坡口形式對焊接殘余應(yīng)力影響的數(shù)值模擬

摘 要：基于有限元計算方法，利用ANSYS軟件對單邊V形坡口和Y形坡口在五種不同坡口角度下的平板對接焊過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了薄板焊后的橫向和縱向焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)，并對結(jié)果進(jìn)行了分析與比較。隨著坡口角度的增大，采用單邊V形坡口和Y形坡口焊接的試板，其焊后橫向殘余應(yīng)力值與縱向殘余應(yīng)力普遍呈變大趨勢；在坡口角度一定時，采用Y形坡口焊接的試板，其焊后橫向殘余應(yīng)力值與縱向殘余應(yīng)力普遍小于采用單邊V形坡口焊接的試板。

關(guān)鍵詞：坡口形式；殘余應(yīng)力；有限元法；數(shù)值模擬

引言

在焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)中，結(jié)構(gòu)的承載能力是人們普遍關(guān)注的問題。有許多因素均對結(jié)構(gòu)的承載性能發(fā)生影響，焊縫坡口形式就是其中重要的工藝參數(shù)之一。開坡口的目的在于使焊接生產(chǎn)過程順利進(jìn)行，確保焊接質(zhì)量和接頭的使用性能，減小焊接變形和焊接材料的消耗，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。焊接坡口的設(shè)計非常關(guān)鍵：坡口形式的選擇不僅直接影響到焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)成本，而且將直接影響到接頭的化學(xué)成分、組織和力學(xué)性能[1]。坡口小的焊縫熔敷系數(shù)偏小，易形成窄而深的焊縫，影響熔池結(jié)晶，易產(chǎn)生區(qū)域偏析；拘束應(yīng)力大時易導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生[2，3]。坡口加大，焊接工作量大大增加，而且接頭區(qū)的焊接應(yīng)力也大大增加，這對鋼結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力的控制極其不利，同時也增大生產(chǎn)成本。因此，合理確定焊縫的坡口角度是十分重要的[4]。

1 有限元數(shù)值模型

1.1 焊接工藝方案

文章的研究對象為兩塊25#鋼的對接鋼板，采用長寬高分別為300mm×100mm×6mm的鋼板，選取單邊V形坡口和Y形坡口在不同坡口角度下對其進(jìn)行焊接[5]，坡口形式及坡口角度如圖1（a）～（d）和圖2（a）～（d），對產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行分析比較，從而研究不同坡口形式對焊接殘余應(yīng)力大小及其分布的影響。

1.2 焊接溫度場

文章的有限元模型如圖3所示，選用三維用八節(jié)點(diǎn)六面體 SOLID70單元來進(jìn)行溫度場的計算。劃分網(wǎng)格時考慮到焊接是一個高溫瞬態(tài)非線性過程，在焊縫及其附近的部分用細(xì)密的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，單元網(wǎng)格可以劃分得相對稀疏些[6]。有限元分析采用熱源模型的是均勻體載荷生熱率HGEN，焊縫的形成和焊接熱源的移動采用單元生死方法進(jìn)行模擬，在開始計算前，將焊縫中所有單元“殺死”，相當(dāng)于焊前的裝配狀態(tài)，在計算過程中，按順序?qū)⒈弧皻⑺馈钡膯卧俺錾?，模擬焊縫金屬的填充過程[7，8]。同時，給激活的單元施加上述生熱率HGEN，熱載荷的作用時間等于實(shí)際焊接時間。

1.3 焊接應(yīng)力場

在焊接應(yīng)力場分析時采用和焊接溫度場同樣的有限元模型，對焊件進(jìn)行溫度場分析后，重新進(jìn)入前處理模塊，將熱單元SOLID70轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元SOLID45。并把焊接溫度場的結(jié)果作為焊接應(yīng)力場的預(yù)定義場進(jìn)行計算，指定塑性分析選項(xiàng)為經(jīng)典的雙線性隨動強(qiáng)化（BKIN）模式，同時考慮材料的力學(xué)性能隨溫度變化的特性[9]，并定義隨溫度變化的屈服應(yīng)力和剪切模量，設(shè)置相關(guān)的求解選項(xiàng)并求解。焊接應(yīng)力場分析時，施加邊界條件對焊件進(jìn)行相應(yīng)的約束。

