基于高斯熱源的T型接頭焊接數(shù)值模擬

于亞海 (中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，湖北 荊州 434024)

張錦洲，張林修 (長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

隨著社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，T型接頭的鋼板在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前，艦船、橋梁、車輛、航天、航空、鍋爐、電機(jī)、電子、冶金、能源、石油化工、礦山機(jī)械、起重機(jī)械、建筑及國(guó)防等各個(gè)工業(yè)部門的重要結(jié)構(gòu)，都會(huì)用到T型接頭焊接構(gòu)件。

然而，T型接頭焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬研究相對(duì)較少，且對(duì)T型焊接的研究多用雙橢球模型作為熱源[1～3]，很少采用高斯模型，但在實(shí)際生產(chǎn)中等離子弧焊等焊接方法采用高斯熱源模型更接近實(shí)際情況，因此有必要深入這方面的數(shù)值模擬研究工作。

1 計(jì)算模型

圖1 網(wǎng)格劃分

圖2 高斯熱源模型

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采用有限元方法對(duì)12mm×12mm×120mm的T型接頭建模：先生成點(diǎn)，由點(diǎn)生成線，由線生成面，然后分網(wǎng)、離散化，再把分好網(wǎng)的面生成體。焊縫區(qū)及近焊縫區(qū)劃分網(wǎng)格較密，而在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)網(wǎng)格劃分較為稀疏。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

1.2 材料熱物理性能條件

選用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼s355j2g3，其焊接結(jié)構(gòu)模擬分析屬于瞬態(tài)熱分析，s355j2g3的熱物理性能不是恒定不變的，其參數(shù)隨溫度的變化而變化。s355j2g3鋼的熱物理性能參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。

1.3 熱源模型

熱源模型采用3D高斯熱源模型，如圖2所示。采用間接耦合法進(jìn)行計(jì)算：首先根據(jù)熱傳導(dǎo)方程得到節(jié)點(diǎn)熱流率向量,然后將其做為荷載引入應(yīng)力場(chǎng)求解方程。3D高斯熱源模式的實(shí)質(zhì)上是一系列平面高斯熱源沿工件厚度方向疊加，而每截面的熱流分布半徑為r，沿厚度方向呈線性衰減[5,6]。高斯熱源函數(shù)方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中，q為熱源有效功率，J/s；k表示熱源集中程度的系數(shù)，1/mm2；r為圓形熱源內(nèi)某點(diǎn)與中心的距離，mm。

1.4 焊接參數(shù)

采用等離子弧焊、焊接功率為3000W、焊接速度取3mm/s、熱效率為0.6[7,8]進(jìn)行焊接模擬。

2 溫度場(chǎng)分析

溫度場(chǎng)分布如圖3所示，從圖3可以看到焊接過(guò)程整個(gè)溫度場(chǎng)的變化狀況：焊接剛剛開(kāi)始時(shí)，焊件升溫迅速，T型結(jié)構(gòu)橫板和立板溫度場(chǎng)基本對(duì)稱，橫板焊接熱影響區(qū)比立板稍大；10s后焊接加熱過(guò)程基本完成，焊件進(jìn)入冷卻階段，冷速較快，最后焊件各點(diǎn)溫度逐漸降到室溫。

圖3 焊件過(guò)程中溫度場(chǎng)分布

隨著焊接熱源的移動(dòng)，溫度場(chǎng)也隨之發(fā)生變化。熱源直接加熱的熔池中部溫度很高，在同一時(shí)刻焊縫的不同位置受熱情況不同。在焊縫區(qū)及近焊縫區(qū)，以熱源為中心，通過(guò)對(duì)流、輻射、傳導(dǎo)等熱傳遞方式向周圍傳遞熱量，在熱源周圍形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。而在遠(yuǎn)離焊縫的母材部位，其溫度變化并不明顯，說(shuō)明在焊接中這一區(qū)域受影響較小。

3 晶相轉(zhuǎn)變分析

圖4為焊縫末端3645節(jié)點(diǎn)以及整個(gè)焊縫的溫度循環(huán)曲線, 圖5是節(jié)點(diǎn)3645的晶相轉(zhuǎn)變圖。

