基于有限元法的焊接过程模拟与优化

基于有限元法的焊接过程模拟与优化

王玉丰

身份证：320925197911215815

摘要：本文旨在利用有限元分析技术（FEA）对柴油机缸体与缸盖的焊接过程进行模拟与优化。通过建立焊接过程的数值模型，并确定缸盖与缸体的初始条件，本文深入探讨了焊接过程中温度场及应力场的分布情况。实验结果显示，不同焊接电流对焊缝区域的熔深具有显著影响，而小电流焊接可使焊缝区域的熔深及应力分布更均匀。本研究为优化焊接工艺参数，提高焊接质量提供了重要参考。

关键词：有限元分析；焊接过程模拟；焊接电流；焊接工艺优化

1. 有限元法在焊接过程中的应用

1.1 有限元法在焊接热力学模拟中的原理与方法

有限元法作为一种数值分析手段，特别适合于那些无法得到解析解的场合。在焊接过程中温度场与应力场发展到一定程度时会出现相变。所以可以用有限元法来模拟焊接过程。模拟步骤为：建模及网格划分，初始及边界条件的设定，热源加载及求解，后处理结果。文中利用ANSYS软件中APDL语言对焊接过程进行了仿真，获得了温度场及应力场的分布规律。

1.2有限元法分析焊接残余应力

当前对焊接残余应力研究多集中于它的产生，分布，影响和消除。焊接过程中引起的热应力，机械应力等对焊接结构的力学性能有着直接的影响。研究重点是确定不同温度条件下材料的热弹性力学及物理力学性能等参数，但是这两种方法都有局限性。有限元分析技术具有数学与物理模拟能力强，建模方式多样，并行运算能力强等优点，是求解焊接残余应力的有效方法之一。所以采用有限元法对焊接残余应力进行分析会得到较好的结果。

1.3有限元法对焊接变形的预测研究

焊接过程中涉及到复杂的传热，流动及相变等过程，致使温度场发生了复杂的变化。焊接温度会随着时间的延长而升高，从而影响到材料的热膨胀系数以及相变潜热的大小，导致焊接件在冷却过程中发生形变。有限元法可以对焊接变形进行预测和工艺调整，以减小甚至消除其变形。这种方法能够精确地预测材料的热变形，特别是对于大型和复杂的部件，它可以加速计算过程并减少实验的次数。

2.有限元法对焊接过程的优化探索

2.1优化了焊接参数，并进行了焊接质量分析

为了分析焊接参数变化对品质的影响规律，优化焊接电流、电弧电压等参数，比较优化结果。焊接电流，电弧电压等参数对焊缝温度场的分布具有显着的影响。电弧电压在300V时，焊缝温度均匀分布。在25A电流作用下焊缝温度均匀分布，没有出现局部过热和过冷现象。在25A电流下，焊缝最高温度达292°C,而在50A电流下，最高温度达378°C。所以选用25A电弧电压对于提高焊接质量具有积极作用。改变电流，电弧电压能有效地提高焊接质量。

2.2优化了焊接工艺流程，提高了生产效率

通过缸体-缸盖焊接工艺仿真研究发现：焊接时温度场、应力场随电流、电弧电压增加分布更均匀。为了更深入地确认模拟结果的准确性，我们调整了两种不同的焊接工艺参数，当使用小电流焊接时，它们的温度场和应力场分布变得更为均衡；用大电流焊接，温度场、应力场分布更加均匀。

2.3优化焊接材料的选择，促进焊接性能的提高

为能使焊接结构达到强度与韧性要求，必须经过热处理。但由于材料力学性能存在差异，因此需根据不同材料选择不同焊接工艺。另外，因焊接过程中热输入较大，所以在焊接材料的选择上一定要考虑这个问题。模拟计算缸盖和缸体焊接过程时发现温度场和应力场存在很大峰值。在此背景下，若进一步优化选择焊接材料，可有效提高焊接结构质量。经分析可得：对缸盖和缸体焊接，在使用小电流焊接时需240A电流；用大电流焊接时需250A电流。

