双丝埋弧堆焊层温度场有限元模拟的学习体会

文献概况与研究方法

本文发表于2012年《焊接技术》第41卷第11期，作者团队来自山西电力职业技术学院、辽阳石油化纤工程有限公司、辽阳化工机械有限公司和沈阳工业大学。该文利用ABAQUS有限元软件，通过FORTRAN语言编写子程序，建立了双丝埋弧堆焊温度场的有限元模型，研究不同工艺参数对熔池温度场分布的影响，并通过试验验证了仿真结果。

有限元模型建立要点

热源模型

双丝埋弧焊的温度场模拟核心在于移动热源模型的准确描述。双丝焊相比单丝焊，热源为两个独立电弧的叠加，且两丝之间存在电磁力和热影响交互作用。文中采用双高斯热源或双椭圆热源模型来描述双丝电弧的热输入分布，通过FORTRAN用户子程序（如DFLUX）将热源定义嵌入ABAQUS求解器中。

材料模型与边界条件

堆焊温度场模拟中，材料的热物理性能（导热系数、比热容、密度）随温度变化，必须采用温度相关属性。此外，熔池表面存在强烈对流和辐射散热，需设置对流-辐射耦合边界条件。熔池凝固过程涉及固相线与液相线之间的相变潜热释放，通常采用等效比热法处理。

工艺参数对温度场的影响

仿真和试验结果一致表明：

这一规律与单丝焊的结论一致，但双丝焊的特殊性在于两丝之间的间距和电流分配比例对温度场分布有额外影响。当两丝间距过小时，两电弧热影响区重叠，导致中心区域温度过高；间距过大则热输入分散，熔池保护效果下降。

仿真与试验验证

文中通过堆焊试验验证了仿真结果的正确性，这种"仿真-试验"闭环验证的方法在焊接工艺开发中具有普遍适用性。在实际工程中，有限元模拟的价值主要体现在：

1. 工艺参数优化：在物理试验之前通过仿真筛选参数范围，减少试验次数。
2. 残余应力预测：温度场是应力场计算的基础，可为后续焊接变形预测提供输入。
3. 组织相变分析：温度场的时间历程决定了冷却速率，进而影响微观组织演变。

对钢管焊接工艺的借鉴意义

笔者在钢管焊接工艺开发中深刻认识到，有限元模拟已成为现代焊接工艺优化的重要工具。ERW（电阻焊）钢管的焊接温度场虽然与埋弧堆焊不同，但数值模拟的基本思路相通。对于大口径直缝埋弧焊管（LSAW）和螺旋焊管的焊接工艺优化，温度场和应力场的有限元分析同样具有指导价值。特别是对于厚壁管焊接中多层多道焊的焊接顺序优化，通过仿真预分析可有效减少焊接变形和残余应力。

该技术文献的价值在于展示了"数值模拟+试验验证"的完整研究范式，为工程技术人员提供了从理论建模到实践应用的完整方法论参考。