本案例用Marc在探討在氣鎢弧焊（GTAW）過程中，焊接弧偏離焊接界面的影響。這種方法可以降低成本，減少材料浪費並提升焊接零件的使用壽命。
這篇文章原文為 Sant Longowal institute of engineering and technology 的實際案例
「焊接」常見在汽車、航空、鐵路、造船和機械工業。這項技術透過局部給予高強度熱量，使材料在焊接區域熔化並融合，從而形成永久的接合。
數個製程參數會影響焊接的效果，包括能量來源、熔區的形狀和大小、熱影響區以及速度。透過實際的操作來理解和改進這個具有挑戰性的過程，耗時且昂貴。MSC的Marc，非線性有限元素分析工具，以模擬的方式，也是最具成本效益的方式，來瞭解這些製程參數。
挑戰
在熱交換器中，為了提高效率和降低成本，不同溫度區域會使用多種材料。這就需要將具有不同屬性，如導熱性、熱膨脹係數和強度的異質材料進行焊接。這些差異增加了因不均勻膨脹和收縮而導致失效的可能性。此外，不同熔點或熱導率的金屬接合更加困難，因為一種金屬會在另一種金屬之前熔化，導致焊接表面周圍的溫度分布不均。
解決方案/驗證
銅和鋼在不同區域的熱交換器中常被使用，並需要在過渡區域進行連接。由於銅的高導電性，使得達到銅的熔點變得困難，這使得銅和鋼之間的焊接效果不佳。印度的一家鐵路製造商常遇到這個問題，這也導致焊接和材料成本增加以及早期失效的風險。桑特隆戈瓦爾工程技術學院的研究員指出，在審查多種有限元分析（FEA）軟體產品後，決定使用MSC Software的Marc。選擇Marc是因為它具有強大的焊接專用技術以及熱分析能力，可以解決這個複雜的問題。
由於峰值溫度和溫度分佈決定了焊接的效果，研究集中在熱分析上以探討問題及潛在解決方案。建立了一個三維熱有限元素模型，包含兩塊尺寸為50毫米 x 100毫米 x 1毫米的板，一塊由銅製成，另一塊由AISI304不銹鋼製成（如圖1）。在界面區域及周圍定義較高的網格密度。由於預期焊接區域之外的熱梯度不高，網格密度在遠離界面處逐漸減少。
模型用於進行非線性、瞬態熱分析，以預測對接焊接過程中的溫度分佈和熱影響區。研究的目的是探討在氣鎢弧焊（GTAW）過程中，焊接弧偏離焊接界面的影響。為此，所有焊接參數保持不變，除了焊接線偏移距離。
焊接電弧產生的熱量使用雙橢圓體熱源模型來模擬，如圖2所示。這個模型中使用的特定參數是透過對熔池的實驗研究來決定的，並進行調整以在指定的焊接條件下創造出所需的熔化區域幾何形狀。接著，進行瞬態熱分析，方法是將焊接電弧沿著界面移動，但相對於界面的偏移量有所不同。所獲得和檢視的結果包括兩塊板材中的溫度分布，以識別每種情況下的峰值溫度和熱影響區域（圖3顯示了某一情況下的溫度分布）以及橫向方向的溫度分布（圖4）。
這項研究為異種材料的焊接提供了關鍵的見解：
- 在銅焊墊中的熱影響區（HAZ）比在不鏽鋼中的大。
- 銅焊墊的熱散逸速率比不鏽鋼的高。
- 當焊接電弧位於焊縫線上時，達到的峰值溫度不在焊縫線上，而是在不鏽鋼板中的某個距離處。
- 將電弧偏向銅板有助於將峰值溫度移向板材界面或焊縫線。
結論
這個模型展示了在GTAW焊接異材時，接合界面上的熱接觸效應，以及焊弧偏離焊接線的橫向偏移影響。Marc在模擬焊接問題的複雜物理現象方面表現非常好。結果與實驗數據相符，透過減少材料浪費和提高焊接零件的使用壽命能有效降低成本。
原文內容: Sant Longowal institute of engineering and technology – Marc helps solve complex welding problem to improve life of heat exchangers