图2-2
热源在平板上焊接时起点为焊缝中心O点，终点为I点，坐标系方向如图所示。注意在网格划分过程中在焊缝附近要用更细数目的网格来描述，其是为了精确地捕获热梯度。 2.2.1.2 设置母材和焊缝的材料参数
在焊接过程的数值模拟中，进行温度场分析时必须确定下列热物理参数：导热系数（W/m.℃）、换热系数（W/mm2.℃）、密度（Kg/m3）、比热（J/Kg.℃）、焓(J/m3)；应力场分析时则必须确定泊松比、弹性模量(N/m2)、热膨胀系数(1/℃)、密度(Kg/m3)和屈服极限（MPa）等参数。对于本课题母材材料和焊缝填料均选择45#钢。由于在Marc软件材料库中有45#钢，因此在此45#钢的材料参数在软件中为默认值。
2.2.1.3 焊接路径的设置
本课题采用单层单道焊，模型只有一条焊缝，因此只需设置一条焊接路径，创建原始曲线和辅助曲线，焊接路径如图2-3。由于焊接路径的创建，焊接路径在此地的坐标被载入MSC.Marc Mentat。Z轴代表焊接运动方向，Y轴代表焊接电弧方向，X轴代表焊缝宽度方向。
图2-3
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2.2.1.4 初始边界条件的设置
由于模型材料选择为45#中碳钢，焊接性较差，需焊前预热，一般预热温度为200-300℃。因此设预热温度为200℃，设置模型所有节点初始温度为200℃。设环境温度30℃，空气换热系数0.02N/mm2/sec/℃。
不同的外部约束条件和拘束部位对平板焊后变形有很大影响。本课题即研究不同的拘束部位对焊后变形和残余应力的影响。添加外部约束条件假定为三种方案：
方案1：拘束平板上4个点GHJK的区域，如图2-4。
方案2：拘束平板上靠近焊缝处4个点PQMN的区域，如图2-5。 方案3：拘束平板四个顶点LRST的区域，如图2-6。
图2-4 图2-5
图2-6
焊接热源对于通常的焊接方法如手工电弧焊、钨极氩弧焊，采用高斯分布的函数就可以得到较满意的结果。对于电弧冲力效应较大的焊接方法，如熔化极气体保护焊和激光焊接，常采用双椭球形热源分布函数?13?。为求准确，还可将热源分成两部分，采用高斯分布的热源函数作为表面热源，试板熔池部分采用双椭球形热源分布函数作为内热源。表面热源其热流密度分布公式即，
式中Q为热输入量，r为电弧有效加热半径。双椭球形热源分布公式即，
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?6?
式中Q为热输入量，a、b、c为椭球轴的大小。本文根据所需模拟精度及焊接方法选择双椭球的热源模型进行模拟。热源计算公式为Q=UIη，单位为N.mm/s, U为电压，I为电流，η为电弧效率。?6?
2.2.2 焊接模拟分析
2.2.2.1 载荷工况的定义
在MAIN主菜单中拾取LOADCASE，进入载荷工况定义子菜单。在连铸、挤压、轧钢、冲压、焊接等许多加工过程中，工件产生变形的同时往往伴随着温度的变化。准确的分析这些加工过程中的温度和应力变化通常不应把温度场的求解和应力场的的分析分解开来。因为除了温度变化对结构变形和材料性质产生影响外，结构变形反过来会改变热边界条件，进而影响温度变化。?5?
