于 燕， 王 立， 賈坤寧

（1.長春工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長春 130012; 2.長春工程學(xué)院機(jī)電學(xué)院，吉林長春 130012）

0 引 言

橋梁在國家基礎(chǔ)建設(shè)中具有重要地位，它對(duì)質(zhì)量和建造技術(shù)有很高的要求。我國橋梁鋼從最初的16Mnq，15MnVNq到14MnNbq[1]。但是在使用過程中，這些材料缺點(diǎn)也逐漸暴露，因此，未能得到廣泛的推廣應(yīng)用。Q460q[2]由于具有較高的屈服強(qiáng)度及良好的焊接性能，在橋梁鋼中占據(jù)一席之地。

近期，焊接領(lǐng)域的數(shù)值模擬技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。焊接數(shù)值模擬的意義在于:根據(jù)對(duì)焊接現(xiàn)象和過程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，從而減少試驗(yàn)工作量，提高焊接接頭的質(zhì)量。

文中運(yùn)用ANSYS有限元模擬軟件，對(duì)高強(qiáng)度橋梁鋼Q460q的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，為實(shí)際生產(chǎn)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1 有限元模型

采用ANSYS軟件建模，試件尺寸為200 mm ×1 500 mm×30 mm，材質(zhì)為Q460q鋼板，有限元模型如圖1所示。

圖1 三維立體圖

焊接溫度場(chǎng)的計(jì)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，根據(jù)文獻(xiàn)[3-4]可得Q460q鋼在20～2 000℃范圍內(nèi)的熱物理性能參數(shù)（包括溫度、密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、彈性模量、線膨脹系數(shù)以及泊松比等）。為了計(jì)算的收斂，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整高溫時(shí)的參數(shù)，在計(jì)算過程中對(duì)高溫時(shí)的材料性能參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，其差一般不大[5]。

劃分網(wǎng)格時(shí)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，可以采用相對(duì)稀疏的單元網(wǎng)格;熱影響區(qū)自由劃分網(wǎng)格[6]。這樣既可保證對(duì)焊縫區(qū)域的分析精度，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域的不同分析。具體網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分立體圖

計(jì)算熱應(yīng)力時(shí)所施加的載荷就是溫度場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果，所以只需讀入各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值即可[7]，這里將其時(shí)間步長與應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算時(shí)的設(shè)置一樣，以便于應(yīng)力載荷的讀入和提高計(jì)算精度。焊接過程熔池區(qū)金屬處于熔化狀態(tài)，即進(jìn)入零力學(xué)性能狀態(tài)，其所有應(yīng)力應(yīng)變將消失。對(duì)此，采用生死單元[8]的方法，在每一步熱應(yīng)力計(jì)算時(shí)，將對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行選擇，超過熔點(diǎn)的單元令其“死掉”，而低于熔點(diǎn)的單元將其“激活”。

2 焊接應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

根據(jù)鋼板材質(zhì)和板厚，通過文獻(xiàn)[9]可知，林肯雙絲埋弧焊機(jī)最合適的焊接參數(shù)范圍是:電壓在29～32 V之間，電流在500～600 A之間，焊接速度為5.2 mm/s，電弧有效加熱半徑為 4～6 mm。三層焊接的具體工藝參數(shù)見表1。

表1 三層焊接的工藝參數(shù)

對(duì)焊接工藝分3組進(jìn)行模擬對(duì)照。焊接時(shí)間分別為10，20，30，42 s時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)云圖，如圖3所示。

圖3 第一組模擬時(shí)應(yīng)力場(chǎng)云圖

由圖3中4個(gè)不同時(shí)間下的應(yīng)力云圖可以看出，第一種焊接參數(shù)下模擬時(shí)，焊接時(shí)刻為10，20，30，42 s時(shí)的應(yīng)力分布為1.36～1 790 MPa，1.93～2 690 MPa，9.06～3 190 MPa，1.41～2 020 MPa。

第二組模擬時(shí)，10，20，30，42 s時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)云圖如圖4所示。

