基于ABAQUS的双丝埋弧堆焊层温度场模拟学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《焊接技术》2012年第41卷第11期，由周拨云等四位作者完成，作者分别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。研究利用ABAQUS有限元分析软件，通过FORTRAN语言编写子程序实现双丝埋弧焊温度场的有限元计算，建立了移动热源载荷下的温度场模型，系统研究了焊接电流、电弧电压和焊接速度等工艺参数对熔池温度场分布的影响，并通过堆焊试验进行了验证。

双丝埋弧焊（Twin-Wire Submerged Arc Welding）是堆焊领域的重要工艺，尤其适用于大面积耐磨堆焊层的制备。与传统单丝埋弧焊相比，双丝埋弧焊具有熔敷效率高、稀释率低、热输入可控等优势，在电厂、石化、矿山等行业的大面积耐磨堆焊修复中应用广泛。然而，双丝埋弧焊的温度场分布复杂，两根电弧的热相互作用、熔池的复合流动等使得经验公式难以准确描述，有限元模拟成为深入理解温度场规律的必要手段。

有限元模型与热源方法

热源模型的建立

本文采用FORTRAN语言编写用户子程序（DFLUX），在ABAQUS中实现双丝埋弧焊移动热源载荷的施加。双丝埋弧焊的热源模型需要考虑两个电弧的热输入及其空间分布。通常，单个电弧的热源可采用双椭圆模型（Double Elliptical Heat Source）来描述，即电弧前方为窄而深的抛物线分布，后方为宽而浅的椭圆分布。双丝焊接时，两个热源在空间上存在叠加效应，当两电弧间距较小时，热叠加区域温度显著升高，对熔池形态和凝固组织有重要影响。

材料属性与边界条件

温度场模拟的准确性高度依赖于材料属性的设置。堆焊层材料（通常为高铬铸铁、镍基合金或碳化钨基金属陶瓷等）的密度、比热容、热导率和发射率均随温度变化，需要在ABAQUS中设置温度相关的热物性曲线。此外，焊接过程中的热对流和热辐射边界条件也需合理设置，通常采用对流系数15~25 W/(m²·K)和发射率0.8~0.95。

网格划分与计算策略

双丝埋弧焊温度场模拟的网格划分需特别注意：热源区域应加密网格以保证温度梯度的准确捕捉，远离热源区域可适当稀疏。由于焊接过程涉及大变形和热-力耦合，通常采用生死单元技术（Solidification/Remelting）来模拟材料的熔化和凝固。计算策略上，可采用热-力耦合分析或热分析（仅温度场），后者计算效率更高，适用于初步参数优化。

工艺参数对温度场的影响规律

焊接电流与电弧电压的影响

文献结果表明，随着焊接电流和电弧电压的增加，熔池的熔宽及熔深均有所增加。这一规律符合焊接热输入的基本原理：热输入Q = UI/v（U为电弧电压，I为焊接电流，v为焊接速度）。电流和电压的增加直接提高了热输入，导致熔池体积增大，熔宽和熔深相应增加。

但需要特别注意的是，双丝埋弧焊中两根电弧的电流分配和电压匹配对温度场有重要影响。若两丝电流不相等，温度场将呈现不对称分布，可能导致堆焊层成分和组织的不均匀。在实际生产中，通常采用恒压或恒流控制来确保两丝电流的稳定匹配。

焊接速度的影响

随着焊接速度的增加，熔宽和熔深均减小。这是因为焊接速度增加导致单位长度上的热输入减少，熔池冷却速率加快。然而，过高的焊接速度可能导致熔池过冷，形成未熔合或冷裂纹等缺陷。在实际堆焊工艺中，焊接速度需要根据母材厚度、堆焊层要求和设备能力综合确定，通常双丝埋弧堆焊的速度在15~30 cm/min范围内。

仿真与试验的对比验证

文献通过堆焊试验验证了仿真结果，两者在熔宽和熔深的变化趋势上保持一致。这种仿真与试验的相互验证是有限元分析可信度的重要保障。然而，在实际工程应用中，我注意到以下几个需要注意的问题：

第一，有限元模型中的热源参数（如电弧效率、热分布系数等）往往需要通过试验标定。双丝埋弧焊的热源模型比单丝复杂得多，简单的叠加模型可能无法准确反映两电弧的相互影响。

第二，堆焊过程中熔池的流动对温度场分布有重要影响。纯热分析忽略了熔池流动对热传递的强化作用，可能导致温度场预测的偏差。对于高要求的应用，建议采用热-流-力耦合分析。

第三，多层多道堆焊时，前道堆焊层对后道温度场的影响不可忽略。有限元模型中应考虑已堆焊层的散热效应和温度场残余。

对工程实践的指导意义

双丝埋弧堆焊温度场模拟的最大价值在于工艺参数的优化和工艺窗口的确定。在实际工程中，堆焊工艺参数的确定往往依赖经验试焊，耗时耗力且成本高昂。有限元模拟可以在试焊前预测不同参数组合下的温度场分布，缩小试焊范围，提高工艺开发效率。

从PDCA循环的角度来看，有限元模拟对应于"Plan"阶段，通过模拟确定合理的工艺参数范围；"Do"阶段进行试焊验证；"Check"阶段对比模拟与试验结果；"Act"阶段修正模型和参数。这种迭代优化的方法可以显著提高工艺开发的成功率和效率。

我认为，随着计算能力的提升和热源模型的不断完善，双丝埋弧焊温度场模拟将更加精确，有望实现从经验试焊向"数字孪生"驱动的工艺开发转变。对于从事耐磨堆焊修复的工程师而言，掌握有限元模拟方法将成为必备技能之一。