石偉剛

（甘肅機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

焊接作為一種材料連接的方法，由于焊接件剛性好等優(yōu)點，所以其在制造業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。但焊接是對工件進行局部加熱，工件在受熱不均勻的情況下會或多或少地出現(xiàn)變形的現(xiàn)象，尤其是在焊接一些厚大工件時，焊后很難將焊接引起的變形矯正過來，降低了工件的精度進而影響工件的裝配。

為了把焊接變形控制在技術(shù)條件允許的范圍內(nèi)，就要研究在焊接過程中引起焊接變形的主要影響因素——焊接殘余應(yīng)力。如果采用大量的試驗來研究焊接殘余應(yīng)力對焊接變形的影響規(guī)律，無疑會導(dǎo)致大量人力、物力的浪費，因此如果能夠采用軟件模擬的方法來預(yù)判焊接接頭的變形，對生產(chǎn)實踐將有重要的參考價值。

1 鋼板焊接過程數(shù)值模擬

本文通過間接耦合的方式，采用熱彈塑性法對鋼板焊接的熱力進行數(shù)值模擬，首先對焊接傳熱過程進行數(shù)值模擬，計算出焊接加熱和焊后冷卻過程中每一瞬間工件的溫度場，然后以溫度場計算結(jié)果為前提條件輸入熱彈塑性有限元分析程序，對焊接應(yīng)力和焊接變形進行模擬計算[1]。

從理論上講，利用熱彈塑性法對焊接熱力進行模擬，不但可以計算出每一瞬間的焊接溫度場，而且還能計算出逐個時間段由溫度變化而引起的應(yīng)力應(yīng)變增加量，從而得到焊接殘余應(yīng)力與變形。但是實際焊接過程是一個相當復(fù)雜的熱-力兩種不同物理場的耦合過程，所以在焊接過程的數(shù)值模擬中一定要考慮非線性的問題[2]。

1.1 有限元建模（焊縫模型的選取）

本文研究厚板對接接頭焊縫的變形問題，為了便于研究和觀察焊接熱循環(huán)過程及變形歷程，文中選取2塊尺寸（長、寬、厚）為300 mm×150 mm×20 mm的Q345鋼材為模擬對象，并對鋼板開坡口后進行組裝，Q345材料的熱性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋼材性能參數(shù)

焊縫模型劃分網(wǎng)格時，考慮到焊縫區(qū)及熱影響區(qū)溫度高、梯度大，焊接應(yīng)力與應(yīng)變變化大，所以網(wǎng)格劃分應(yīng)該細密一些；反之遠離焊縫及熱影響區(qū)的部分則采用稀疏粗大的網(wǎng)格，如此不僅可以保證模擬結(jié)果的可靠性，同時也能減少計算量，提高模擬分析的效率。

在模擬計算模型的溫度場和應(yīng)力場過程中，網(wǎng)格具體劃分如下：近縫區(qū)的細密網(wǎng)格單元取縱向尺寸為2.0 mm，橫向尺寸為2.0 mm，厚度方向尺寸為2.0 mm；遠離焊縫的區(qū)域粗大網(wǎng)格單元取縱向尺寸為4.0 mm，橫向尺寸為4.0 mm，厚度方向為4.0 mm，模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。在分析模型溫度場時，選擇單元類型為線性8節(jié)點熱傳導(dǎo)單元DC3D8，分析模型應(yīng)力應(yīng)變場時，選擇單元類型為C3D8，在整個分析過程中，以溫度場分析所得的各節(jié)點溫度作為載荷作用在力學(xué)模型上，進行應(yīng)力應(yīng)變的計算分析[3]。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

1.2 溫度場計算熱源模型選取

為了使模擬結(jié)果更加準確合理，結(jié)合在厚板實際焊接時熔深大、焊接速度快的特點，文中選取雙橢球形體熱源模型為溫度場計算熱源[4]。

1.3 邊界條件

溫度場分析邊界條件的設(shè)置，要根據(jù)焊接工件所處的實際情況而定，需要根據(jù)焊接工件周圍的溫度情況以及焊接工件和周圍環(huán)境的換熱方式、換熱系數(shù)來確定。應(yīng)力應(yīng)變場分析邊界條件的設(shè)置，一方面要防止焊接工件剛體位移，另一方面不能影響焊接工件的自由變形[5]。

文中采用間接法進行熱力耦合計算，因此溫度場分析不必考慮焊件受力情況，僅考慮自身傳熱條件。文中采用生死單元格類型，在模擬計算過程中熱量的傳遞主要以表面熱交換進行，其次有表面輻射散熱，考慮熱輻射對熱傳遞的影響，熱導(dǎo)率按表1取值，膜層散熱系數(shù)取0.033，表面輻射因子（發(fā)射率）取0.85，環(huán)境溫度為20 ℃[6]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 溫度場仿真結(jié)果及分析

