王　棟，肖　波，宋志東，何宗海

(鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

Q345B厚板T型頭CO2氣體保護焊溫度場的數(shù)值模擬與分析

王棟，肖波，宋志東，何宗海

(鄭州大學(xué) 機械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

摘要：基于商用有限元軟件ANSYS的APDL語言，選用適用于CO2氣體保護焊的雙橢球熱源模型，建立Q345B厚板T型接頭多層多道焊的有限元模型，采用單元生死技術(shù)，通過編制子程序逐層逐段地激活焊縫單元來模擬焊縫材料的填充過程，得到不同焊接速度下模型溫度場的分布情況以及模型典型位置的熱循環(huán)曲線，并通過實驗驗證了仿真結(jié)果，證明了焊接模擬的可靠性，為實際焊接過程分析提供一定的理論幫助.

關(guān)鍵詞：CO2氣體保護焊；T型接頭；單元生死技術(shù)；溫度場

0引言

近些年，為滿足國內(nèi)外在建筑、礦山機械、鐵路車輛、橋梁隧道等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，厚板鋼焊接結(jié)構(gòu)的需求越來越多[1].T型焊接接頭因其具有較高強度的優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于箱梁等空間焊接結(jié)構(gòu)中.

對于厚板T型接頭的焊接，單道焊縫無法填滿坡口，多采用多道焊的方式進行焊接.焊接過程是一個快速且不均勻的熱循環(huán)過程，焊接熱源集中在焊件接頭部分，使焊件存在溫度梯度，產(chǎn)生不均勻的溫度場[2]，焊接溫度場與焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率密切相關(guān).一些研究者在焊接溫度場的模擬方面做了大量工作[3-6].筆者基于有限元分析軟件ANSYS，利用生死單元技術(shù)，編制了焊縫材料逐步填充以及熱源移動的子程序[7]，對不同焊接速度下Q345B厚板T型接頭CO2氣體保護焊的焊接過程進行模擬，并對溫度場的模擬結(jié)果進行了分析研究與實驗驗證.

1建立有限元模型

1.1焊件幾何模型

本模擬的厚板模型由兩塊平板及焊縫組成，其幾何尺寸與模型如圖1所示.坡口形式為單面V型坡口，坡口角度為35°，鈍邊尺寸為2 mm，采用CO2氣體保護焊，通過五層六道焊縫焊完.

1.2數(shù)學(xué)模型的建立

焊接是一個局部快速受熱并隨后快速冷卻的過程，隨著熱源的移動，形成時間和空間內(nèi)梯度都很大的不均勻溫度場，材料的熱物理性能也隨溫度劇烈變化，因此焊接溫度場的分析是典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題.

非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題的控制方程為[8]

(1)

式中:ρ為材料密度;c為材料比熱容;λ為材料熱導(dǎo)率;T為材料瞬態(tài)溫度;Q內(nèi)為物體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，初始參數(shù)如表1所示.其表達的就是物體升溫所需熱量與傳入物體的熱量及物體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量和相等.

1.3熱源模型的選擇[9]

焊接熱源模型是對作用在焊件上的熱輸入在時間和空間上的一種數(shù)學(xué)描述，其選取合適與否將直接影響焊接溫度場的計算精度.模擬初始參數(shù)如表1所示.

目前常用的焊接熱源模型主要有高斯熱源模型、均勻熱源模型、橢球形熱源模型、雙橢球熱源模型等[10].由于雙橢球熱源考慮了厚度方向的熱流密度分布，模擬結(jié)果具有較大熔深的特點，因此適用于厚板焊接過程的數(shù)值模擬[11]，結(jié)合CO2保護焊焊接的特點，本模擬選用雙橢球熱源模型，其熱流密度分布如圖2所示.

雙橢球熱源前半部分的熱流密度分布表達式為

(2)

雙橢球熱源后半部分的熱流密度分布表達式為

(3)

式(2)、(3)中：a、b、cf、cb為熱源的橢球形狀參數(shù)，mm；q0為熱輸入功率，q0=ηUI，W；ff、fb為熱源前后橢球的熱流密度分布系數(shù)，ff+fb=2，是無量綱單位.