圖4 第二組模擬時(shí)應(yīng)力場(chǎng)云圖

由圖4中4個(gè)不同時(shí)間下的應(yīng)力云圖可以看出，第二種焊接參數(shù)下模擬時(shí)，焊接時(shí)刻為10，20，30，42 s時(shí)的應(yīng)力分布分別為 0.77～2 760 MPa，1.8～3 010 MPa，1.52 MPa～2 660 MPa，1.3～2 670 MPa。

第三組模擬時(shí)，10，20，30，42 s時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)云圖如圖5所示。

圖5 第三組模擬時(shí)應(yīng)力場(chǎng)云圖

由圖5中4個(gè)不同時(shí)間下的應(yīng)力云圖可以看出，第三種焊接參數(shù)下模擬時(shí)，焊接時(shí)刻為10，20，30，42 s時(shí)的應(yīng)力分布分別為 1.35～3 430 MPa，1.91～2760 MPa，1.04～3 150 MPa，1.46～3 240 MPa。

3組焊接工藝的應(yīng)力最大值對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 3組試驗(yàn)不同時(shí)間最大應(yīng)力值比較

在圖6的應(yīng)力場(chǎng)分布對(duì)比圖中可以看出，在3個(gè)不同的焊接熱功率下，焊縫不同時(shí)間的應(yīng)力變化均呈現(xiàn)波動(dòng)幅度大小不同的趨勢(shì)。

3組試驗(yàn)顯示的應(yīng)力場(chǎng)云圖最大應(yīng)力值中，第二組應(yīng)力值較小，而且波動(dòng)比較小，第一組試驗(yàn)的應(yīng)力波動(dòng)較大，第三組試驗(yàn)最大應(yīng)力值不僅波動(dòng)大，而且應(yīng)力值也最大。從圖3～圖5應(yīng)力場(chǎng)云圖中可以看出，某一點(diǎn)的焊接應(yīng)力先增大后又逐漸減小，這都是由于熱源移動(dòng)到該位置時(shí)，發(fā)生熱傳導(dǎo)作用使得溫度升高產(chǎn)生熱應(yīng)力。隨著熱源繼續(xù)向前移動(dòng)，這兩處與室溫空氣發(fā)生對(duì)流作用，冷卻后溫度降低，熱應(yīng)力減小。

通過對(duì)比選擇第二組工藝，此工藝焊接應(yīng)力最大值最小，并且應(yīng)力值波動(dòng)也最小，是合適的焊接工藝。由模擬得出Q460q埋弧焊三道焊接的具體焊接工藝參數(shù)是:焊接速度為5.2 mm/s，三層焊接的最佳焊接熱功率分別為15 000，16 500，18 000 W。

3 結(jié) 語

通過對(duì)不同焊接速度的焊接應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬，可以優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，減少實(shí)驗(yàn)數(shù)量。根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果，在橋梁用高強(qiáng)度鋼Q460q的焊接過程中，三層焊接的最佳焊接工藝參數(shù)是:焊接速度為5.2 mm/s，焊接熱功率分別為15 000，16 500，18 000 W。

[1] 陳伯蠡.中國焊接的發(fā)展[A].2006鋼結(jié)構(gòu)焊接國際論壇[C].北京:[s.n.]，2006:5-12.

[2] 郭愛民.武鋼新一代橋梁鋼的研制及應(yīng)用[J].鋼結(jié)構(gòu)，2000，15（3）:53-56.

[3] 安繼儒，田龍剛.金屬材料手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4] 譚 真，郭廣文.工程合金熱物性[M].北京:冶金工業(yè)出版社，1994.

[5] 崔德立，陳衛(wèi)華.基于ANSYS的滾齒直齒圓錐齒輪彎曲應(yīng)力有限元分析[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，27（1）:11-12.

[6] Goldak A，Chakravarti A，Bibby M.A double ellipsoid finite element model welding heat sources [J].IIW Doc.，1985，12:285-301.

[7] 薛忠明.焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)模擬的研究進(jìn)展[J].中國機(jī)械工程，2002，13（11）:1-25.

[8] Goldak A，Chakravarti A，Bibby M.A finite element model for welding heat sources[J].Met. T rans.，1984，13（15B）:299-305.

[9] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.