基于ABAQUS的低碳鋼圓筒環焊接溫度場與應力場數值模擬

高 顯，武承文，張成鵬，王 俐，張鵬飛

（1.甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741000；2.遠景能源有限公司，江蘇 江陰 214400）

0 引言

隨著我國經濟的發展和信息技術的提升，各類產業得以蓬勃發展，各種新材料、新工藝、新結構頻頻出現，各行各業在產業升級中對數字化的需求不斷提高，特別是數字化在工程生產中的地位越發突出。其中，數值模擬是當前研究工程問題最常用的方法之一。

大多數焊接是把焊件局部快速加熱到高溫，并隨后迅速冷卻的過程[1]，而這個過程中溫度場的變化是瞬時的。通常，運用在工程中測量焊接溫度場與應力場的實驗往往不能夠準確或很難測出焊接瞬時的變化。同時，實驗測量耗費大量的人力和物力[2]。通過有限元分析軟件模擬焊接過程，可定量分析不可觀察的現象和對極端情況下尚不可知的規則的推測和預測[3]，一定程度上可節約人力物力并有助于理清焊接現象和部分規律，得到和實際相近的結果。

1 模擬過程

進行本課題數值模擬時，先建立圓筒環有限元模型，接著依次做好前處理工作，等前處理工作完成后提交作業進行計算，計算結束之后再運用軟件的后處理功能進行分析。

1.1 圓筒環模型建立

所構建模型為圓筒環的二分之一，厚度8 mm，內徑100 mm，高度50 mm，如圖1所示。

圖1 圓筒環模型

1.2 數值模擬工藝參數

（1）材料為低碳鋼20#鋼。

（2）材料屬性見表1。

（3）設定常溫、加熱、冷卻三個分析步，加熱時間為52 s，冷卻時間為800 s。

（4）相互作用：該焊件不預熱，熱源向被焊件傳遞熱量的方式主要為輻射和對流，焊件母材受熱后傳遞熱量的方式主要為熱傳導，環境溫度設為20℃。

表1 低碳鋼的熱物性

（5）載荷：將圓筒環的上部邊界固定，相當于一種工況。

（6）焊接熱源及工藝：熱源采用雙橢球熱源，熱源的移動用編寫的DFLUX子程序控制。焊接方式為激光深熔焊接[4]，焊接道次為一道次，焊接速度為3 mm/s，既不預熱也不后熱。

1.3 網格劃分

為縮短運算時間，提高運算效率并獲得準確的計算結果，在模型網格劃分中采取細網格和粗網格。焊縫區域用單元尺寸為0.5 mm細網格劃分，其他區域，即除焊縫區以外的區域采用單元尺寸為1 mm的較粗網格劃分。網格模型如圖2所示。

圖2 劃分網格后的模型

采取“熱-力直接耦合法”進行焊接溫度場與應力場分析，單元類型選用C3D8T型，該單元類型為計算熱力學常用的熱傳導單元之一，是一種類似六面體的8節點單元，每個節點有各自獨立的溫度自由度，能夠實現三向線性模擬傳導。

2 結果與分析

2.1 溫度場分析

2.1.1 熱流密度

圖3、圖4分別為焊接加熱23 s、焊接冷卻377 s時的熱流密度分布情況，可看出焊接模擬熱流密度主要集中在焊縫區；經過足量時間冷卻后熱流密度分布較均勻，焊縫區周圍熱流密度上下對稱分布且形成了一種準穩態。

圖3 加熱23s時的熱流密度分布

圖4 冷卻377s時的熱流密度分布

2.1.2 溫度場

圖5、圖6為焊接加熱25 s和冷卻800 s時的溫度場分布情況。

圖5 加熱25s時的溫度場分布

圖6 冷卻800s時的溫度場分布

從圖5可知激光焊接光斑附近也即焊縫區域溫度變化劇烈，熱影響區域緩慢，但溫度梯度較大。同時，可看出溫度場等溫線呈橢圓形，基本上沿著焊縫上下對稱分布；熱源沿著焊接前進的方向等溫線集中，溫度變化也較大，焊接熱源已經過的區域由于冷卻和熱擴散等原因等溫線稀疏，等溫線區間分段可見。從圖6可知圓筒環經過足量時間冷卻后溫度場分布較均勻，達到了熱交換的相對穩定。

