朱偉軍，盧文壯，劉 楊，楊 波

(1.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016；2.75160部隊，廣西 桂林 541005)

重型運輸車車架焊接溫度場的研究

朱偉軍1，盧文壯1，劉 楊1，楊 波2

(1.南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016；2.75160部隊，廣西 桂林 541005)

應用ANSYS對重型運輸車車架焊接溫度場進行了數值模擬。建立重型運輸車車架焊接溫度場的有限元模型，能過適當選取和處理高溫時材料的熱物理性能參數，應用ANSYS有限元軟件中的APDL語言編寫了溫度場數值模擬的相應計算機程序，采用高斯熱源法模擬重型運輸車車架焊接熱源的移動過程，采用ANSYS有限元軟件中的生死單元技術來模擬焊縫逐次填充的過程，得到了重型運輸車車架焊接溫度場瞬態(tài)變化情況及特征點的熱循環(huán)曲線，獲得了重型運輸車車架特征點焊接溫度場的變化規(guī)律。通過測溫試驗驗證仿真結果與試驗結果焊接具有良好的一致性。

重型運輸車架；高斯熱源；溫度場

0 前言

重型運輸車已經廣泛應用于國防建設、油田作業(yè)、采礦、森林運輸等特殊作業(yè)環(huán)境。重型運輸車底盤車架在焊接制造過程中仍然存在著焊接變形較大等問題，而影響焊接變形的主要因素是焊接溫度。由于影響焊接溫度的焊接工作條件和焊接過程工藝參數的制定目前在生產中很大程度上依賴于少數有經驗的焊接專家，這些都將影響到產品質量。本研究結合重型運輸車制造工程實際，以仿真軟件ANSYS為基礎，對重型運輸車車架進行溫度場的數值模擬分析，通過少量的實驗驗證數值方法處理某一問題的正確性[1]，來得到最佳的設計、工藝方法和焊接參數，從而節(jié)省人力、物力和時間，降低對專家的依賴，減少人為失誤，提高生產效率和焊接質量。

1 建模與分析

1.1 有限元模型的建立和網格的劃分

基于實際的重型運輸車車架，該焊接件屬于三塊板搭接焊，共有四道焊縫，實物如圖1所示，建立的有限元模型如圖2所示。在進行溫度場分析時，采用的單元類型為熱單元PLANE77。由于焊接溫度場瞬間變化大，要想獲得一個好的溫度場，焊縫處的單元應劃分的相對細小，而遠離焊縫的區(qū)域則相對較大一些。這樣劃分既能保證好的計算精度，又能保證良好的運算速度。

圖1 車架實物

圖2 有限元模型

1.2 材料的熱物理性能參數

焊接溫度場數值模擬過程中需要的熱物理性能參數有：導熱系數、密度、比熱容。焊接模擬屬于典型的瞬態(tài)非線性分析，焊接過程中焊接件的溫度從室溫變化到1 500℃以上，然后又冷卻到室溫，溫度變化十分劇烈，因此材料的熱物理性能參數也相應的發(fā)生變化，分析時必須確定好相應的特性參數。本研究通過在ANSYS中輸入材料的典型熱物理性能參數，建立相應的數據庫，其他未知溫度的熱物理性能參數可以通過外推法和插值法來確定。

1.3 高斯熱源模型

焊接熱源模型的選擇是實現焊接過程數值模擬的基本條件。焊接熱源具有瞬時、集中、移動的特點，易形成對空間和時間梯度都很大的不均勻的溫度場，這正是形成焊接殘余應力和變形的根本原因。因此，焊接熱源模型的選擇對溫度場正確的數值模擬至關重要，進而為應力場的結構分析打下良好的基礎。對于CO2氣體保護焊，可以不用考慮電弧吹力和熔池流體傳熱特征，并且由于高斯熱源分布函數在無限遠處的熱流密度逐漸趨向于零，正好符合焊接實際熱源的分布特征。所以，采用高斯熱源模型(見圖3)模擬焊接熱的移動過程能夠得到較為滿意的結果。高斯熱源的熱流密度函數為[2]

式中 q(r)為熱源有效加熱范圍內半徑為r處的表面熱流；Q為輸入熱量，Q＝ηUI，其中η為加熱效率，U為焊接電壓，I為焊接電流；R為有效加熱半徑，r為點到電弧加熱中心的距離。

圖3 高斯熱源模型

1.4 生死單元技術

在進行焊接過程中，焊縫的產生是焊接材料逐次填充的結果，也就是說焊接模型中焊縫處的單元最初是不存在的，隨著焊接的進行將逐漸產生。因此，要想真實地模擬焊接的這一過程，就必須使用ANSYS有限元軟件中的生死單元技術。

ANSYS中單元的生死，并不是將“死亡”的單元從模型中刪除掉，而是將“死亡”單元剛度矩陣乘以一個很小的因子，因子缺省值為1E06[3]。從而，使那些被“殺死”的單元的載荷、質量、阻尼等變?yōu)榱?；單元的“出生”也不是將新的單元添加到模型中，而是將以前“死亡”的單元重新激活，激活后，該單元的剛度、載荷、質量、阻尼等將恢復到原來的初始值。