3.有限元法应用于焊接所面临的挑战和问题

3.1兼顾焊接过程模拟精度和计算效率

因焊接过程具有复杂非线性关系，而焊接时又需施加大量热载荷，因此用常规有限元方法对其进行仿真计算将产生较大误差。另外由于焊接时使用实体单元对焊接区域进行仿真，因此对温度场分布不均时很难获得较精确的仿真结果。所以在仿真焊接过程时，要综合考虑各方面的因素，尽量使用较少的单元去仿真复杂焊接过程。

3.2对焊接过程优化结果进行了验证和实际应用

焊接过程模拟时，受时间限制以及焊点较近等因素的影响，往往存在局部计算不准的问题。为了验证该优化方法，对不同焊接工艺的效果进行了比较和分析，并将其运用到实际生产中。在实践中为了降低缸体和缸盖残余应力采取了改进加工工艺。不同的设备制造出的工件质量是不一样的，所以可以选择不同大小及形状工件进行加工。

3.3焊接过程多物理场耦合效应仿真难度较大

焊接过程比较复杂，涉及热传导，辐射，对流和扩散等多种物理场的耦合以及焊接材料的性质和结构特征。在实际焊接过程中温度场与应力场会随着时间发生变化，需要考虑多物理场的耦合作用。模拟焊接过程需要对热，应力和应变等多种载荷进行测定和加工。但是在焊接过程中往往会产生裂纹和气孔等问题，在仿真时需要考虑多物理场的耦合作用。

4.基于有限元法焊接过程仿真及优化策略研究

4.1结合试验数据，对有限元模型进行了参数优化

文中试验用国产工业用电弧炉一台，其输出电弧电压5 kV、电流100A、功率200 kW。在焊接过程仿真中，设置不同电流及电弧电压值并观察温度场分布以分析焊接过程。所以在焊接过程仿真中，设置电流与电弧电压值到不同大小，通过变化它们的值，分析它们对于焊接过程温度场和应力场的作用。

4.2开发了一种以机器学习为核心的焊接工艺优化方法

计算机技术的不断发展使得机器学习被广泛地应用到了优化设计领域。对焊接过程进行优化时，多采用基于遗传算法与神经网络相结合的方法。遗传算法作为一种无约束的优化手段，拥有出色的全局搜索性能和快速的收敛速度，能在较少的迭代过程中找到全局最优解。但它存在着搜索效率不高和寻优精度差的问题。神经网络的自组织，自学习记忆和非线性映射。焊接过程优化时，焊接参数可通过神经网络训练然后优化设计。

4.3探究了多尺度，多物理场耦合焊接过程模拟技术

焊接过程的仿真需要考虑许多物理场的影响。一是建立了焊接热源的模型，主要包括种类，加载方式和边界条件等。二是考虑了材料的热物理性能随着温度的变化规律。最后考虑了应力与应变的关系。从材料的热物理性能，应力应变参数和应力分布等方面建立了数学模型。利用有限元方法对模型进行了求解，并用计算结果进行了优化设计。

5.结语

对焊接过程进行仿真和优化能够有效地提高焊接结构质量、焊接效率、降低焊接缺陷。有限元法对焊接过程的模拟起到了至关重要的作用，同时也遇到了一定的挑战和难题。今后可结合实验数据对有限元模型参数进行进一步优化，开发基于机器学习焊接过程优化方法和探索多尺度多物理场耦合焊接过程仿真技术，为了进一步提高焊接过程模拟精度，改善优化效果。经过不断地研究和探索，我们相信今后焊接技术会越来越先进，效率也会越来越高，对制造业发展也会有更大帮助。

参考文献

[1]崔虎威,朱兴华,张朋. 基于热弹塑性有限元法的双腹加筋板焊接顺序研究 [J]. 焊管, 2024, 47 (05): 26-32+39.

[2]蒋雨生. 基于有限体积应变能密度法的不锈钢钎焊接头疲劳寿命研究[D]. 江南大学, 2023.

[3]闫超杰. 基于有限元法的汽车底盘后桥焊接应力场仿真模拟 [J]. 鞍山师范学院学报, 2020, 22 (04): 16-19.