陳紅武，胡紅中，王 朋，陳 華

（武漢鐵塔廠鋼結(jié)構(gòu)研究所，湖北 武漢430011）

輸電桿塔塔腳主筋板不同焊接工藝方案的溫度場仿真及對比分析

陳紅武，胡紅中，王 朋，陳 華

（武漢鐵塔廠鋼結(jié)構(gòu)研究所，湖北 武漢430011）

建立了輸電桿塔塔腳主筋板焊接的有限元模型，分析了不同焊接工藝方法下輸電塔塔腳主筋板多層堆焊傳熱過程中溫度場分布。選取并對比分析了從主筋板中心底部到頂端的一條路徑上的不同時(shí)刻溫度梯度分布，結(jié)果顯示，采用來回對稱焊接的方式可以降低焊接過程中上述路徑上的溫度梯度，從而有利于減小變形和應(yīng)力。研究結(jié)果對隨后塔腳主筋板應(yīng)力場的分析奠定了基礎(chǔ)，對輸電鐵塔塔腳的焊接工藝優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用。

輸電桿塔塔腳；焊接；有限元分析；溫度場；對比

0 引言

焊接作為一種高效簡單的連接方式被廣泛應(yīng)用于車輛、橋梁、船舶、航空等制造業(yè)，但是由于焊接后因溫度變化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形一直是焊接行業(yè)亟待解決的難題，因此焊接溫度場分布問題一直是國內(nèi)焊接研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[1-5]。近年來有限元數(shù)值模擬分析被廣泛地應(yīng)用在焊接領(lǐng)域，在輸電鐵塔中，塔腳的焊接質(zhì)量直接關(guān)系到輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定[3-7]。在一些極端惡劣條件或者設(shè)計(jì)安裝不合理的情況下，致使焊接結(jié)構(gòu)失效，輸電鐵塔塔腳可能斷裂，引起輸電塔倒塌，造成電力中斷，引起諸多不便，故輸電鐵塔塔腳的設(shè)計(jì)、質(zhì)量和性能對電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行有著舉足輕重的影響。塔腳的設(shè)計(jì)，必須從實(shí)際出發(fā)，結(jié)合地區(qū)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出安全合理的結(jié)構(gòu)和焊接工藝。目前國內(nèi)外對焊接的研究有很多，如吳文烈[4]對平板對接焊縫變形的數(shù)值模擬，得出了不同約束方法對模擬結(jié)果的影響和焊接變形受焊接件尺寸大小的影響，張利國[5]和黎超文[6]對T型接頭焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬及強(qiáng)度分析，計(jì)算焊接溫度場的分布規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算焊后殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，還有多焊縫管板，工字鋼端板和地鐵構(gòu)架多道焊接等的模擬分析較多，但這些結(jié)構(gòu)大多都較簡單且焊道長度較短和數(shù)量也較少，至今對輸電桿塔塔腳焊縫多層焊接溫度場分析的相關(guān)研究較少。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上運(yùn)用ANSYS對輸電桿塔塔腳焊接傳熱過程進(jìn)行了有限元分析模擬，得出了溫度場分布和溫度梯度分布數(shù)據(jù)，并對不同焊接工藝進(jìn)行了對比，其分析結(jié)果可以作為實(shí)際的生產(chǎn)的指導(dǎo)和后續(xù)熱應(yīng)力分析以及焊接工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)。

1 塔腳有限元模型

1.1 塔腳有限元模型的建立

輸電鐵塔的塔腳模型較為復(fù)雜，利用SolidWorks三維軟件進(jìn)行建模，并保存為ANSYS支持的x-t格式。為了便于有限元分析計(jì)算，采取一定簡化手段，如去掉一些不影響分析結(jié)果的安裝孔和倒圓、倒角，簡化后模型如圖1所示。為了使焊接分析結(jié)果準(zhǔn)確，提高計(jì)算機(jī)計(jì)算效率，對模型進(jìn)行了切割處理，使焊縫及其附近區(qū)域六面體映射網(wǎng)格劃分較細(xì)（控制單元長度為1 mm），其它區(qū)域采取較粗自由網(wǎng)格劃分，這種方式減少了總體的網(wǎng)格數(shù)量，縮短了計(jì)算時(shí)間，最終網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 塔腳三維實(shí)體模型

