李敏，胡玲玲

1.通號(hào)軌道車(chē)輛有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410217

2.湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410200

1 序言

焊條電弧焊在機(jī)械工業(yè)、設(shè)備維修、建筑鋼構(gòu)等行業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，是不可或缺的加工工藝，但焊接過(guò)程熱輸入量大，在焊中、焊后會(huì)出現(xiàn)較大的變形，主要體現(xiàn)在焊接殘余應(yīng)力變形，進(jìn)而影響裝配尺寸和公差的穩(wěn)定性。此外，焊接殘余應(yīng)力和變形還影響焊接工件制造精度和使用功能[1]，因此對(duì)焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力的研究十分必要。Alfredsson等人采用Abaqus的有限元法，估算定位焊引起的殘余變形和應(yīng)力，并校準(zhǔn)其殘余應(yīng)力分布[2]。Dean Deng等人采用有限元法，對(duì)低碳鋼薄板對(duì)接焊接頭的溫度場(chǎng)、塑性應(yīng)變和焊接殘余應(yīng)力的分布展開(kāi)了數(shù)值計(jì)算[3]。蔡志鵬等人利用Marc軟件，用串熱源模型對(duì)起重機(jī)主梁進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分析[4]。黎江采用ANSYS軟件，對(duì)厚板及圓筒進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分析計(jì)算，獲得了較好的焊接應(yīng)力和變形分析結(jié)果[5]。盛選禹等利用Abaqus軟件，對(duì)大型儲(chǔ)罐的X形焊縫進(jìn)行了計(jì)算模擬，給出焊接過(guò)程的溫度、應(yīng)力分布圖[6]。本文利用ANSYS軟件，對(duì)母材為Q355、焊材為J606RH的U形坡口進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算，分析焊接的溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力對(duì)焊接變形的影響，對(duì)后續(xù)的工程應(yīng)用具有非常重要的意義。

2 模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

焊接是局部快速加熱和冷卻的生產(chǎn)過(guò)程，它是隨著熱源的位移不斷改變，焊接母材、焊材的溫度場(chǎng)、熱物理性能也隨之改變，同時(shí)焊接母材、焊材熔化時(shí)，存在相變潛熱問(wèn)題，故焊接過(guò)程系非線(xiàn)性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，其控制方程為[7]：

式中 ρ ——密度（kg/cm3）；

c ——比熱容[J/（kg·℃）]；

T——溫度（℃）；

t——時(shí)間（min）；

λ——導(dǎo)熱率[W/ （m·℃）]；

Q——內(nèi)熱源；

qs——單位面積上的外部輸入熱源；

α——表面換熱系數(shù)；

Ts——物體表面溫度（℃）；

Ta——周?chē)橘|(zhì)溫度（℃）；

x、y、z——直角坐標(biāo)系三個(gè)方向。

2.2 物理模型

（1）研究對(duì)象 采用150mm×300mm×30mm的Q355標(biāo)準(zhǔn)平板試件，U形對(duì)接焊，焊縫坡口如圖1所示。

圖1 U形焊縫坡口

（2）模型網(wǎng)格 U形焊縫是通過(guò)焊條焊接形成的。為達(dá)到真實(shí)模擬的效果，采用了單元“生死技術(shù)”，因此單元必須具備生死、耦合功能，可進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合分析，由此根據(jù)上述條件，焊接試件母材選用Plan13單元，焊縫區(qū)選用Solid5單元，網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

圖2 U形焊縫網(wǎng)格劃分模型

（3）材料屬性 平板試件由兩種材料組成，母材采用Q355鋼，焊材采用J606RH。焊接數(shù)值分析屬非線(xiàn)性瞬態(tài)分析，由于母材Q355、焊材J606RH的熱物理參數(shù)并不齊全，尤其在接近熔化狀態(tài)時(shí)，熱物理參數(shù)都是空白的。故在20～1500℃內(nèi)定義材料屬性時(shí)，Q355的熱物理、力學(xué)性能參數(shù)[8]部分是通過(guò)插值法計(jì)算得出。對(duì)于J606RH熱物理、力學(xué)性能[9]的部分參數(shù)是按常值處理的，其中傳熱系數(shù)按Q355來(lái)取值。兩種材料的基本熱性能參數(shù)分別見(jiàn)表1、表2。

