基于ANSYS模擬不同參數(shù)對Q235鋼板焊接殘余應(yīng)力的影響

張宛玉 韓鴻彬 劉 恒 牛哲薈 韓東偉

焊接是一個涉及多學科的復(fù)雜的物理、化學過程。傳統(tǒng)的試驗方法以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，但成本、時間、作業(yè)方法的干擾較大[1-2]。通過計算機技術(shù)對焊接過程進行數(shù)值模擬，可以定性、定量地分析各種復(fù)雜的焊接問題[3-4]。基于ANSYS軟件能夠運用熱力分析功能計算焊接過程的溫度場[5]，且Q235鋼材為焊接常用結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的焊接性能，本文利用ANSYS軟件模擬Q235焊接的電流和電壓以及焊接速度對焊接材料殘余應(yīng)力的影響，為焊接工藝質(zhì)量過程控制提供理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 有限元模型

焊接幾何模型選兩平板的對接焊。為了簡化計算，根據(jù)模型的對稱性采用一半的樣板進行模擬。計算中只考慮溫度場對應(yīng)力場的影響，不考慮應(yīng)力場對溫度場的作用。采用間接法計算焊接應(yīng)力，先進行瞬態(tài)熱分析，后將瞬態(tài)熱分析得到的溫度場作為體載荷加載到結(jié)構(gòu)中，進行應(yīng)力場求解。采用過渡網(wǎng)格劃分形式，在焊縫附近及邊緣采用solid70單元映射網(wǎng)格劃分，單元尺寸分別為1mm和4mm，在焊縫及附近采用較細的網(wǎng)格劃分，遠離焊縫處采用較粗大的網(wǎng)格。中間兩個過渡區(qū)域采用solid90自由網(wǎng)格劃分。這兩種單元體每個節(jié)點處只有一個溫度自由度，有3個自由度，即x，y，z3個方向上的位移度。整個模型包括29759個單元體，43648個節(jié)點。

1.2 熱物理性能

焊接材料的熱物理性能為非線性的、瞬態(tài)的，材料屈服服從Mises屈服準則和雙線性等向強化模型，雙線性等向強化模型采用一個雙折線來表示應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Q235的力學性能和熱物理性能參數(shù)[5]如表1所示。

表1 Q235材料的熱物理性能參數(shù)

1.3 熱源模型

高斯熱源模型是一種分布熱源模型，又稱正態(tài)分布熱源模型。焊接時，電弧熱源通過一定的作用面積將熱能傳遞給焊件，這個面積成為加熱斑點。加熱斑點上熱量分布是不均勻的，中心多而邊緣少，加熱斑點上的熱流密度分布可以近似地用高斯函數(shù)來描述。高斯熱源模型如圖1所示。

圖1 高斯熱源模型

高斯熱源模型的表達式為：

式中，U為電弧電壓，I為焊接電流，為焊接電弧功率有效利用系數(shù)，R為電弧加熱有效半徑，r為某點距離焊縫中心的徑向距離。

2 焊接溫度場模擬

采用間接法計算焊接應(yīng)力時，準確的溫度場計算結(jié)果是必不可少的。表2為計算焊接溫度場所用的計算參數(shù)。

表2 焊接溫度場計算參數(shù)

如圖2所示，（1）、（2）、（3）分別為編號1、2、3的焊接參數(shù)，當焊接熱源到達焊縫中間時的焊接溫度場云圖。如圖所示，對比（1）（2）可知，其它焊接條件一定，焊接電流較大時，焊接溫度場的有效作用面積較大。如圖所示，對比（2）（3）可知，其它焊接條件一定，焊接速度較大時，焊接溫度場的有效作用面積較小，并且焊接速度較大時焊縫處的最高溫度較低。

圖2 溫度場云圖

3 焊接殘余應(yīng)力模擬

焊接縱向殘余應(yīng)力對樣板各項性能參數(shù)的影響較大，提取圖3所示直線L與焊縫垂直平分線上的縱向殘余應(yīng)力進行研究。

圖3 與焊縫的垂直平分線

3.1 電壓電流對焊接板材殘余應(yīng)力的影響

研究焊接電壓和電流對焊接樣板殘余應(yīng)力的影響，計算時焊接選取參數(shù)如表3所示。

表3 電壓電流參數(shù)

圖4所示為不同焊接電壓和電流條件下，其他焊接條件不變時，直線L上樣板焊后縱向殘余應(yīng)力曲線。

圖4 不同焊接電壓和電流條件下直線L上的焊后縱向殘余應(yīng)力

對計算結(jié)果進行分析可知，焊接電壓和電流較大時，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力較大，近焊縫處的縱向殘余拉應(yīng)力也相應(yīng)較大。這是因為焊接速度一定，焊接電壓和電流較大時，焊接熱輸入也較大，焊接線能量也較大，焊接熔池相應(yīng)增大，熔深相應(yīng)加深。樣板冷卻后，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力增大，近焊縫處的殘余拉應(yīng)力也增大。

3.2 焊接速度對焊接板材殘余應(yīng)力的影響

研究焊接速度對焊接板材殘余應(yīng)力的影響，計算時焊接參數(shù)如表4所示。

表4 焊接速度參數(shù)選取

圖5所示為不同焊接速度條件下，其他焊接條件不變時，直線L上樣板焊后縱向殘余應(yīng)力曲線。

圖5 不同焊接速度條件下直線L上的焊后縱向殘余應(yīng)力

對計算結(jié)果進行分析可知，焊接速度越小，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力越大，近焊縫處的殘余拉應(yīng)力也越大。這是因為焊接速度較小時，焊接熱源作用在焊縫處的時間較長，使得焊接熱影響區(qū)相應(yīng)擴大，焊接線能量相應(yīng)增加，焊接熔池相應(yīng)增大，熔深也相應(yīng)加深。樣板冷卻后，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力增大，近焊縫處的殘余拉應(yīng)力也增大。

4 結(jié)論

4.1運用大型有限元模擬軟件ANSYS模擬了Q235焊接過程，成功再現(xiàn)了焊接不同時刻的溫度場分布，并通過溫度場計算應(yīng)力場，通過分析計算得到了樣板的焊后殘余應(yīng)力。

4.2分析不同的電壓和電流對焊接殘余應(yīng)力的影響，以及不同的焊接速度對焊接殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，焊接電流較大時，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力較大，近焊縫處的縱向殘余拉應(yīng)力也相應(yīng)較大。焊接速度越小，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力越大，近焊縫處的殘余拉應(yīng)力越大。

［1］宮大猛.數(shù)值模擬在焊接中的應(yīng)用分析［J］.電焊機，2012，42（7）：51-54.

［2］李曉峰.藥芯埋弧焊絲W110熔敷金屬的焊接熱模擬研究［J］.熱加工工藝，2010，39（7）：18-21.

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［5］孫盼.Q235鋼焊接溫度場的數(shù)值模擬［J］.中國水運（下半月），2010，10（7）：52-54.