圖2 塔腳有限元模型

1.2 材料及工藝參數(shù)

母材材質(zhì)為Q345C，焊絲用ER50-6，焊絲直徑φ1.2 mm，其中考慮到熔融金屬的對流作用，因此在溫度大于熔點(diǎn)之后，通過提高導(dǎo)熱率的方法來考慮對流作用帶來的傳熱加速。焊接方法采用GMAW，保護(hù)氣體100%CO2，初始溫度和環(huán)境溫度均為28℃，焊接電壓28 V，焊接電流250 A，焊接速度4 mm/s.

1.3 邊界條件及熱源模型

邊界條件主要是熱對流和熱輻射，本文采用的是熱對流和熱輻射混合邊界條件，其表達(dá)式如式（1）所示[8-10]：

式中k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，n為法向單位矢量，ε為熱輻射率，α為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（α=5.67 W/（m2·K4）），Tamb為環(huán)境溫度，hconv為對流換熱系數(shù)。

本文熔積成形實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用MIG焊機(jī)作用熱源，所以選用體熱源模型中的雙橢球熱源模型可以更好的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的熱量輸入，較為準(zhǔn)確的反映焊接中的溫度場變化[11-12]。雙橢球熱源模型表達(dá)式如式（2）和（3）所示。模擬過程中，建立基于局部坐標(biāo)系的熱源模型，并通過移動局部坐標(biāo)系的方式模擬焊槍的移動。

上式中，ff與fr分別為熱流密度的分布函數(shù)，其中ff+fr=2；η為焊接熱效率；U為輸入電壓；I為輸入電流；af、ar、b、c 為橢圓熱源模型的形狀參數(shù)[13-14]。

2 焊接方案和計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 焊接方案的介紹

輸電鐵塔塔腳主筋板有四條豎直焊縫（ABCD），采用多層堆焊，每條焊縫焊接分三層:打底層、填充層、蓋面層。示意圖如圖3所示。

圖3 焊縫分布示意圖

原始的焊接工藝方案：先全部焊完一側(cè)一道焊縫（每道三層堆焊，連續(xù)焊接不冷卻），再焊接其對側(cè)焊縫，即先焊接完A，再焊BCD（見圖3順序編號焊接），且每次焊槍移動方向相同，具體每層堆焊順序見圖4.

圖4 塔腳原始焊接順序俯視圖

優(yōu)化工藝方案1的焊接順序如圖5所示，每次焊接一道焊縫的一層，再焊接其對側(cè)焊縫的一層，即先按ABCD順序焊完打底層，再焊填充層，最后焊蓋面層，每層焊接方向不變，如圖6所示。

圖5 優(yōu)化方案成對焊縫焊接方向俯視圖

圖6 工藝優(yōu)化方案1成對縫焊接順序

工藝優(yōu)化方案2與優(yōu)化方案1焊接順序相同如圖5所示），不同的是每次堆焊的焊接方向與其相鄰層的焊接方向相反，具體方向參考圖7.

圖7 工藝優(yōu)化方案2成對縫焊接順序

2.2 溫度場分析結(jié)果對比分析

2.2.1 原始工藝

圖8為塔腳原來方案焊接過程中豎直筋板的豎直焊縫焊接中第66 s、90 s時(shí)刻的溫度場分布，可以看到焊接過程中熱源位置溫度最高，距離熱源越近的位置，等溫線越密集溫度梯度越大。隨著焊接過程的進(jìn)行，工件上的高溫區(qū)域逐步擴(kuò)大。由于工件的表面積較大，散熱較好，溫度持續(xù)的向遠(yuǎn)離熱源點(diǎn)的焊件擴(kuò)散，因此焊接過程中，沒有出現(xiàn)較為明顯的熱累積，熔池峰值溫度沒有出現(xiàn)急劇的上升。

