陳華， 王朋， 鞏耀武

（武漢鐵塔廠鋼結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430011）

0 引言

電網(wǎng)建設(shè)服務(wù)各個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)和建設(shè)，是推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，作為電網(wǎng)建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)備的輸電桿塔塔腳，其加工的質(zhì)量和性能對(duì)電網(wǎng)建設(shè)有著舉足輕重的影響。一般來說，塔腳是采用筋板拼焊的方式制造，塔腳焊接過程中的熱傳導(dǎo)和溫度場(chǎng)分布直接影響工件的殘余變形和殘余應(yīng)力，而工藝改進(jìn)和優(yōu)化是控制殘余變形和殘余應(yīng)力的有效途徑，因此焊接過程中傳熱及溫度場(chǎng)分布研究對(duì)焊接工藝的改進(jìn)和優(yōu)化具有重要的理論和實(shí)際意義。數(shù)值模擬是焊接過程傳熱和溫度場(chǎng)分析的重要工具，近年來運(yùn)用有限元數(shù)值分析方法進(jìn)行焊接過程仿真分析的研究越來越多，而焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算仿真是焊接殘余應(yīng)力與變形的計(jì)算以及焊接質(zhì)量控制的前提。在焊接過程中，材料的熱物性參數(shù)是溫度的函數(shù)，同時(shí)持續(xù)移動(dòng)熱源使焊件的溫度隨時(shí)間急劇變化而形成溫度梯度很大的非均勻溫度場(chǎng)，因此在焊接過程的傳熱以及溫度場(chǎng)模擬是一種非線性的瞬態(tài)傳熱問題，建立精準(zhǔn)的物理模型包括熱源函數(shù)、邊界條件等是解決問題的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)平板焊縫對(duì)接和管道焊縫對(duì)接的模擬分析較多，但至今對(duì)輸電桿塔塔腳焊縫多層焊接溫度場(chǎng)分析的相關(guān)研究較少。本文運(yùn)用ANSYS對(duì)輸電桿塔塔腳焊接過程傳熱和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果可以作為實(shí)際生產(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 塔腳有限元建模

1.1 塔腳有限元模型的建立

塔腳的幾何模型在ANSYS中建模較為復(fù)雜，本文采用SolidWorks建立塔腳三維模型后，通過IGES中間文件的方式導(dǎo)入ANSYS中，塔腳三維實(shí)體如圖1所示。對(duì)塔腳網(wǎng)格劃分控制如下：焊縫豎直方向的單元長(zhǎng)度控制為1 mm，截面使用單元段數(shù)控制，采用六面體映射網(wǎng)格劃分，其余網(wǎng)格采用六面體自由網(wǎng)格劃分，采用SOLID70熱分析單元作為劃分網(wǎng)格的單元，最終的有限元模型如圖2所示。

圖1 塔腳三維實(shí)體模型

本文采用ANSYS生死單元技術(shù)模擬焊接過中材料的添加。ANSYS有限元分析技術(shù)用作模擬焊接過程時(shí)有種“生死單元”技術(shù)，即能夠模擬材料添加增長(zhǎng)的過程，而“生死單元技術(shù)”并不是簡(jiǎn)單地移除單元后再添加，而是用一個(gè)很小的因子（數(shù)值1.0E-50，ANSYS里 命令ESTIF）乘以單元的剛度矩陣，使得單元的物性參數(shù)無限接近于0，使焊接過程中的載荷在“死”單元上“無效”。模擬過程中再按照既定的路徑逐步激活已“殺死”的單元，從而達(dá)到模擬焊接過程的熱加載效果。

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，其導(dǎo)熱率和比熱容見圖3所示，其中考慮到熔融金屬的對(duì)流作用，即在溫度大于熔點(diǎn)之后，通過提高導(dǎo)熱率的方法來考慮熔池對(duì)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。