（4）熱源模型 在U形坡口焊接數(shù)值模擬研究時(shí)，熱源處理是影響結(jié)果精度的關(guān)鍵，也是關(guān)系到分析正確與否的關(guān)鍵。為了精確地模擬焊材在高溫下不斷熔化和填入到焊縫的過(guò)程，故將整個(gè)坡口內(nèi)的單元按Y方向、Z方向（見(jiàn)圖2）分層、分段，得到形狀規(guī)則的體塊焊料有限元焊縫模型，并遵循焊條的移動(dòng)軌跡對(duì)塊體單元進(jìn)行排序。通過(guò)ANSYS提供的單元生死功能，逐個(gè)地殺死焊縫內(nèi)的塊單元，再逐個(gè)不斷地激活單元，在所激活單元的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上施加焊料的初始溫度（初始溫度取20℃，焊料溫度設(shè)定為1500℃，參考溫度取20℃）[10]，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)熱源的施加。同時(shí)J606RH是低氫焊條，U形坡口平板試件在焊接前進(jìn)行了預(yù)熱處理（溫度取150℃）。模擬計(jì)算一道焊縫形成后，進(jìn)入焊縫冷卻時(shí)間，待焊接區(qū)域冷卻到150℃時(shí)，再讀取焊接區(qū)域數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一道焊縫模擬計(jì)算。圖3為正在進(jìn)行模擬焊接時(shí)焊縫內(nèi)的情形。

3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）溫度場(chǎng)分析 從圖4可以看出，在U形焊件的焊縫中心線(xiàn)上，隨著熱源移動(dòng)，無(wú)溫度場(chǎng)集中現(xiàn)象。為了更全面地反映U形焊接過(guò)程，分別從焊縫長(zhǎng)度、焊縫厚度、寬度三個(gè)方向不同的側(cè)面，提取U形焊縫節(jié)點(diǎn)上的溫度-時(shí)間歷程變化曲線(xiàn)，進(jìn)而分析研究其變化規(guī)律。

表1 Q355熱物理及力學(xué)性能參數(shù)

表2 J606RH熱物理及力學(xué)性能參數(shù)

圖3 正在焊接的U形焊縫

圖4 U形焊縫溫度分布

1）通過(guò)圖5和圖6可以看出，隨著焊接熱源沿著焊縫中心線(xiàn)的移動(dòng)，U形焊縫長(zhǎng)度方向中心線(xiàn)上各點(diǎn)溫度變化都是從起始值急速上升至最大值，然后又迅速下降。并且可以看出，溫度上升速度很顯然大于溫度下降速度，但溫度下降速度平緩后，各節(jié)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)基本相同。此外還可以看出，焊接中心線(xiàn)上各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)基本相同，但前后節(jié)點(diǎn)的溫度變化，在時(shí)間上有一個(gè)間隔，而這個(gè)間隔時(shí)間近似等于一道焊縫焊接所需的時(shí)間。

2）通過(guò)圖7和圖8也可以看出，U形焊縫厚度方向，溫度-時(shí)間歷程變化曲線(xiàn)，基本與焊縫長(zhǎng)度方向一致，只是前后節(jié)點(diǎn)溫度變化的時(shí)間間隔近似等于一道焊縫焊接所需的時(shí)間。

圖5 U形焊縫長(zhǎng)度方向采樣點(diǎn)分布

圖6 U形焊縫長(zhǎng)度方向溫度-時(shí)間歷程變化曲線(xiàn)

圖7 U形焊縫厚度方向采樣點(diǎn)分布

圖8 U形焊縫厚度方向溫度-時(shí)間歷程變化曲線(xiàn)

3）通過(guò)圖9和圖10還可以看出，在U形焊縫寬度方向，當(dāng)焊接熱源到某個(gè)焊縫橫截面時(shí)，該截面溫度急速上升，但隨著焊接熱源連續(xù)地往后移動(dòng)，截面溫度又迅速下降。同時(shí)，焊縫中心線(xiàn)上的溫度上升速度很顯然大于溫度下降速度，這是由于熱傳導(dǎo)的緣故，距焊縫中心越遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)其溫度值越小。

4）經(jīng)分析，得出的溫度-時(shí)間歷程曲線(xiàn)變化規(guī)律，與文獻(xiàn)[9]的分析結(jié)果基本一致。

圖9 U形焊縫寬度方向采樣點(diǎn)分布

圖10 U形焊縫寬度方向溫度-時(shí)間歷程變化曲線(xiàn)

（2）焊接殘余應(yīng)力分析 在U形焊件焊接過(guò)程中，殘余應(yīng)力隨著時(shí)間而動(dòng)態(tài)變化，因此從U形焊件的焊縫長(zhǎng)度方向、焊縫寬度方向、焊縫厚度方向設(shè)定路徑1、路徑2、路徑3等3個(gè)路徑（見(jiàn)圖11），通過(guò)ANSYS后處理器得到U形焊縫殘余應(yīng)力分布以及沿各個(gè)路徑的殘余應(yīng)力曲線(xiàn)，如圖12～圖15所示。

圖11 U形焊縫殘余應(yīng)力路徑

圖12 U形焊縫殘余應(yīng)力分布

圖13 U形焊縫沿路徑1的殘余應(yīng)力變化曲線(xiàn)

圖14 U形焊縫沿路徑2的殘余應(yīng)力變化曲線(xiàn)

1）從圖12可以看出，當(dāng)焊接完成后，U形焊件焊縫區(qū)的最大殘余應(yīng)力為499MPa，母材區(qū)的最大殘余應(yīng)力為120MPa，其值都小于材料的屈服極限（見(jiàn)表1、表2）。