在使用ANSYS進行焊接溫度場數值模擬的過程中，首先應將焊縫處的單元全部“殺死”，隨著焊接的進行，再將焊縫的單元依次激活，以此來模擬焊縫填充的過程。

2 車架焊接溫度場仿真結果分析

2.1 焊接工藝條件

選用的焊接工藝參數為：焊接電流220 A、焊接電壓25 V、焊接熱效率0.7、焊接速度5 mm／s、電弧的有效加熱半徑20 mm，焊接過程中的初始溫度為20℃。由于該重型運輸車車架焊接過程中分為四道焊接，這就會關系到焊接順序的問題，因此本研究采用的焊接順序是從上到下依次焊接來進行溫度場的數值模擬和實驗。

2.2 溫度場分析

焊接殘余應力的存在是產生焊接變形的根本原因，對焊接質量的提高帶來直接影響。焊接溫度場的數值模擬是焊接應力場結構分析的前提，溫度場計算結果的正確性對應力場的數值模擬產生相當大的影響[4]。

該重型運輸車車架長度達8m，給溫度場結果分析帶來諸多不便，并且在ANSYS窗口中不易整體顯示。因此，為了研究方便，將重型運輸車車架在長度方向上均分為20段，每段長400mm，應用ANSYS軟件中的Select—Everything Below—Selected Volumes命令集中對其中一段進行相應的溫度場結果分析。實際觀察和理論研究發(fā)現，整體車架和其中的每一段的溫度場都有相似的變化規(guī)律。

圖4 第一道焊縫焊接和冷卻溫度云圖

圖5 第二道焊縫焊接和冷卻溫度云圖

圖6 第三道焊縫焊接和冷卻溫度云圖

圖7 第四道焊縫焊接和冷卻溫度云圖

圖4～圖7分別是第一～第四道焊縫在焊接過程中某瞬時以及冷卻過程的溫度場分布云圖。

由圖可知，焊接過程正是熱源移動的過程，隨著熱源的移動，焊縫逐次填充，焊接件上的各點溫度隨時間發(fā)生相應的變化；在電弧的前方溫度的梯度比較大，在電弧的后方溫度梯度相對小些；從冷卻云圖可以看出，冷卻到最后都達到了室溫，在焊縫附近冷卻的相對慢些，這是由于焊縫及焊縫附近只能靠熱傳導和熱輻射進行散熱，而焊接件的其他部位可以多個方向進行散熱，因此冷卻較快。

在ANSYS有限元分析軟件的時間后處理器中，可以定義平行于焊接方向和垂直于焊接方向的各點來繪制溫度時間歷程曲線。以第一道焊縫為例，圖8顯示了焊縫中心線上距離焊接起始端距離分別為100 mm(A點)，150 mm(B點)，200 mm(C點)，250 mm(D點)，300 mm(E點)五個特征點的熱循環(huán)曲線。

圖8 平行于焊縫方向各點的熱循環(huán)曲線

由圖8可知，沿焊縫方向，在焊縫中心線上距離焊接起始端等距離的各點的溫度時間歷程具有相似的變化規(guī)律。在焊接過程中，隨著焊接電弧的移動，焊接件上某節(jié)點溫度由低溫到高溫迅速升到了最大值，然后溫度開始緩慢下降，開始冷卻。從圖8還可知，焊接件加熱的速度要明顯大于冷卻的速度，這是由于焊接件初始溫度比較低，焊接熱源具有集中性、瞬時性，使得焊接件迅速升到了最大值，當電弧遠離該位置時，之前的余熱使其溫度下降較慢。這一快速加熱升溫以及緩慢冷卻降溫正好符合焊接的實際過程。

為了分析遠離焊縫區(qū)域的焊接件的溫度變化情況，在垂直于焊接方向上取距離焊接起始端200 mm的焊縫中心點(Ⅰ點)以及距離焊縫中心線距離3 mm (Ⅱ點)、6 mm(Ⅲ點)、12 mm(Ⅳ點)、18 mm(Ⅴ點)五個特征點，通過ANSYS的時間歷程處理器得到這五個節(jié)點的熱循環(huán)曲線，如圖9所示。當焊接熱源移動到焊縫中心截面時，焊縫附近的節(jié)點瞬時達到最高溫度值，當熱源移動過后，溫度又逐漸下降到一個比較低的溫度。由圖9還可知，由于焊接熱源的局部性，隨著距離焊縫中心線距離的增大，各個節(jié)點達到的最高溫度值依次下降[5]。由此可見，在距離焊接起始端距離相等、而離焊縫中心線距離不相等的各點的熱循環(huán)曲線的變化規(guī)律不同，各節(jié)點瞬時達到最高溫度的時間基本一致，只是由于焊接熱對流、熱傳導使得遠離焊縫中心線的節(jié)點達到最高溫度的時間稍微滯后些。并且由于熱傳導的緣故，靠近焊縫中心線的溫度變化劇烈些，而遠離焊縫中心線的溫度相對平緩，這與實際的焊接情況相吻合。

