热斑点上热流密度的分布近似地用高斯数学模型来描述，距加热中心任一点A的热流密度可表示为如下形式：
(1)
式中: qm为加热斑点中心最大热流密度:R为电弧有效加热半径; r为A点离电弧加热斑点中心的距离。对于移动热源：
(2)
这种热源模型在用有限元分析方法计算焊接温度场时应用较多。在电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况下，运用这种模型能得到较准确的计算结果。
下面给出了给定热源半径和焊接速度时，各考察点的温度与时间的关系图。
图3 R=0.007；V=0.005时1-4号温度随时间变化关系 图4 R=0.007；V=0.005时5-8号温度随时间变化关系
图3和图4给出了热源半径为0.007m；焊接速度为5mm/s时的1-8点的温度与时间的关系。从图中可知：焊缝中心处各考察点的温度变化规律基本相同，只是和高斯热源运动的时间有关，且在40s后温度基本下降到400度，在此以后焊缝中心处的各点都一相同的速度降温。从图4可以看出：焊接结束处的8点温度最高，且在100s四个点的温度基本相同。
图5和图6给出了热源半径为0.006m；焊接速度为5mm/s时的1-8点的温度与时间的关系。由图可知：各点的温度变化规律与热源半径为0.007m；焊接速度为5mm/s时的1-8点的温度与时间的关系基本相同。但其温度最高值要比其高大约300度，由此可以推断当其他条件不变时高斯热源的有效半径减小，其温度的最高值会明显增加。
图5 R=0.006；V=0.005时1-4号温度随时间变化关系 图6 R=0.006；V=0.005时5-8号温度随时间变化关系
图7 R=0.007；V=0.01时1-4号温度随时间变化关系 图8 R=0.007；V=0.01时5-8号温度随时间变化关系
图5和图6给出了热源半径为0.007m；焊接速度为10mm/s时的1-8点的温度与时间的关系。由图可知：各点的温度变化规律与热源半径为0.007m；焊接速度为5mm/s时的1-8点的温度与时间的关系基本相同。但其温度最高值要比其低大约300度，由此可以推断当其他条件不变时焊接速度增大，其温度的最高值会明显降低。
3 结论
通过以上分析和计算可以得出以下结论：
（1）ansys可以很好的模拟和计算焊接过程的动态温度场。
（2）当其他条件不变时焊接速度增大，其温度的最高值会明显降低；当其他条件不变时高斯热源的有效半径减小，其温度的最高值会明显增加。
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