雙鋼板拼焊過程溫度場有限元模擬

張春俠 胡 瑞 佘昌蓮 譚魯懷

(1.北京正邦興業建筑技術開發有限公司，北京 100083； 2.立信國際工程咨詢(青島)有限公司，山東 青島 266000； 3.中科信工程咨詢(北京)有限責任公司，北京 100032； 4.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

近年來國家大力發展裝配式建筑，鋼結構由于自重輕、施工方便、標準化程度高等優點而廣泛應用于裝配式建筑領域，取得了良好的效果。焊接連接是鋼結構中最常用的連接方式之一，而焊接過程中焊縫質量對結構安全性能有著重要的影響[1]。焊接過程產生的焊接殘余應力和變形可能引起冷熱裂紋、脆性斷裂等工藝缺陷，影響結構的加工精度，在一定條件下還將降低結構的承載能力，因此相關研究者針對焊接殘余應力的形成規律及控制方法開展了一系列的研究。

本文采用有限元軟件ABAQUS，考慮材料熱物理性能變化，選用合理熱源模型，以低合金雙鋼板拼焊為例對其溫度場進行三維動態模擬，分析雙鋼板拼焊過程溫度動態分布規律，為進一步進行焊接溫度場與應力應變場耦合分析奠定基礎。

1 有限元建模

1.1 幾何模型

焊件初始溫度為20 ℃，平面尺寸為300 mm×150 mm，厚度為8 mm，模擬兩塊鋼板采對接焊過程。

1.2 焊接熱源與材料屬性

由于激光焊接電弧沖擊力效應較大[2]，本文選用移動雙橢球體熱源模型。焊件材料為Q235B鋼板，考慮溫度影響得到不同溫度下鋼材性能參數[3]如表1所示。

表1 鋼材性能參數

1.3 單元類型與網格劃分

溫度場模擬選擇三維傳熱單元DC3D8，為獲得良好瞬態焊接溫度場結果，需合理控制焊縫處單元尺寸。采用過渡網格劃分方法，利用Hypermesh軟件得到近焊縫區細密、遠焊縫區稀疏的網格，有限元模型共33 400個單元，見圖1。

2 焊接溫度場數值模擬與分析

焊接溫度場以熱傳導為主，適當考慮熱輻射和熱對流的作用。本模型定義對流換熱系數為10 W/(mm·℃)，輻射系數為5.67×10-8W/(m2·℃4)，輻射率為0.85，并設定環境初始溫度為20 ℃。

在ABAQUS中設置焊接加熱及冷卻過程分析步，焊接速度設為5 mm/s，焊接加熱時間60 s，冷卻時間3 000 s。讀入Fortran編寫的DFLUX熱源子程序，使熱源數值、位置按子程序中熱流密度分布函數變化，從而實現熱源的加載與移動過程，如圖2所示。

由圖2可知移動熱源特點是連續的點狀移動，熱源加熱區域(圖中灰色區域)為熔池，范圍較小。圖3給出了焊接過程代表性時刻t為1 s，30 s，60 s時焊接溫度場計算結果，可以看出焊接初始時刻傳入焊件的熱量不足，未形成熔池且未焊透，因此采用引弧板起弧收弧能有效提高熔深；隨熱量增加，熔池中心溫度快速上升，沿熔池前進方向溫度急劇變化，高溫擴散區域增大，焊接結束時熔池最高溫度可達到2 000 ℃以上。

圖4為冷卻階段3 000 s內代表時刻的焊接溫度場。

由圖4可知：焊接結束后溫度急劇下降，剛開始便迅速降至1 400 ℃，且隨著熱量向母材區擴散，母材區溫度也有明顯上升，而后下降，最終冷卻結束時焊件最高溫度為25 ℃，基本達到室溫。

如圖5所示，在焊縫中心區、焊縫過渡區及母材區，沿焊縫長度方向分別定義三條長300 mm的路徑，并提取焊接完成時各路徑上的溫度場分布曲線，如圖6所示。

圖6表明焊接完成時，曲線上升段主要位于路徑末端250 mm～300 mm區，越靠近焊縫中心溫度上升越快，路徑始端溫度低且變化平緩；路徑三屬母材區，溫度沿路徑方向沒有明顯上升；焊接結束時，溫度還未完全傳至母材末端處，故路徑三末端溫度偏低。

3 結語

1)本文采用的焊接有限元模擬方法可考慮材料熱物理性能的非線性變化，能更準確地反映材料在焊接過程中的性能變化；

2)網格劃分方法直接影響計算精度和效率，故應采用合理的過渡網格劃分方法；

3)焊縫區域距離熔池中心越近，焊接溫度場的溫度變化速度越快，溫度也越高，而母材區域溫度變化相對滯后；

4)焊接溫度場對材料組織變化及應力應變分布有著直接的影響，合理的焊接溫度場三維動態有限元模擬可為溫度場與應力應變場耦合分析奠定基礎。