圖3 材料的導(dǎo)熱率和比熱

1.3 數(shù)值模型

傳熱分析中的熱傳導(dǎo)控制微分方程如式（1）所示，本文所要求解的踏腳焊接過程的溫度場(chǎng)分析，即是要通過ANSYS的有限元方法求解此瞬態(tài)微分方程。

式中：ρ為密度；c為比熱；T為溫度；k為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；q為熱源。

邊界條件主要是熱對(duì)流和熱輻射，本文采用的是熱對(duì)流和熱輻射混合邊界條件，其表達(dá)式為

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；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)（σ=5.67 W/（m2·K4））；Tamb為環(huán)境溫度；hconv為對(duì)流換熱系數(shù)。

焊接熱源特點(diǎn)是局部熱量集中、升溫快，使得焊接過程中焊點(diǎn)及近焊點(diǎn)處溫度隨時(shí)間變化劇烈，焊接完成后焊件中存在較大的殘余應(yīng)力和變形。因此，在利用有限元分析軟件進(jìn)行仿真時(shí)建立準(zhǔn)確的熱源模型，很大程度上決定了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。然而過于復(fù)雜的熱源模型同時(shí)會(huì)加大有限元分析的計(jì)算量，效率降低，選取合適的熱源模型顯得非常重要。在廣泛的熱源模型研究中，主要存在以下幾種焊接熱源模型：即集中式熱源模型、平面熱源模型、體熱源模型、組合熱源模型。合適地選取熱源模型首先能夠較好地反映焊接過程中的溫度場(chǎng)分布，其次便是要保證計(jì)算精度和合理控制計(jì)算速度。這就要求了熱源模型的選用既不能太復(fù)雜以致計(jì)算效率低下，也不能選過于簡(jiǎn)化的模型而影響數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，需要綜合考慮實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的焊接方式、焊接工藝參數(shù)等因素。本文熔積成形實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用GMAW焊機(jī)作用焊接熱源，所以選用體熱源模型中的雙橢球熱源模型可以更好的反映實(shí)驗(yàn)中的熱量輸入，較為準(zhǔn)確地反映焊接中的溫度場(chǎng)變化。雙橢球熱源模型表達(dá)式為：

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)。

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(dòng)局部坐標(biāo)系的方式模擬焊槍的移動(dòng)。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 焊接溫度場(chǎng)的分布

塔腳主筋板有4條焊縫，每條焊縫焊接分3層:打底層、填充層、蓋面層，焊接順序如圖4所示。圖5為焊接過程中塔腳第30 s、58 s、89 s和135 s的溫度場(chǎng)分布圖，此4個(gè)時(shí)刻分別分布在上述4條焊道的焊接過程中。由圖可知，焊接過程中熱源位置溫度最高，距離熱源越近等溫線越密集，溫度梯度越大，圖5（a）是第1條焊縫的蓋面層焊接過程的溫度場(chǎng)分布，由于熱量的累積效應(yīng)，峰值溫度較高，圖5（b）和圖5（c）分別為第2條和第3條焊縫的填充層焊接過程，因此峰值溫度相對(duì)較低，而圖5（d）為第4條焊縫的蓋面層焊接過程，因此峰值溫度最高。總體來看，由于塔腳表面積較大，散熱較快，因此其底板整體溫度較低，隨著時(shí)間的推移溫度場(chǎng)分布有所變化，底板的高溫范圍逐步擴(kuò)大，但是溫度場(chǎng)分布形狀變化較小，但范圍在不斷擴(kuò)大，溫度持續(xù)地向遠(yuǎn)離熱源點(diǎn)的焊件擴(kuò)散。

為了更加清晰地分析焊接過程中溫度的變化，取圖6所示的主筋板中心從底板上表面到頂部的一條路徑path 1，分別提取第30 s、58 s、89 s和135 s時(shí)刻path 1上的溫度分布以及溫度梯度合值的分布并進(jìn)行分析。

