平板对接焊缝 TIG焊的温度场和应力场仿真浅析

平板对接焊缝 TIG焊的温度场和应力场仿真浅析

张东 陈贝 赵振飞 杨冰冰 王忠平 杨中地

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111

摘要：焊接是一个涉及多学科的复杂过程，随着计算机技术的发展，焊接数值模拟受到越来越广泛的关注，且越来越多的应用于实际生产过程中，利用Marc有限元软件对平板对接焊进行熔深方向的三维数值模拟并分析模拟结果，意在为焊接工艺的制定和优化提供一种指导方法。

关键词：平板对接焊；有限元仿真；温度场；应力场

1引言

由于焊接是一个涉及多学科的复杂过程，单纯采用理论方法，在解决生产实际问题时很难达到一定精度。随着计算机软、硬件及有限元软件技术的发展，三维焊接过程数值模拟受到越来越广泛的关注^[1]。在以往的数值模拟计算中往往将三维问题简化为平面问题来考虑，并没有考虑电弧在熔深方向的加热作用，但事实上三维计算才能真实体现焊接的热过程。利用有限元软件对未开坡口的平板进行模拟，并对其温度场和变形进行分析，得到与实际焊接中规律相符合的结果。

2建立有限元模型

2.1焊接热源选用

对于一般的电弧焊，焊接电弧的热流是分布在焊件上一定的作用面积内，可以将其作为平面分布热源。在Marc中采用的是Goldak提出的双椭球热源模型，此模型中热流密度沿长轴呈高斯分布前半部分是1 / 4椭球，后半部分是3 / 4椭球。

2.2焊接热物理性能参数

模拟试件所采用的材料为一般的钢材，由于材料的高温性能参数对焊接过程数值模拟的结果和计算过程均有较大影响，材料在足够高的温度下屈服极限和弹性模量等重要参数将失去其物理意义，但由于焊接过程的数值模拟基本上以弹塑性理论为基础，因此这些参数必须是非零值^[2]。

2.3模型网格划分

两块尺寸为5 0 ×5 0 ×1 0mm不开坡口的钢板进行TIG对接焊，考虑到模型具有高度对称性，为了减小计算量，加快求解速度所以取整个模型的1/4模型进行求解计算。其中对焊接区的单元网格进行细化，远离焊接熔融区的网格较为稀疏，共划分1875个单元，2496个节点。

2.4焊接路径以及边界条件的定义

试块定义焊接路径时，在熔敷金属填充的单元处建立局部坐标系，在这个局部坐标系下，其各个坐标分别与热源的ｘ、ｙ、ｚ对应，定义Ｎ点的焊接路径则是沿着局部坐标的ｚ方向从节点Ｎ指向Ｎ+ 1。

3 计算结果分析

3.1 温度场分析

焊接过程所产生的收缩变形及残余应力主要由不均匀的热输入所导致，所以作为焊接的数值模拟就是以温度和位移作为变量的耦合计算^[3]。现提取81、87、96节点位置整个焊接历程中的温度变化，结果如图1所示。分析结果表现出焊接过程的特点为：温度场变化范围广且温度梯度大，在焊缝区最高温度高达材料沸点，而离开焊接热源温度就急剧降至室温。

图1 ｔ= 12ｓ时焊接路径上的温度分布曲线

3.2 应力场分析

焊接时焊件受到不均匀加热并使焊缝区熔化，与焊接熔池毗邻的高温区材料产生不均匀的压缩塑性变形。在冷却的过程中，并在一定程度上受到拉伸而卸载。熔池凝固时产生收缩拉应力和变形，在焊接接头区域就产生了缩短的不协调应变。熔池位置的横向应力很小，这是由于高温下材料性能下降造成的，电弧的前端位置为压应力，这是由于该处材料受热膨胀，而受周围材料拘束导致的。焊道中心线上的横向残余应力以及纵向残余应力结果如图2所示，焊缝及近缝区经历过高温的区域中存在纵向残余拉应力，当焊缝较长时，在焊缝中段会出现一个稳定区，在焊缝端部存在应力过渡区，纵向应力逐渐减小。纵向应力沿板材横截面上的分布表现如图3所示，表现为中心区域是拉应力，两边为压应力，拉应力和压应力在截面内平衡。

对于近缝区的焊接热循环来说，基本遵循两条规律：其一是金属在加热时受压缩，在冷却时受拉伸，屈服后出现塑性变形；其二是相变（奥氏体转变）开始和结束后出现应力和应变方向的逆转。

图2 焊接路径方向上表面纵向及横向残余应力分布结果

图3 距离焊缝不同距离上表面纵向及横向残余应力分布结果

4结论

对一般钢材平板对接焊接过程进行了仿真，究取得如下结论：

（1）通过温度场仿真得出了焊接过程的特点为温度场变化范围广且温度梯度大，在焊缝区最高温度高达材料沸点，而离开焊接热源温度就急剧降至室温；

（2）对应力场进行计算可以看出熔池位置的横向应力很小，电弧的前端位置为压应力；

（3）由焊道中心线上的横向残余应力以及纵向残余应力结果可知焊缝及近缝区经历过高温的区域中存在纵向残余拉应力，当焊缝较长时，在焊缝中段会出现一个稳定区，在焊缝端部存在应力过渡区，纵向应力逐渐减小；

（4）纵向应力沿板材横截面上的分布表现为中心区域是拉应力，两边为压应力，拉应力和压应力在截面内平衡。

参考文献

[1] 董克权,刘超英,陈英俊.ANSYS焊接仿真中高斯热源加载算法研究[J].机械设计与制造, 2007(02):88-90.

[2] 李雪罡,郝悦,田恺.仿真技术在焊接工艺中的应用[J].科学技术创新,2019(16):169-170.

[3] Andi Su,Yao Sun,Yating Liang,Ou Zhao. Material properties and membrane residual stresses of S690 high strength steel welded I-sections after exposure to elevated temperatures[J]. Thin-Walled Structures,2020,152.