不銹鋼薄板對接焊仿真分析

羅劍鋒

摘要：在薄板焊接中，高溫熱源加載和移動后快速冷卻，使得焊縫處存在焊接殘余應力。為了預測焊接殘余應力集中地方和大小，方便進行工藝設計，采用ANSYS WORKBENCH對不銹鋼薄板對接焊焊縫進行數值分析，得出溫度場和應力場分布。

關鍵詞：焊接;溫度場;應力場;殘余應力

0 ?引言

在目前的工業生產中，焊接因工藝過程簡單，制作加工方便;結構簡單，強度高，已經成為主要的結構連接方式。但是焊接過程中產生的變形和殘余應力，會對結構強度帶來影響，特別是對于薄板，在焊縫周邊由于變形和應力的影響，很容易引起焊縫裂開等故障，所以對焊接溫度場和應力場的研究，可以為設計、施工方案提供有效的依據。隨著有限元和計算機軟件開發的發展，采用有限元方法對焊接進行數值模擬已取代大量的實物焊接試件，成為研究的熱點方向。本文通過ANSYS WORKBENCH對1.5mm厚薄板進行溫度場和應力場分布有限元分析。

1 ?模型處理及材料參數確定

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

利用Workbench中DM進行建模，模型為兩塊長200mm，寬度50mm，厚度1.5mm板料在長度方向進行對接焊。由于板料厚度為1.5mm，采用MIG焊一次焊接成型，對于焊縫熔深和寬度分析忽略，將模型簡化為板料對接，無需坡口處理。采用SOLID六面體進行分析，網格大小為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。根據公式（1），計算出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。對于熱輸入較小、對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，其余面為對流邊界，對流系數為30W/m2·℃，基礎溫度為22°C，底部為豎向約束，法向為X軸的兩側面施加X向約束。如圖1所示。

3 ?溫度場分析

將熱源條件載入以后，將20S焊接過程分解為100步進行運算。求解得到溫度分布曲線，如圖2所示。

由圖2可知，焊接過程中在起弧階段0.4s時溫度達到1530°C，不銹鋼母材開始融化，焊接過程中溫度穩定在2200°C左右。在19.6s后，焊接收弧階段達到2770°C。其焊接溫度場變化如圖3，由圖可知，焊接熱影響區域集中在平行于焊縫左右20mm范圍內。

4 ?應力場分布

將溫度場加載到應力場中，得到應力場分布圖如圖4。

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

5 ?結論

通過ANSYS WORKBENCH對不銹鋼薄板對接焊進行了數值模擬，通過對溫度場進行模擬，得到了溫度場分布情況，同時將溫度場作為載荷加載到應力場中，得到焊接應力分布情況，處理后，結論如下：

①焊接過程中焊縫區間溫度較高，能達到2700°C，隨著遠離焊縫距離增大，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。②焊接過程中，應力最大達到1947MPa，主要表現為拉應力，應力由焊件邊緣向焊縫處集中。隨著焊接緩慢冷卻，焊接殘余應力主要集中在平行于焊縫左右距離20mm范圍內，其值為147MPa。

參考文獻：

[1]賀鴻臻.熱源模型對焊接數值模擬影響的研究[D].內蒙古科技大學，2015.

[2]朱學敏，王宗彥，吳淑芳，張麗瓊，潘變.薄板焊接殘余應力和變形的數值模擬[J].熱加工藝，2012（21）：159-161.

[3]梁明.機械應力消除法對焊接殘余應力的影響核心探究[J].內燃機與配件，2019（01）：97-98.