圖8 原始工藝不同時(shí)刻溫度場分布

2.2.2 優(yōu)化方案1、2

圖9為優(yōu)化方案1的焊接歷程中不同時(shí)刻的溫度場分析結(jié)果，圖10為優(yōu)化方案2的焊接歷程中的不同時(shí)刻的溫度場分析結(jié)果，對比上述兩種方案可以清晰的看到：方案1熔池高溫均從下往上，即按照同一焊接順序，而方案2由于相鄰的焊縫的焊接層焊接方向相反，因此熔池高溫走向在不同時(shí)刻呈現(xiàn)不同的趨勢；靠近熱源位置的溫度變化大，遠(yuǎn)離熱源位置的溫度變化小。

圖9 優(yōu)化方案1不同時(shí)刻溫度分布

圖10 優(yōu)化方案2不同時(shí)刻溫度分布

2.2.3 三種焊接方案對比分析

為了詳細(xì)對比原始方案、優(yōu)化方案中主筋板正中心溫度梯度隨時(shí)間的變化，如圖11所示取從主筋板中心頂部到底板的一條路徑path1，分別提取第12 s～144 s中間不同時(shí)刻path1上的不同時(shí)刻溫度梯度的分布并進(jìn)行分析。

圖11 所取路徑示意圖

圖 12 為 48 s、84 s、120 s、144 s五個(gè)時(shí)刻上述三種工藝方案（其中-0、-1、-2分別表示原方案、優(yōu)化工藝方案1和優(yōu)化工藝方案2）path1上的溫度梯度的橫向?qū)Ρ取？梢钥吹?，除?2 s時(shí)刻三種相同外，其他時(shí)刻兩種優(yōu)化工藝方案的溫度梯度峰值均小于原焊接工藝方案，其中優(yōu)化方案2峰值最低。

圖12 三種方案第一時(shí)間系列的溫度梯度對比

3 結(jié)論

對輸電桿塔塔腳主筋板焊接的傳熱過程進(jìn)行了有限元分析，并對比分析了不同焊接工藝方案下的焊接溫度場分布以及特定路徑上的溫度以及溫度梯度分布，得到以下結(jié)論：

（1）溫度場對比顯示，優(yōu)化的溫度變化更趨于平穩(wěn)，溫度梯度降低，從而有利于降低材料的收縮和拉伸變形，減小最終的變形和應(yīng)力。優(yōu)化工藝方案2相鄰焊道是交錯焊接，因此高溫度梯度范圍分布相比均勻、對稱，有利于改變單向變形，因此更有利于平衡和協(xié)調(diào)雙向變形。

（2）path1上的溫度梯度的橫向?qū)Ρ蕊@示，兩種優(yōu)化工藝方案的溫度梯度峰值均小于原焊接工藝方案，其中優(yōu)化方案2峰值都最低。由上述溫度場和溫度梯度對比分析后推理可知，增加焊接層與層之間合理的等待冷卻時(shí)間，有利于熱量的均勻擴(kuò)散和減小工件的溫度梯度，從而有利于減小工件的殘余應(yīng)力和變形。

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Temperture Field Simulation and Comparative Analysis for Different Welding Process of Main Ribs of Tower Foot of Power Tower

CHEN Hong-wu，HU Hong-zhong，WANG Peng，CHEN Hua
（Wuhan Steel Tower Institute,Wuhan Hubei 430011，China）

This paper establishes finite element model of main ribs of tower foot of power tower，and analyzes the distribution of temperature field distribution for different welding process of main ribs of tower foot of power tower.A path at center of main ribs starting from the bottom to the top is chosen to analyze the temperature gradient distribution.The comparative analysis results show that symmetric and staggered welding can reduce the temperature gradient in the process of welding on the above path，which is able to reduce deformation and stress.The simulated results lay the foundation for later analysis of the stress field，and provide guidance for the optimization of transmission tower welding process.

the tower foot of power tower；welding；finite element analysis；temperature field；comparation

TH164

A

1672-545X（2017）10-0072-05

2017-07-19

陳紅武（1966-），男，江蘇無錫人，本科，工程師，研究方向：焊接工藝。