2 計算結(jié)果與討論

通過對試板采用單邊V形坡口和Y形坡口下五種不同坡口角度連接的薄板進(jìn)行焊接模擬，得到了焊接殘余應(yīng)力的應(yīng)力分布云圖。圖4（a）～（e）和圖5（a）～（e）為試板在單邊V形焊接坡口形式下的焊后橫向殘余應(yīng)力與縱向殘余應(yīng)力分布。圖6（a）～（e）和圖7（a）～（e）為試板在Y形焊接坡口形式下的焊后橫向殘余應(yīng)力與縱向殘余應(yīng)力分布。

為了研究單邊V形坡口和Y形坡口在不同坡口角度下的焊接殘余應(yīng)力分布大小和規(guī)律，文章分別在板件上表面平行焊縫方向取3條路徑，如圖8中的1～3，下文中分別用P1～P3表示，分析該路徑上橫向和縱向殘余應(yīng)力分布情況。

圖9（a）～（c） 和圖10（a）～（c） 分別為采用

單邊V坡口焊接的試板在五種不同坡口角度下沿路徑P1～P3的橫向殘余應(yīng)力與縱向殘余應(yīng)力分布大小及形態(tài)。圖11（a）～（c） 和圖12（a）～（c） 分別為采用Y形坡口焊接的

試板在五種不同坡口角度下沿路徑P1～P3的橫向殘余應(yīng)力與縱向殘余應(yīng)力分布大小及形態(tài)。

從圖9～圖12可以看出，采用單邊V形坡口焊接的板件焊后橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力隨著坡口角度的增大而變大，采用Y形坡口焊接的板件，其焊后橫向殘余應(yīng)力和近焊縫區(qū)、焊縫區(qū)的縱向殘余應(yīng)力隨著坡口角度增大而變大，這是由于焊縫體積差異導(dǎo)致的。當(dāng)焊縫中填充材料越多，金屬熔化產(chǎn)生的熱量越大，導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力就越大。

對比圖9和圖11可以看出，在坡口角度一定時，采用單邊V形坡口焊接的板件，其焊后橫向殘余應(yīng)力普遍大于采用Y形坡口焊接的板件；對比圖10和圖12可以看出，在坡口角度一定時，采用單邊V形坡口焊接的板件，其焊后縱向殘余應(yīng)力也普遍大于采用Y形坡口焊接的板件。當(dāng)坡口角度一定時，單邊V形坡口形式下的焊縫區(qū)體積大于Y形坡口坡口形式下的焊縫區(qū)體積。這同樣表明焊縫中填充材料越多，金屬熔化產(chǎn)生的熱量越大，導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力就越大。

以上結(jié)果表明，對單邊V形坡口和Y形坡口的不同坡口角度而言，焊接殘余應(yīng)力將隨著坡口角度的增大普遍呈變大趨勢。同時，當(dāng)坡口角度一定時，單邊V形坡口比Y形坡口產(chǎn)生的焊后殘余應(yīng)力大。這說明單邊V形坡口和Y形坡口在不同坡口角度下，角度較小的坡口能有效降低焊件的縱向和橫向殘余應(yīng)力；在坡口角度一定時，Y形坡口則相比于單邊V形坡口更能夠有效地降低焊后殘余應(yīng)力。

3 結(jié)束語

（1）當(dāng)坡口形式一定時，隨著焊接坡口角度的增大，焊后橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力普遍呈變大趨勢。

（2）當(dāng)坡口角度一定時，Y形坡口產(chǎn)生的焊后殘余應(yīng)力小于單邊

V形坡口產(chǎn)生的焊后殘余應(yīng)力。

（3）當(dāng)焊縫中填充材料越多，金屬熔化產(chǎn)生的熱量越大，導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力就越大。選擇總體積較小的焊縫，能夠有效降低焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

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