对于温度与位移存在强耦合作用的问题，若先算温度，后分析热应力的解耦方法，分析会产生较大误差，比较精确地分析是按照热-机耦合场的求解方法，同时处理热传导和力平衡两类不同场方程?5?。本课题用热机耦合工况来进行焊接分析，包括热传导分析和热应力分析。
由焊接速度和板长可得焊接时间为16.7s。 2.2.2.2 工作参数定义并提交运行
在MAIN主菜单中单击JOBS，进入子菜单，进行热机耦合工况条件加载。最后提交并运行。
2.2.3 焊接模拟后处理
Mentat的后处理功能以图形、动画、曲线、表格和文件等多种形式显示Marc程序进行分析后生成的结果。
在程序运行完成后提取不同约束方案的温度场、应力场和不同方向焊后变形曲线，同时对变形结果进行比对分析，得出结论。
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第3章 温度场和应力场的模拟
3.1 焊接工艺方案的确定
本文是在如前所述三种方案的拘束条件下来进行模拟的，通过比较平板的宏观和微观变形来讨论不同外部约束条件对焊接变形的影响。欲获得良好的焊接接头，必须正确选择焊接方法，了解材料的焊接性，正确掌握基本操作，选择合适的焊接规范。CO2气体保护焊的焊接参数选择要求如下：
1.焊丝直径的选择 当钢板厚度大于4mm时，应采用直径大于或等于1.6mm的焊丝，直径1.6mm的焊丝可用于短路过渡和细滴过渡焊接。
2.焊接电流的选择 焊接电流的作用是熔化焊丝和工件，，同时也是决定熔深的最主要因素。焊接电流使用范围随焊丝直径和熔滴过渡形式的不同而不同。焊丝直径为1.6mm且短路过渡的焊接电流在200A以下时，能得到飞溅小、成形美观的焊道。细滴过渡的焊接电流在350A以上时，能得到熔深较大的焊道，常用于焊接厚板。
3.电弧电压的选择 电弧电压是焊接参数中很重要的一个参数，电弧电压的大小决定了电弧的长短和熔滴的过渡形式，它对焊缝成形、飞溅、焊接缺陷以及焊缝的力学性能有很大的影响。实现短路过渡的条件之一是保持较短的电弧长度，即低电压。但电弧电压过低，电弧引燃困难，焊丝会插入熔池，电弧也不能稳定燃烧；若电话电压过高，则由短路过渡转化为粗滴的长弧过渡，焊接过程不稳定。
4.焊接速度的选择 选择焊接速度主要根据生产率和焊接质量。焊速过快，保护效果差同时使冷却速度加大，使焊缝塑性降低，且不利于焊缝成形，易形成咬边缺陷；焊速过慢，熔敷金属在电弧下堆积，电弧热和电弧力受阻碍，焊道不均匀，且焊缝组织粗大。在实际生产中，焊速一般不超过8.3mm/s。
5.焊丝伸长长度的选择 当其他焊接参数不变时，随着焊丝伸出长度的增加，焊接电流下降，熔深也减小；焊丝上的电阻热增大，焊丝熔化加快，从提高生产效率上看这是有利的。但是当焊丝伸出长度过大时，焊丝容易发生过热而成段熔断，飞溅严重，焊接过程不稳定。同时焊丝伸出长度增加后，喷嘴与工件间的距离亦增大，因此气体保护效果变差。焊丝伸出长度过小，会妨碍观察电弧，影响焊工操作；同时飞溅金属容易堵塞喷嘴；另外还会使导电嘴过热而夹住焊丝，甚至烧毁导电嘴。很据经验，合适的焊丝伸出长度一般为焊丝直径的10-12倍。
6.电流极性的选择 CO2焊主要采用直流反接法。能得到飞溅小，电弧稳定，焊缝成形好，熔深大，焊缝金属含氢量低的焊缝。
7.气体流量的选择 气体流量主要根据对焊接区域的保护效果来决定。在焊接电流较大、焊接速度较快、焊丝伸出长度较长以及室外作业等情况下，气体流量要适当加大。粗丝CO2焊气体流量在15-25L/min。?14?
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基于本课题，5mm单道焊平板对接模型，通过查取《熔焊方法与设备》?14?和《实用焊接手册》?15?，选择熔化极CO2气体保护焊，滴状过渡，焊丝为H08Mn2SiA，焊丝直径1.6mm，焊接层数1层，具体参数如下：
电弧电压U=30V，焊接电流I=300A，焊接速度为6mm/s，气体流量15L/min。
3.2 温度场的模拟及分析
3.2.1 瞬态温度场的模拟结果
图3-1、图3-2、图3-3、图3-4是平板分别在1.01s、8.5s、16.7s和冷却后的温度场分布。
图3-1
图3-2
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