316L不锈钢管焊接过程中热源具有热量集中、瞬时移动的特点,作用在316L不锈钢管焊接结构上的温度场具有空间和时间梯度,结构温度场的梯度是形成316L不锈钢管焊接残余应力和变形的根本原因。因此在直缝埋弧焊管316L不锈钢管焊接过程的模拟中,温度场结果的精确度直接决定管体316L不锈钢管焊接残余应力计算结果的准确性。

焊缝处热量来自316L不锈钢管焊接电弧的加热作用,因此焊缝处的温度场分布由316L不锈钢管焊接热源的热输入量决定,精确求解316L不锈钢管焊接温度场的前提是对热源模型、传热等条件给予准确描述。

随着有数值模拟技术的不断进展,直缝埋弧焊管的热源模拟技术在精确程度上有了很大提高。ANSYS程序支持单元内部生热的热源模式,即通过对单元施加温度载荷,把316L不锈钢管焊接热源的产热转化为焊缝单元的内部热生成施加到焊缝上,将有效的热输入量换算成焊缝单元在单位体积、单位时间上的热生成强度。随着对热源模型技术研究的不断深入,学者们提出了一系列的热源计算模式:对于手工电弧焊、钨极氩弧焊等316L不锈钢管焊接方法,采用高斯分布的函数就可以得到比较满意的结果;对于电弧冲力效应较大的316L不锈钢管焊接方法,如熔化极氩弧焊或激光316L不锈钢管焊接,常需要采用双椭球形热源分布函数。热源模型的出现,从数学建模的角度更为精确的描述焊缝温度场,使结果精度有了进一步提高。

本文通过基于ANSYS程序的二次开发,采用高斯热源模型对316L不锈钢管焊接热输入过程进行模拟,基本思路为将316L不锈钢管焊接热源简化为具有某种分布规律的热流密度函数,离散化后以热流的形式作为载荷施加到单元上进行温度场计算。