羅劍鋒

摘要：在薄板焊接中，高溫?zé)嵩醇虞d和移動(dòng)后快速冷卻，使得焊縫處存在焊接殘余應(yīng)力。為了預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力集中地方和大小，方便進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，采用ANSYS WORKBENCH對(duì)不銹鋼薄板對(duì)接焊焊縫進(jìn)行數(shù)值分析，得出溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布。

關(guān)鍵詞：焊接;溫度場(chǎng);應(yīng)力場(chǎng);殘余應(yīng)力

0 ?引言

在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，焊接因工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，制作加工方便;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，已經(jīng)成為主要的結(jié)構(gòu)連接方式。但是焊接過(guò)程中產(chǎn)生的變形和殘余應(yīng)力，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來(lái)影響，特別是對(duì)于薄板，在焊縫周邊由于變形和應(yīng)力的影響，很容易引起焊縫裂開等故障，所以對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的研究，可以為設(shè)計(jì)、施工方案提供有效的依據(jù)。隨著有限元和計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的發(fā)展，采用有限元方法對(duì)焊接進(jìn)行數(shù)值模擬已取代大量的實(shí)物焊接試件，成為研究的熱點(diǎn)方向。本文通過(guò)ANSYS WORKBENCH對(duì)1.5mm厚薄板進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布有限元分析。

1 ?模型處理及材料參數(shù)確定

材料為304不銹鋼，物理參數(shù)直接引用Engineering Data Sources參數(shù)中自帶的Stainless Steel材料參數(shù)。

利用Workbench中DM進(jìn)行建模，模型為兩塊長(zhǎng)200mm，寬度50mm，厚度1.5mm板料在長(zhǎng)度方向進(jìn)行對(duì)接焊。由于板料厚度為1.5mm，采用MIG焊一次焊接成型，對(duì)于焊縫熔深和寬度分析忽略，將模型簡(jiǎn)化為板料對(duì)接，無(wú)需坡口處理。采用SOLID六面體進(jìn)行分析，網(wǎng)格大小為0.75mm。

2 ?約束條件

2.1 熱源加載

由于采用的為MIG焊，直流反接，焊接電流為80A，電壓為20V，焊接速度10mm/s。根據(jù)公式（1），計(jì)算出Q=1280J/cm。

Q=η·U·I（1）

其中Q為線能量，J/cm;η為熱效率，MIG焊熱效率較高，取0.8;U為焊接電壓;I為焊接電流。對(duì)于熱輸入較小、對(duì)熔池電弧吹力較小的情況下，采用高斯熱源即可得到較滿意的結(jié)果，采用的鎢極直徑為0.8mm直徑，熱影響半徑R=0.15mm。高斯熱源公式（2）

用ANSYS APDL中Function功能將熱源計(jì)算加載到模型上。

2.2 約束及邊界條件

頂面為A1面，其為熱源輸入邊界，其余面為對(duì)流邊界，對(duì)流系數(shù)為30W/m2·℃，基礎(chǔ)溫度為22°C，底部為豎向約束，法向?yàn)閄軸的兩側(cè)面施加X向約束。如圖1所示。

3 ?溫度場(chǎng)分析

將熱源條件載入以后，將20S焊接過(guò)程分解為100步進(jìn)行運(yùn)算。求解得到溫度分布曲線，如圖2所示。

由圖2可知，焊接過(guò)程中在起弧階段0.4s時(shí)溫度達(dá)到1530°C，不銹鋼母材開始融化，焊接過(guò)程中溫度穩(wěn)定在2200°C左右。在19.6s后，焊接收弧階段達(dá)到2770°C。其焊接溫度場(chǎng)變化如圖3，由圖可知，焊接熱影響區(qū)域集中在平行于焊縫左右20mm范圍內(nèi)。

4 ?應(yīng)力場(chǎng)分布

將溫度場(chǎng)加載到應(yīng)力場(chǎng)中，得到應(yīng)力場(chǎng)分布圖如圖4。

由圖可知，在t=1s，焊接部分應(yīng)力為1947MPa，隨著時(shí)間的推移，其余焊縫部分緩慢冷卻，在焊接完成，t=20s時(shí)，隨著焊縫的不斷冷卻，在起焊點(diǎn)，殘余應(yīng)力下降到147MPa。焊接殘余應(yīng)力沿著焊縫方向分布在平行于焊縫左右20mm范圍內(nèi)。

5 ?結(jié)論

通過(guò)ANSYS WORKBENCH對(duì)不銹鋼薄板對(duì)接焊進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到了溫度場(chǎng)分布情況，同時(shí)將溫度場(chǎng)作為載荷加載到應(yīng)力場(chǎng)中，得到焊接應(yīng)力分布情況，處理后，結(jié)論如下：

①焊接過(guò)程中焊縫區(qū)間溫度較高，能達(dá)到2700°C，隨著遠(yuǎn)離焊縫距離增大，焊接熱影響逐漸減小。主要集中在平行于焊縫左右距離20mm范圍內(nèi)。②焊接過(guò)程中，應(yīng)力最大達(dá)到1947MPa，主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，應(yīng)力由焊件邊緣向焊縫處集中。隨著焊接緩慢冷卻，焊接殘余應(yīng)力主要集中在平行于焊縫左右距離20mm范圍內(nèi)，其值為147MPa。

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