1.4仿真分析條件

焊接是一個涉及物理、化學(xué)、冶金和力學(xué)的多元過程，因此在對焊接過程進行數(shù)值模擬的過程中，對一些次要因素進行了簡化，提出以下假設(shè)及處理：(1)初始室溫設(shè)為20 ℃；(2)忽略焊件與試驗臺之間的熱傳導(dǎo)；(3)忽略溶池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)；(4)焊絲與母材材料采用相同的熱物理性能參數(shù)；(5)忽略保護氣體對溫度場的影響；(6)假設(shè)焊接速度為勻速；(7)焊接電流、焊接電壓、焊接熱效率等在焊接過程中是定值.

本焊接工藝參數(shù)為：電壓25 V，電流220 A，焊接熱效率為0.75，焊絲直徑1.2 mm，氣體流量為15 L/min，采用短路過渡，同向異時焊接，即上一道焊縫焊完后，冷卻10 s后再同向焊下一道焊縫，并最終空冷至室溫.焊接順序如圖3所示.

1.5有限元模型

按照幾何模型在ANSYS中建立有限元模型.因為焊接過程是一個加熱不均勻的過程，在焊縫及近焊縫處溫度梯度較大，其它區(qū)域溫度梯度較小，因此在對有限元模型劃分網(wǎng)格時，焊縫及近焊縫處采用較為細(xì)密的網(wǎng)格，而其它區(qū)域采用較為稀疏的網(wǎng)格，這樣既保證了焊接模擬結(jié)果的可靠性，同時減少了網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省了計算時間.

結(jié)合本分析的有限元模型，對焊縫及近焊縫處的單元大小定為1 mm，其它區(qū)域的單元大小定為4 mm，劃分網(wǎng)格后模型如圖4所示，總節(jié)點數(shù)為53 472，總單元數(shù)為45 630.

2仿真結(jié)果及分析

2.1焊縫填充過程的實現(xiàn)

在計算過程中，利用ANSYS軟件本身的生死單元技術(shù)，在不增加或減少單元數(shù)量的前提下，通過抑制和逐段的激活焊縫處的單元，可以較為真實地模擬焊縫金屬的填充這一過程.

2.2溫度場分析結(jié)果及分析

在焊絲直徑、焊接電流和電壓、氣體流量等工藝參數(shù)一定的情況下，焊接速度是影響焊接穩(wěn)定性和質(zhì)量以及溫度場分布的重要因素，因此，本次模擬分別對6 mm/s、8 mm/s及10 mm/s 3種焊接速度進行模擬，得出溫度場分析結(jié)果并進行分析.

以第一道、第二道焊縫為例，3種焊接速度下焊接第一、二道焊縫時的溫度場分布如圖5所示，可以看出3種焊接速度下，焊縫上的溫度云圖呈橢球狀分布.隨著焊接速度由6 mm/s增加到10 mm/s，溫度場等溫層的寬度逐漸減小，6 mm/s、8 mm/s和10 mm/s速度下第一道焊縫焊接過程中熱源中心經(jīng)過位置的最高溫度分別為1 747.08 ℃、1 508.93 ℃和1 378.34 ℃，第二道焊縫焊接過程中熱源中心經(jīng)過位置的最高溫度分別為2 113.81 ℃、1 687.48 ℃和1 544.3 ℃，呈逐漸降低的趨勢，模型最低溫度為常溫20 ℃.這是因為隨著焊接速度的增加，熱源對焊縫的作用時間逐漸減小，因此熱影響區(qū)寬度逐漸減小，模型的最高溫度逐漸降低.

在此取熱源中心經(jīng)過各道焊縫的點作為研究對象進行分析，6個點分別為A、B、C、D、E、F，節(jié)點號分別為2 653、7 535、6 029、3 139、3 748和9 423，均位于各焊道的中間位置，位置分布如圖6所示.在3種焊接速度下，通過ANSYS的計算，得到在焊接過程中六點的熱循環(huán)曲線圖.

以焊接速度8 mm/s時為例，焊縫上A～F點的熱循環(huán)曲線如圖7所示：焊接熱源在第一道縫上加載2.5 s左右時，A點開始受到熱源加熱作用，溫度迅速升高，4.5 s時A點達到最高溫度1 508.93 ℃.隨著熱源的離開，A點的溫度迅速下降，直至500 ℃左右時溫度的下降逐漸減緩，并降至一個較低值.隨著后幾道焊縫的焊接，A點又經(jīng)歷了幾次溫度升降循環(huán)過程，第二次溫度循環(huán)的最高溫度為300 ℃左右，遠低于第一次溫度循環(huán)的最高溫度.這是由于焊縫材料在高溫情況下呈液態(tài)，導(dǎo)熱系數(shù)較大，因此當(dāng)熱源離開A點之后溫度迅速下降；當(dāng)溫度降低以后，焊縫材料呈固態(tài)以及相變狀態(tài)，導(dǎo)熱系數(shù)遠低于液態(tài)，因此A點的溫度下降速度放緩.20.5 s時A點受到第二道焊縫焊接的加熱作用，經(jīng)歷第二次溫度升降循環(huán)，但由于熱源不直接作用在A點上，因此其最高溫度較低.隨著焊接厚度的增加，熱源對A點的作用逐漸減弱，A點的溫度曲線呈現(xiàn)為一種緩慢降低的過程.B～F點的熱循環(huán)曲線與A點相似，在此不作贅述.

