Q460q鋼板不同焊接速度下的溫度場數(shù)值模擬研究

王立 陳軍

摘 要：本文以高強(qiáng)度橋梁鋼Q460q焊接接頭為研究對象，利用數(shù)值模擬軟件對橋梁用高強(qiáng)度鋼板Q460q在不同焊接參數(shù)下焊接過程的溫度場實時動態(tài)模擬，了解焊接過程中任意截面的溫度梯度，有助于理解焊接過程中應(yīng)力的成因，確定最佳參數(shù)，優(yōu)化焊接工藝。模擬計算結(jié)果表明，三層焊接的最佳焊接工藝參數(shù)為：焊接速度5.2mm/s，焊接熱功率分別為15000W，16500 W和 18000 W。

關(guān)鍵詞：Q460q鋼板；ANSYS11.0；焊接溫度場；數(shù)值模擬

由于焊接是一個局部快速加熱到高溫，并隨后快速冷卻的過程，隨著熱源的移動，整個焊件的溫度隨時間和空間急劇變化，材料的物理性能參數(shù)也隨溫度劇烈變化，同時還存在熔化和相變潛熱現(xiàn)象。因此，焊接溫度場的分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。因為焊接溫度場分布不均勻，在焊接過程中和焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接應(yīng)力和變形。

通過研究，本文在試驗測試和模擬計算的基礎(chǔ)上建立了橋梁鋼Q460q在不同焊接參數(shù)下三維焊接溫度場的模擬分析方法，為國產(chǎn)橋梁鋼板的開發(fā)提供了基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)，為熔焊橋梁鋼焊接工藝過程相關(guān)參數(shù)的選擇提供了參考依據(jù)，為復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維焊接溫度場、應(yīng)力和變形的分析提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)，促進(jìn)了有限元分析技術(shù)在焊接力學(xué)分析中的應(yīng)用。

一、焊接溫度場數(shù)值模擬的特點

焊接過程的數(shù)值模擬具有下述特點：（1）模型是三維的，至少在焊接區(qū)域如此，以反映內(nèi)部和表面的不同冷卻條件。（2）由于快速加熱和冷卻，模擬的過程是高溫瞬態(tài)的，具有與位移和時間相關(guān)的極不相同的梯度場。（3）由于材料的熱一力行為，模擬的過程是高度非線性的，并與溫度密切相關(guān)。

溫度場的模擬是對焊接應(yīng)力應(yīng)變場及焊接過程其他現(xiàn)象進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)，同時通過溫度場的模擬還可以預(yù)測焊接熔池形狀，滿足設(shè)計要求，防止諸如未熄透、燒穿、咬邊、熔池等缺陷的產(chǎn)生。

二、物理模型的建立

采用ANSYS軟件建模，材質(zhì)為Q460q鋼板，焊接過程是一個加熱非常不均勻的過程，焊縫處溫度梯度變化很大，其產(chǎn)生的應(yīng)力分布也不均勻，劃分網(wǎng)格時一般在焊縫及其附近的部分用加密的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，能量傳遞緩慢，應(yīng)力分布梯度變化相對較小，這時可以采用相對稀疏的單元網(wǎng)格?？傊诒３志鹊耐瑫r減少網(wǎng)格的數(shù)量。而具體到本課題的特點，如果繼續(xù)采用溫度場計算的網(wǎng)格大?。?mm），則使得計算時間過長（大約十幾天左右），因此，為了縮短計算時間，采用了相應(yīng)的大網(wǎng)格劃分。具體網(wǎng)格劃分情況見圖1與圖2。

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圖1網(wǎng)格劃分平面圖 圖2網(wǎng)格劃分立體圖

三、計算過程控制

焊接屬于大應(yīng)變問題，設(shè)定分析選項時，須將NLGEOM置為ON。此外，采用Full Newton一Raphson（牛頓一拉普森）方法進(jìn)行平衡迭代并激活自適應(yīng)下降功能、打開自動時間步長和時間步長預(yù)測以加快計算收斂。時間步長應(yīng)與溫度場計算時的設(shè)置一樣。施加載荷時，讀入熱分析的節(jié)點溫度并指定相應(yīng)的時間點或載荷步即可。設(shè)置的參考溫度值應(yīng)與熱分析中設(shè)置的初始溫度值一樣。

四、后處理

ANSYS提供兩種后處理方式，分別為通用后處理器（POST1）和時間歷程后處理器（POST26）。POST1可以對整個模型在某一載荷步（時間點）的結(jié)果進(jìn)行后處理，POST26則可以對模型中特定點在所有載荷步（整個瞬態(tài)過程）的結(jié)果進(jìn)行后處理。

在后處理中，通過兩種處理器可查看某一時間點焊件上各點的各種應(yīng)力、應(yīng)變值或某點的值隨時間變化的狀況，也可用動畫顯示技術(shù)查看焊件在整個焊接過程中應(yīng)力、應(yīng)變等的動態(tài)變化過程。

五、結(jié)論

根據(jù)溫度場的模擬結(jié)果，在橋梁用高強(qiáng)度鋼板Q460q的焊接過程中，當(dāng)焊接速度為V=4mm/s時，焊件被焊穿；當(dāng)焊接速度為V=6mm/s時，焊縫成型效果不好。因此，選擇最佳焊接參數(shù)為：打底焊時：U=30V I=500A V=5.2mm/s；二道焊時：U=30V I=550A V=5.2mm/s；封面焊時：U=30V I=600A V=5.2mm/s 。

參考文獻(xiàn)：

[1]薛忠明.焊接溫度場與應(yīng)力場模擬的研究進(jìn)展[J].中國機(jī)械工程，2002，13，（11）.

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