圖7為path 1上不同時(shí)刻的溫度分布，總體來看，由于熱累積效應(yīng)，無論是起點(diǎn)還是終點(diǎn)，后面時(shí)刻的溫度要高于前面。后面3個(gè)時(shí)刻的峰值溫度溫度高于30 s時(shí)刻，58 s和89 s由于是焊接中間的填充層，而135 s時(shí)刻是蓋面層的焊接，因此58 s和89 s溫度峰值要高于30 s和135 s時(shí)刻。圖8為path 1上的不同時(shí)刻的溫度梯度合值的分布，4條曲線的峰值位置代表熱源的位置，溫度梯度分峰值是先增大，后減小，這是由于開始整個(gè)工件溫度都較低，且熔池?zé)崃縼聿患皵U(kuò)算，造成局部熱量累積驗(yàn)證，因此溫度梯度增大，而隨著焊接的持續(xù)進(jìn)行，熱量在整個(gè)工件上擴(kuò)散，雖然熔池溫度峰值提高，但是溫度分布相對(duì)更加均勻，因此溫度梯度及峰值反而減小。因此，從此角度來說，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。

2.2 不同焊接部位節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律

選取4條焊縫不同位置的4個(gè)節(jié)點(diǎn)：分別為節(jié)點(diǎn)889、節(jié)點(diǎn)2638、節(jié)點(diǎn)6416、節(jié)點(diǎn)7376作為研究溫度分析的參考點(diǎn)，參考點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。由曲線圖可知，以n2638曲線為例，此節(jié)點(diǎn)是第1條焊縫的打底層上的點(diǎn)，前一段與時(shí)間軸平行的線段表示在此之間還未焊接到本節(jié)點(diǎn)，溫度顯示一直是初始值，隨后熱源到達(dá)此節(jié)點(diǎn)，溫度急劇上升并迅速到達(dá)金屬的熔點(diǎn)，隨著熱源的移動(dòng)，溫度逐漸降低，而后在焊接本條焊縫填充層或者是蓋面層時(shí)，在接近此節(jié)點(diǎn)時(shí)溫度又急劇上升至熔點(diǎn)，這是由于上面層焊接時(shí)，打底層局部被重熔。隨著熱源持續(xù)移動(dòng)，溫度慢慢降低，后面溫度上升下降交替變化代表著后面焊接第2、3、4焊縫接近此節(jié)點(diǎn)，然后逐漸遠(yuǎn)離的過程。

圖4 焊接順序

圖5 不同時(shí)刻塔腳溫度場(chǎng)分布圖

圖6 所取路徑示意圖

圖7 path 1上的不同時(shí)刻的溫度分布

圖8 path 1上的不同時(shí)刻的溫度梯度分布

圖9 節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖

同理，另外3條曲線也展示出類似的規(guī)律。

3 結(jié)論

采用有限元方法對(duì)輸電塔塔腳主筋板多層堆焊?jìng)鳠徇^程和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬分析，得到了焊接過程的溫度場(chǎng)分布，得到了以下結(jié)論：

1）每一條焊縫焊接過程，工件溫度場(chǎng)分布有類似的特征，但峰值溫度逐步增大；通過筋板中心溫度梯度變化分析可推測(cè)，適當(dāng)層間冷卻等待有利于熱量的均勻擴(kuò)散，減小工件的溫度梯度、殘余應(yīng)力和變形。

2）輸電塔塔腳焊接過程中，不同位置點(diǎn)的溫度場(chǎng)的時(shí)間歷程具有準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的特征，在整個(gè)焊接過程中不同節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線的形狀大致相同，遵循相同的熱變化規(guī)律。

3）有限元模型能對(duì)塔腳焊接過程進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬計(jì)算，可以節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，是后續(xù)殘余應(yīng)力和變形分析的基礎(chǔ)，并對(duì)優(yōu)化焊接工藝具有一定的指導(dǎo)意義。

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