當(dāng)焊接速度為6 mm/s和10 mm/s時，A～F點的熱循環(huán)曲線變化趨勢與焊接速度為8 mm/s時基本相同，不同點在于隨著焊接速度的提高，熱循環(huán)曲線的最高溫度逐漸降低，這是由于焊接熱源的作用時間隨著焊接速度的提高而逐漸減小，因此輸入的熱量減少，所以最高溫度逐漸降低.

2.3實驗驗證

實驗設(shè)備選用NBC-350熔化極氣體保護弧焊機一臺，焊接熱循環(huán)曲線測量系統(tǒng)一套.實驗材料為Q345B鋼板兩塊，焊絲選用H08Mn2SiA，焊接速度選用8 mm/s，實驗材料尺寸及焊接工藝參數(shù)與數(shù)值模擬時所選參數(shù)相同.實驗樣件及實驗所選樣點分布如圖8所示，a～f點與上文中的A～F點依次對應(yīng).通過實際焊接，利用熱循環(huán)曲線測試系統(tǒng)測得在焊速為8 mm/s時，a～f點的熱循環(huán)曲線如圖9所示.

可以看出，通過實驗測得的a～f6點的熱循環(huán)曲線與模擬所得曲線變化趨勢相似.具體溫度值略有誤差.在溫度下降階段，模擬的曲線溫度下降速率大于實測曲線.

總體來說，對于熱循環(huán)曲線的變化趨勢和最高溫度范圍，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果較為吻合，可以認(rèn)為模擬數(shù)據(jù)較為可信.

3結(jié)論

(1) 對比了6 mm/s、8 mm/s和10 mm/s 3種焊接速度下焊接第一道焊縫和第二道焊縫過程中溫度場的分布情況，得出隨著焊接速度的提高，溫度場垂直焊接方向的等溫層寬度有所減小，熱源中心的最高溫度也有所降低.

(2) 選取位于各道焊縫中間位置的6點(A點～F點)作為研究對象，利用ANSYS中的時間歷程后處理功能，得到了3種焊接速度下6點的熱循環(huán)曲線，結(jié)果表明：隨著熱源的靠近，焊縫處溫度瞬間升高到最高溫度，接著熱源離開，焊縫處溫度快速下降，直至500 ℃時，溫度下降速度減緩；另外隨著焊接速度的提高，取樣點的最高溫度有所下降.

(3) 通過實驗驗證，模擬得到的熱循環(huán)曲線與實測曲線較為吻合，模擬結(jié)果較為可信，為實際焊接過程的分析提供一定的理論幫助.

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Numerical Simulation and Analysis of CO2Arc Welding Temperature Field for Q345B Plate T-joint

WANG Dong，XIAO Bo， SONG Zhi-dong， HE Zong-hai

(School of Mechanical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)

Abstract:Based on the APDL(ANSYS Parametric Design Language) of commercial finite element software ANSYS and selecting the double-ellipsoid heat source model，the finite element model of Q345B plate T-joint multi-layer and multi-pass welding is created．With the element birth and death technology and simulating the filling process of weld material by programming subroutine which activates the welding element step by step．The temperature field distribution regularities of the model under different welding speeds are analylized and worked out the thermal cycling curves of typical positions．The simulation results are verified through experiment which prove the reliability of the welding simulation and provide some theoretical help to analysis the actual welding process．

Key words:CO2 arc welding；T-joint； element birth and death technology；temperature field

中圖分類號：TG402

文獻標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.005

文章編號:1671-6833(2015)02-0018-04

作者簡介:王棟(1970-)，男，河南鄭州人，鄭州大學(xué)副教授，博士，主要研究方向為抗疲勞制造技術(shù)，E-mail:wangdong@zzu.edu.cn.

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(863計劃)(2012AA041801)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(14A460001)

收稿日期:2014-10-30；

修訂日期：2015-01-19