2.1.3 熱循環曲線

在被焊件上，熱源對距離焊縫不同位置點的作用不同，所形成的熱循環也不同。為能夠較全面的獲得筒體模型焊縫區和熱影響區的溫度分布情況，首先，在構建的模型中間位置，即從距離半圓環始焊一半處，垂直于焊縫方向的直線上選取5個節點，再利用軟件中的后處理功能提取出這5個節點的坐標并編號，編號和坐標如下：A-5117（距焊縫20 mm）、B-4342（距焊縫9.6 mm）、C-535（在焊縫上）、D-5782（距焊縫5 mm）、E-2538（距焊縫16.6 mm），如圖7所示。圖中C點位于焊縫上。然后，提取上述節點在不同時間各自的溫度分布，并繪制熱循環曲線。圖8為所取節點的熱循環曲線圖9為圖8的局部放大圖。

圖7 節點分布圖

圖8 所取節點的熱循環曲線

圖9 圖8的局部放大圖

由圖8、9這五個節點的熱循環曲線可以看到，在0～24 s這段時間內，即焊接熱源沒有到達所取五個節點所在區域的這段時間里，節點的溫度并沒有明顯的變動。等到第25、26 s時，即焊接熱源靠近這五個點所在直線時，各節點的溫度急劇升高。其中C節點的溫度值為最高，上升的速率極快，趨勢非常陡峭，幾乎呈豎直線，上升至最高溫度后又在極短的時間內劇減，在50 s左右時，五個節點的溫度趨于一致，直到緩慢冷卻到室溫。另外從圖中可以看出，節點A-5117（距焊縫20 mm）、E-2538（距焊縫16.6 mm）兩點距離焊縫中心較遠，這兩個節點溫度達到最高值的時間比節點C-535（在焊縫上）、D-5782（距焊縫5 mm）達到最高值所用的時間長，并且升溫速率緩慢。因此，在某一時刻溫度場分布中各節點的溫度變化速率和能達到的最高溫度值與節點離焊縫中心的距離成反比關系。

2.2 應力場分析

加熱52 s時和冷卻800 s時的應力場分布云圖，如圖10，圖11所示。從圖中可以看出應力主要集中在圓筒環固定邊界和熱源所在處。圓筒環下部未固定邊界的應力最小，因為沒有約束，應力得到釋放。

被焊件冷卻過程中的顯微組織轉變會引起體積的增大，若這種現象發生在較低的溫度，而此時材料的屈服極限足夠高，則會導致焊接區產生壓縮殘余應力，周圍區域承受拉伸殘余應力[3]，焊縫處發生收縮變形，從而使焊縫中的一部分應力得到釋放，焊縫處發生較小的變形。由以上分析并結合圖10、圖11可見，在該模型中圓筒環焊接冷卻后，焊接殘余應力主要集中在受約束的區域，焊縫處的應力相較而言并不大，也不會有很大的殘余變形。

圖10 加熱52s時的應力場分布

圖11 冷卻800s時的應力場分布

2.3 焊后變形分析

通常焊接要在高溫情況下實施，被焊件局部受熱不均勻，有高有低，出現熱循環現象。剛開始焊件受熱后，焊縫區域會發生膨脹[5]，但是它周圍溫度較低的金屬會阻止膨脹的進行，這樣使得受熱金屬產生壓縮應力和不可逆壓縮塑性變形[6-7]。隨著時間的推移，冷卻開始，上述應力逐漸減小，等進一步冷卻，加熱區段開始增長反方向的應力——拉伸應力，同樣，由于它周圍較冷金屬的約束，焊縫不能得到充分收縮，因而使其內部出現拉伸應力，造成結構變形[8]。

由以上分析并結合圖12焊后冷卻800 s時的等效位移分布云圖可以看出，隨著圓筒環的冷卻，在焊縫下部的邊界處會發生較大的位移變形，主要原因為焊縫區域受熱不均勻，熱膨脹過程中出現塑性壓縮變形，這樣使得冷卻中產生殘余變形，且圓筒環下部分無約束。

圖12 焊后冷卻800s時的等效位移分布云圖

3 模擬結論

從溫度場及熱循環曲線來看，節點距離熱源越近，升溫速率越快，能達到的最高溫度值也越高。從應力場來看，在整個焊接過程中應力主要集中在焊接熱源處和焊件邊界固定處。圓筒環下部未固定邊界的應力最小，因為下部分沒有約束，應力不集中。焊后冷卻800 s的等效位移分布云圖顯示，焊件下部不受約束的邊界處會發生較大的位移變形。