圖4 溫度循環(huán)曲線

圖5 節(jié)點(diǎn)3645的晶相轉(zhuǎn)變圖

從圖5可以看出，節(jié)點(diǎn)熱循環(huán)曲線與圖4分析的一致，溫度經(jīng)歷了迅速升溫，到最高溫度后迅速降溫，直至室溫，冷卻速度較快，導(dǎo)致塑性下降，硬度提高。由于s355j2g3含碳量小于0.2%，屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，即原始組織為珠光體。當(dāng)焊接進(jìn)行到14s左右時(shí)，即達(dá)到臨界溫度(500℃到Ms之間)，奧氏體開(kāi)始向貝氏體轉(zhuǎn)變，焊到15s左右，奧氏體開(kāi)始迅速向貝氏體轉(zhuǎn)變；當(dāng)焊接進(jìn)行到19.5s時(shí)，溫度降低到Ms以下，開(kāi)始出現(xiàn)馬氏體；當(dāng)焊接進(jìn)行到30s時(shí)，轉(zhuǎn)變逐漸變慢，隨著溫度的不斷下降，直到室溫下最后得到大約71%貝氏體、27%馬氏體及約1%的少量奧氏體。

4 應(yīng)力場(chǎng)分析

焊接后應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6(a)可以看出，焊接應(yīng)力最大值未出現(xiàn)在焊縫上，而是出現(xiàn)在橫板和立板貼近焊縫的熱影響區(qū)部位，主要為拉伸應(yīng)力，其最大值為387.186MPa。由圖6(b)可以看出，焊接應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在焊件的表面，由外到內(nèi)逐漸衰減。由此也可以判斷，T型接頭橫板和立板的焊接熱影響區(qū)是最容易出現(xiàn)缺陷的部位。且焊接應(yīng)力的數(shù)值相當(dāng)大，但其作用范圍是很小的。隨著離開(kāi)熱影響區(qū)距離的增大，焊接應(yīng)力則迅速衰減。

圖6 焊后應(yīng)力云圖

5 結(jié)論

1)等離子弧焊焊接熱源可采用高斯熱源模型，模擬結(jié)果較好。

2)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)采用間接耦合法進(jìn)行計(jì)算，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3)T型接頭應(yīng)力最大值出現(xiàn)在熱影響區(qū)，而不是焊縫部位，最大值可達(dá)300MPa以上。

4)s355j2g3鋼T型接頭等離子弧焊接，其主要組織為貝氏體，馬氏體次之，其他相較少，且晶粒細(xì)小，性能較好。

[1]楊金超,王錫棟.船用高強(qiáng)鋼T型接頭焊接角變形預(yù)測(cè)仿真[J].應(yīng)用科技,2017,44(4):12～15.

[2]向祖權(quán),劉彬,陳文濤,等.船體結(jié)構(gòu)T型接頭焊接變形預(yù)測(cè)及控制研究[J].船舶工程,2016,38(3):65～68.

[3]鄧長(zhǎng)勇.Q345高強(qiáng)鋼T型接頭焊接變形機(jī)理的數(shù)值模擬研究[J].熱加工工藝,2015, 44(13):217～219,223.

[4]車鑫宇. T型接頭焊接殘余應(yīng)力及變形的數(shù)值模擬[A]. 天津大學(xué)、天津市鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì).第十四屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C].天津大學(xué)、天津市鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì),2014.

[5]張錦洲,熊禾根,楊雄.基于移動(dòng)高斯熱源的平板對(duì)接焊縫數(shù)值模擬[J].熱加工工藝,2013, 42(9):163～165.

[6]廖娟,凌澤民,張永龍.考慮相變的高強(qiáng)鋼T型接頭焊接殘余應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程材料,2013,37(8):85～88,101.

[7]張錦洲.基于 Ansys的球罐對(duì)接接頭焊接應(yīng)力分析[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2011，8(3): 50～53.

[8]Peric M,Tonkovic Z.Numerical analysis and experimental investigation of welding residual stresses and distortions in a T-joint fillet weld[J].Materials and Design，2014，53：1052～1063.