圖9 垂直于焊縫方向各點的熱循環(huán)曲線

3 實驗驗證

為了進一步提高數值模擬的準確性，必須通過相應的試驗結果進行驗證。重型運輸車車架焊接溫度場數據采集試驗裝置如圖10所示。為了使熱電偶不被熔入焊縫內而遭破壞，采取了遠離焊縫處對焊接溫度場進行實時采集，在平行于焊縫方向和垂直于焊縫方向的位置處布置一系列的點，通過溫度采集器采集數據并進行保存。測量點在距離焊縫邊緣線2 mm處布置，采用K型鎳鉻-鎳硅熱電偶實時測量瞬態(tài)焊接溫度，其模擬和試驗熱循環(huán)曲線如圖11、圖12所示。a、b、c、d、e分別為距離焊縫4 mm且距離起焊端分別為100mm、150mm、200mm、250mm、300 mm的測量點。

由圖11、圖12可知，模擬結果、試驗結果的熱循環(huán)曲線溫度升高和降低的趨勢基本一致，焊接溫度都是急速升高和緩慢降低。試驗測量結果的峰值明顯小于模擬結果，模擬結果的峰值為1 100℃，實際測量結果的峰值為980℃。圖13和圖14分別是測量點1、2、3、4的模擬和試驗溫度變化曲線，1、2、3、4分別為垂直于焊縫方向距離起焊端200 mm，且距離焊縫中心線3 mm、6 mm、12 mm、18 mm的測量點。由圖可知，隨著熱源的移動，近焊縫區(qū)的點很快達到最高，而后迅速降低，最后趨于平緩；遠離焊縫區(qū)的點達到峰值稍微滯后。模擬結果與測量結果的溫度變換趨勢基本一致，實際測量結果的峰值偏低，大概為1 200℃。

圖10 測溫試驗裝置和數據采集

圖11 平行于焊縫方向各點溫度模擬曲線

圖12 平行于焊縫方向各點溫度試驗曲線

圖13 垂直于焊縫方向上各點溫度模擬曲線

圖14 垂直于焊縫方向上各點溫度試驗曲線

4 結論

針對重型運輸車車架進行了焊接溫度場的數值模擬，采用高斯熱源模型來模擬焊接實際熱源的移動過程，應用ANSYS有限元軟件中的生死單元技術模擬焊縫的逐次填充過程，成功模擬了焊接的實際情況，獲得了重型運輸車車架不同焊接時刻焊接的動態(tài)變化情況以及焊接件第一道焊縫不同節(jié)點溫度時間歷程曲線。結果顯示：平行于焊縫方向上的各點隨著熱源的移動逐次迅速升高到峰值，之后緩慢下降；垂直于焊縫方向上的各點在同一時間內隨著距離焊縫的增加先后達到各自的峰值，溫度呈現出一定的梯度。并且通過實驗進行了對比驗證，分析結果與實際結果相符。這不僅為重型運輸車車架殘余應力的研究提供了良好的數據基礎，而且能大大減少實驗工作量，減少人為誤差，為焊接過程的智能化控制提供重要參考。

[1]李 文，鄒 雋，鄭 勤，等.20鋼中厚板對焊過程溫度場的數值模擬[J].中國水運，2009(4)：111-114.

[2]高耀東，何 雪.基于ANSYS單元生死技術的焊接模擬[J].金屬鑄鍛焊技術，2010(4)：120-122.

[3]王 淋.特厚板對接多道焊溫度與應力仿真分析[D].重慶：重慶交通大學，2008.

[4]李衛(wèi)京.熔化焊焊接接頭的溫度場和應力數值模擬[D].北京：北京交通大學，2009.

[5]韓 喆，于有生，金陽明，等.基于ANSYS的對接焊溫度場的數值模擬[J].中國水運，2006(11)：106-109.

Research on welding temperature field of heavy vehicle frame

ZHU Wei-jun1，LU Wen-zhuang1，LIU Yang1，YANG Bo2
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，NUAA，Nanjing 210016，China；2.Army 75160，Guilin 541005，China)

The welding temperature field of heavy vehicle frame was simulated using FEA software—ANSYS.The welding temperature FEM of heavy vehicle frame was established.Material property parameter in high temperature was properly chosen.The computer program of the welding temperature simulation was compiled using APDL of FEA software.The method of Gauss heat source and“l(fā)ife-death element” technique were applied to deal with the moving of heat source and the filling of welding material step by step in simulation.Three dimensional transient welding temperature field and the temperature distribution curves of special points on weldment were gained.The welding temperature field variation of special points on heavy vehicle frame was gained.The temperature measurement test was done to verify the simulated results.The results show that the simulated results were generally agreed with test results.

heavy vehicle frame；Gauss heat source；welding temperature field

TG402

A

1001-2303(2011)10-0027-05

2011-07-10

朱偉軍(1985—)，男，山東濰坊人，在讀碩士，主要從事機械制造及其自動化方面的研究。