【摘 要】本文以橋殼用鋼390Q對接接頭為研究對象，運用ANSYS有限元分析軟件，對焊接過程的應(yīng)力場使用計算機(jī)進(jìn)行了三維實時動態(tài)數(shù)值模擬，得到了390Q鋼板在不同焊接速度下焊縫區(qū)的瞬態(tài)應(yīng)力場。提出了可行的三維焊接應(yīng)力場的動態(tài)模擬分析方法， 為優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)工藝和焊接規(guī)范參數(shù)，提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。模擬計算結(jié)果表明：當(dāng)取最佳焊接速度為5mm/s時，焊接應(yīng)力值最小。

【關(guān)鍵詞】橋殼用鋼；390Q；數(shù)值模擬；焊接應(yīng)力場

The numerical simulation on welding stress field of high strength steel for axle case steel 390Q

Abstract： This paper takes the butt joint of axle case steel as research object ，simulates the real-time three dimensional dynamics welding stress field by FEA software ANSYS and abtains the axle case steel 390Q’s transient stress field of weld zone at different welding speed.On that basis， proposes feasible dynamic simulation method of three dimendional stress welding field which provides theoretical basis and guidelines for optimizing welding technology and norming welding parameters. The result of welding stress simulation shows that the optimum welding speed is 5mm/s .

keywords：axle case steel， 390Q， numerical simulation， welding stress field

引 言

橋殼用高強(qiáng)度鋼390Q中由于加入了鈮、鈦等合金元素，使其具有良好的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，又因在軋制過程中采用了控軋控冷措施而獲得了超細(xì)晶粒，使其具有高的綜合力學(xué)性能，有望代替16MnL 鋼成為制造中重型卡車橋殼的材料[1]。

作者針對高強(qiáng)度鋼390Q采用有限元模擬軟件ANSYS，對該種鋼板的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，為實際生產(chǎn)提供了試驗依據(jù)。

1、物理模型的建立

采用ANSYS軟件建模，試件尺寸為100mm×70mm×10mm，材質(zhì)為390Q鋼板，電弧沿焊件中心移動，焊接溫度場的計算屬于非線性瞬態(tài)傳熱問題，材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度而變化，許多材料的物理性能參數(shù)并不齊全，查得文獻(xiàn)獲得，給出了390Q鋼在20 ℃～2000℃范圍內(nèi)的熱物理性能參數(shù)。為了計算的收斂，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整高溫時的參數(shù)，在計算過程中對高溫時的材料性能參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，其差一般不大。

焊接過程是一個加熱非常不均勻的過程，焊縫處溫度梯度變化很大，其產(chǎn)生的應(yīng)力分布也不均勻，劃分網(wǎng)格時一般在焊縫及其附近的部分用加密的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，采用相對稀疏的單元網(wǎng)格?？傊?，在保持精度的同時減少網(wǎng)格的數(shù)量。而具體到本課題的特點，如果繼續(xù)采用溫度場計算的網(wǎng)格大小（1mm），則使得計算時間過長，因此，為了縮短計算時間并保證計算精度，采用了相應(yīng)的大網(wǎng)格劃分，在焊縫及熱影響區(qū)附近分別設(shè)置網(wǎng)格尺寸為1.75mm，2.5mm，2.85mm。

2、模擬結(jié)果及分析

根據(jù)鋼板材質(zhì)和板厚，選擇其最合適的焊接參數(shù)：電弧電壓u= 18V；焊接電流=140A；熱效率η=0.7；電弧有效加熱半徑r=5mm。焊接速度分別為4mm/s 時，焊接時間為25s。

分別選取焊接速度為4mm/s、5mm/s、6mm/s，進(jìn)行不同時間焊接應(yīng)力場云圖對比分析。

當(dāng)焊接速度為4mm/s時，分析三個不同焊接時刻的應(yīng)力云圖可以看出：焊接時刻為3s時的應(yīng)力分布為3059～273×109MPa，焊接時刻為13s時的應(yīng)力分布為551213～446×109MPa，焊接時刻為24s時的應(yīng)力分布為4457626～313×109MPa。

當(dāng)焊接速度為5mm/s時，分析三個不同焊接時刻的應(yīng)力云圖可以看出：焊接時刻為5s時的應(yīng)力分布為46978～391×109MPa，焊接時刻為10s時的應(yīng)力分布為299547～424×109Mpa，焊接時刻為19s時的應(yīng)力分布為396948～227×109Mpa。

當(dāng)焊接速度為6mm/s時，分析三個不同焊接時刻的應(yīng)力云圖可以看出：焊接時刻為5s時的應(yīng)力分布為35902MPa～3.73×108Mpa，焊接時刻為12s時的應(yīng)力分布為616837MPa～3.98×108Mpa，焊接時刻為15S時的應(yīng)力分布為396948MPa～2.27×108MPa。

在應(yīng)力分布云圖中可以看出當(dāng)焊接過程剛開始的時候，工件的應(yīng)力較小，當(dāng)焊接過程進(jìn)行到一半時，應(yīng)力最大。當(dāng)焊接過程即將結(jié)束時，應(yīng)力又減小。

應(yīng)力分布曲線表明在3個不同的焊接速度下，焊縫不同位置的應(yīng)力變化趨勢是一致的。圖1為焊縫不同位置處的焊接速度與應(yīng)力對比圖，結(jié)果表明當(dāng)焊接速度為5mm/s時，整個焊縫的應(yīng)力值最小。

3、結(jié)論

通過對不同焊接速度的焊接應(yīng)力場的數(shù)值模擬，可以優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，減少實驗數(shù)量。根據(jù)應(yīng)力場模擬結(jié)果，在橋殼用高強(qiáng)度鋼390Q的焊接過程中，選擇焊接參數(shù)為：U=18V，I=140A，V=5mm/s。

參考文獻(xiàn)

[1]于燕等.中重型卡車橋殼用390Q高強(qiáng)度鋼的焊接性能.機(jī)械工程材料，2008，（8）：53～55

[2]Eager T W， Tsai N S. Temperture fields produced by traveling distributed heat sources[J].Welding Journal.1983，62（12）：346-355

[3]焊接手冊，1992

[4]王國強(qiáng).實用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實踐.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1～187，2000

作者簡介

王立（1982-），女，吉林人，碩士研究生。