在焊接過程中，在熱源的作用下工件上各點的溫度隨時間而變化，引弧階段工件溫度變化較為劇烈，電弧穩(wěn)定燃燒時工件溫度通過急劇上升而趨于穩(wěn)定，從焊接模擬溫度場云圖上可以看到溫度的變化規(guī)律。如果忽略溫度場不穩(wěn)定的引弧和收弧階段，在穩(wěn)定焊接時焊縫溫度場中心最高溫度達到2 460 ℃，遠離溫度場中心區(qū)域溫度逐漸降低。

為了方便觀察焊接模擬過程中的溫度場分布情況及變化規(guī)律，在模擬溫度場時選取模型的一半進行模擬計算。圖2為第一層焊接時的溫度場分布情況，圖3為全部焊接完時的溫度場分布情況，為了模擬的準確性和精確性，模擬過程采用生死單元法逐層激活單元格[7]。從溫度場云圖中可以看出，在熱源中心溫度最高，遠離熱源中心部位溫度逐漸降低并呈一定規(guī)律變化，熱源前面為密集分布的橢圓形等溫線，熱源后面是分布較為稀疏的橢圓形等溫線，熱源前后橢圓形等溫線半徑大小存在差異但又在熱源左右側(cè)銜接組成一個不規(guī)則的橢圓形，在空間上焊接溫度場形狀與雙橢球形熱源模型相近，保證了以溫度場為前提計算應(yīng)力-應(yīng)變場的可靠性，有效提高了數(shù)值模擬在焊接工藝優(yōu)化過程中的可靠性與結(jié)果的準確性[8]。

圖2 第一層焊接時的溫度場云圖

圖3 全部焊接完時的溫度場云圖

焊接過程中溫度場的分布情況會影響焊接接頭中的應(yīng)力狀態(tài)及殘余變形，同時焊接熱影響區(qū)溫度場的分布情況也會影響焊接接頭的塑性變形。

2.2 應(yīng)力場仿真結(jié)果及分析

在保證熱、力分析模型網(wǎng)格劃分一致的情況下，將溫度場模擬分析時的熱分析單元轉(zhuǎn)化為力分析單元[9]，并將溫度場模擬結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)力分析模型中進行彈塑性分析，為了方便觀察焊接模擬過程中的應(yīng)力場分布情況及變化規(guī)律，在模擬溫度場時選取模型的一半進行模擬計算，得到模型焊接過程中應(yīng)力分布情況。在模型上取2條平行焊縫、2條垂直焊縫的路徑，并繪制焊接殘余應(yīng)力曲線，得到如圖4所示的殘余應(yīng)力分布曲線圖。

圖4 不同路徑焊接殘余應(yīng)力分布曲線圖

從以上焊接殘余應(yīng)力分布情況可以看出，焊縫中部分區(qū)域殘余應(yīng)力值高于母材的屈服強度，這些區(qū)域?qū)l(fā)生不可逆的塑性變形，這些變形會留存在焊件中，最終導(dǎo)致焊件發(fā)生形狀尺寸的變化即焊接殘余變形。

2.3 焊接變形分析

焊接過程中焊件溫度變化大、溫度分布不均勻，尤其是焊縫及附近高溫區(qū)溫度梯度特別大。在焊接加熱過程中，這些區(qū)域受熱產(chǎn)生膨脹，并帶動附近區(qū)域也產(chǎn)生膨脹，但是在焊后冷卻階段，原來的高溫區(qū)由于溫度快速降低、伴隨有劇烈的冷卻收縮，遠離焊縫區(qū)域由于溫度變化緩慢而沒有產(chǎn)生較大的收縮變形，最終焊件整體以焊縫為中軸發(fā)生翹曲變形[10]。變形云圖如圖5所示，其中圖5（a）為焊完第一層的變形云圖，變形量最大處為3.783 mm；圖5（b）為全部焊接結(jié)束時的變形云圖，變形量最大處為7.255 mm，可以看到焊接殘余變形伴隨整個焊接過程，并且焊接殘余變形量會累計疊加。

圖5 焊接殘余變形云圖

3 結(jié)論

1）研究模型中焊縫區(qū)及近縫區(qū)焊接殘余應(yīng)力較大，部分區(qū)域應(yīng)力值超過母材的屈服強度值，從而促使這些區(qū)域發(fā)生不可逆的塑性變形，符合實際焊接時的規(guī)律。

2）對于焊接殘余變形，利用生死單元技術(shù)可以更準確地計算出焊接變形量的大小，可以為結(jié)構(gòu)復(fù)雜焊接件的生產(chǎn)工藝提供一定的技術(shù)支撐。