2）從圖13可以看出，橫向和縱向的殘余應(yīng)力均是壓應(yīng)力，其橫向最大壓應(yīng)力達(dá)到287MPa，最小壓應(yīng)力為156MPa，縱向最大壓應(yīng)力為221MPa，最小壓應(yīng)力為26.3MPa。焊縫的橫向與縱向殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)，先由最大壓應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)焊接到中間部位時(shí)穩(wěn)定一段時(shí)間，然后又逐漸增大，這主要是受U形焊件的焊縫兩端的影響。此外，從圖13可以看出，U形焊縫的Mises殘余應(yīng)力也為拉應(yīng)力，其在路徑1方向的最大殘余應(yīng)力為365MPa。

圖15 U形焊縫沿路徑3的殘余應(yīng)力變化曲線(xiàn)

3）從圖14可以看出，路徑2的橫向、縱向殘余應(yīng)力，與Mises殘余應(yīng)力的變化曲線(xiàn)基本一致，在焊縫區(qū)以及近焊縫區(qū)殘余應(yīng)力逐漸增大，但隨著焊縫寬度方向的距離增大，其節(jié)點(diǎn)上的橫向、縱向殘余應(yīng)力和Mises殘余應(yīng)力又逐漸減小。

4）從圖15可以看出，路徑3上的橫向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，其值逐步減小，然后變?yōu)閴簯?yīng)力，但隨著焊縫厚度的增大，又由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。

（3）焊接參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響 焊條電弧焊的主要焊接參數(shù)涉及到焊條直徑、焊接電流、電弧長(zhǎng)度、焊接速度等。根據(jù)U形坡口焊接試件實(shí)際情況，討論以v1=8mm/s、v2=15mm/s的焊接速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響，具體如圖16～圖23所示。

1）從圖16、圖17可以看出，當(dāng)焊接速度v1=8mm/s時(shí)，焊接試件的最大變形為19mm，最大殘余應(yīng)力為595MPa；當(dāng)焊接速度v2=15mm/s時(shí)，焊接試件的最大變形為16mm，最大殘余應(yīng)力為450MPa。由此得出，適當(dāng)?shù)靥岣吆附铀俣龋梢杂行У販p小變形和殘余應(yīng)力。

圖16 v1=8mm/s時(shí)殘余應(yīng)力分布

圖17 v2=15mm/s時(shí)殘余應(yīng)力分布

圖18 路徑1殘余應(yīng)力變化曲線(xiàn)（v1=8mm/s）

圖19 路徑1殘余應(yīng)力變化曲線(xiàn)（v2=15mm/s）

圖20 路徑2殘余應(yīng)力變化曲線(xiàn)（v1=8mm/s）

圖21 路徑2殘余應(yīng)力變化曲線(xiàn)（v2=15mm/s）

圖22 路徑3殘余應(yīng)力變化曲線(xiàn)（v1=8mm/s）

圖23 路徑3殘余應(yīng)力變化曲線(xiàn)（v2=15mm/s）

2）從圖18～圖23可以看出，在不同的焊接速度時(shí)，殘余應(yīng)力的變化曲線(xiàn)大致相同；但不同之處是：當(dāng)焊接速度增大時(shí)，殘余應(yīng)力的變化在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)尖點(diǎn)，而當(dāng)焊接速度較小時(shí)，殘余應(yīng)力變化曲線(xiàn)相對(duì)平緩。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)ANSYS的生死單元功能，對(duì)U形焊件焊縫進(jìn)行了焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)模擬，分別得到了焊縫的長(zhǎng)度、寬度、厚度三個(gè)方向的溫度-時(shí)間歷程變化曲線(xiàn)和殘余應(yīng)力變化曲線(xiàn)，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及后處理得出以下結(jié)論。

1）在U形焊件的焊縫中心線(xiàn)上，隨著熱源移動(dòng)，無(wú)溫度場(chǎng)集中現(xiàn)象。

2）在U形焊件的焊縫區(qū)長(zhǎng)度、寬度、厚度方向，溫度-時(shí)間歷程變化曲線(xiàn)基本一致，溫度上升的速度很顯然大于溫度下降的速度。

3）U形焊件焊縫區(qū)最大殘余應(yīng)力為499MPa，母材區(qū)的最大殘余應(yīng)力為120MPa，焊接殘余應(yīng)力都小于母材、焊材的屈服極限。

4）U形焊件焊縫沿路徑1、路徑2、路徑3方向，其縱向殘余應(yīng)力隨著時(shí)間的變化，最終均為壓應(yīng)力。

5）當(dāng)U形坡口焊接時(shí)，適當(dāng)?shù)靥岣吆附铀俣?，可以有效地減小變形和降低殘余應(yīng)力。

6）通過(guò)對(duì)U形焊件焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬和分析，能夠預(yù)測(cè)其焊接殘余應(yīng)力分布，為U形焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)際提供重要的工程指導(dǎo)。