基于有限元模擬的細(xì)長(zhǎng)板焊接應(yīng)力分析

梅乾龍 ， 權(quán)建洲 ， 曾申波 ， 李 冉

（空軍預(yù)警學(xué)院雷達(dá)士官學(xué)校，湖北 武漢 430000）

隨著工業(yè)信息化的不斷發(fā)展，材料的成型技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)。但是，材料成型中常伴隨著應(yīng)力缺陷以及變形等問(wèn)題，如細(xì)長(zhǎng)板工字鋼、T形鋼角接及細(xì)長(zhǎng)管對(duì)接等常見(jiàn)工件的焊接，焊接應(yīng)力缺陷一直是難以解決的問(wèn)題。本研究根據(jù)細(xì)長(zhǎng)板焊接應(yīng)力的特點(diǎn)類(lèi)比分析，從溫度分布方面利用ANSYS有限元軟件分析焊接成型后各處焊接應(yīng)力的分布，找出溫度應(yīng)力的極值點(diǎn)，從而為后續(xù)焊接應(yīng)力的消除和變形工件的矯正提供理論數(shù)據(jù)支持。

1 焊接應(yīng)力的現(xiàn)狀

1.1 焊接成型技術(shù)中的應(yīng)力問(wèn)題

焊接成型主要是指相同或者不同的兩部分材料，通過(guò)母材部分區(qū)域和添加材料（焊材）熔化形成的熔池金屬凝固而將這兩部分材料剛性連接為一個(gè)整體的加工技術(shù)[1]。目前的焊接以熔焊為主，比如常見(jiàn)的焊條電弧焊、氣保焊、釬焊等，這些焊接成型方式中都伴隨著溫度的急劇變化，并且焊接的幾千攝氏度以上的溫度與室溫相差較大，這也是造成焊接缺陷和變形的直接原因。常見(jiàn)控制焊接應(yīng)力的方式主要是材料的焊前加熱，焊后處理，這樣雖可以輕微地降低焊接應(yīng)力的形成，但是會(huì)增加操作的成本，而且通過(guò)肉眼直接觀察的應(yīng)力變化得不到準(zhǔn)確應(yīng)力轉(zhuǎn)折點(diǎn)，盲目地進(jìn)行應(yīng)力矯正還會(huì)破壞焊縫的質(zhì)量性。工程應(yīng)用中特別希望通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)，來(lái)預(yù)測(cè)焊接接頭的內(nèi)部應(yīng)力分布特點(diǎn)，判定何處會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋，判斷焊接變形的嚴(yán)重程度等。

1.2 細(xì)長(zhǎng)板平敷焊中的應(yīng)力問(wèn)題

焊接過(guò)程中的熔池狀態(tài)及其焊縫成型分布，在各種位置都有不同的焊接狀態(tài)。其中，平敷焊操作是日常手工焊接過(guò)程中最常見(jiàn)的焊接方式，主要是在平行地面的位置上，利用堆敷連續(xù)焊形成焊道的一種焊接方式，是所有焊接操作方法的基礎(chǔ)[2]。平敷焊操作的要點(diǎn)主要是熔池?zé)崃枯斎敕植急容^均勻，焊縫成型度比較好，但是由于焊接時(shí)間的過(guò)程性，造成焊接熱量的輸出過(guò)程受到后續(xù)加熱的影響。因此，在冷卻時(shí)會(huì)形成較大的溫度差，根據(jù)塑性材料熱脹冷縮原理，焊板金屬在熔池結(jié)晶處會(huì)形成分布不勻的現(xiàn)象，就會(huì)造成較大的焊接形變，主要表現(xiàn)為軸向的彎曲或扭曲變形。對(duì)于起稱重及載重作用的橫梁結(jié)構(gòu)，發(fā)生變形會(huì)直接影響構(gòu)架整體的結(jié)構(gòu)性能，降低儀器的使用壽命。因此，需要根據(jù)溫度的分布規(guī)律、溫度差值的大小探索能夠定點(diǎn)改變焊接溫度應(yīng)力的矯正過(guò)程。

2 細(xì)長(zhǎng)板焊接溫度場(chǎng)有限元分析

焊接過(guò)程主要伴隨以下幾項(xiàng)變化：金屬熔池的快速凝固；高溫熔池的熱量在金屬內(nèi)部的傳導(dǎo)；焊接過(guò)程中金屬內(nèi)部存在的溫度梯度導(dǎo)致的金屬內(nèi)部熱應(yīng)力[3]。焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱量在母材中傳導(dǎo)產(chǎn)生的溫度變換范圍，必然是一個(gè)隨母材空間部位、焊接進(jìn)行時(shí)間而變化的不均勻焊接溫度場(chǎng)。根據(jù)溫度場(chǎng)分布的特點(diǎn)近似于常見(jiàn)熱源的變化，利用ANSYS軟件中的APDL語(yǔ)言編寫(xiě)程序，實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)熱源載荷下的有限元分析計(jì)算，可以大致模擬焊接的整個(gè)過(guò)程，從結(jié)果輸出中觀察細(xì)長(zhǎng)板各處的溫度應(yīng)力變化曲線。具體模擬分析過(guò)程如下。

2.1 參數(shù)的輸入

根據(jù)有限元分析特點(diǎn)，剛性構(gòu)件之間的應(yīng)力變化必須有相應(yīng)的材料特性作支撐，主要是需要設(shè)定近似于板材和焊條材料變化的溫度梯度，對(duì)應(yīng)各梯度溫度的熱傳導(dǎo)系數(shù)、彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比以及線膨脹系數(shù)，溫度的基準(zhǔn)線以室溫為參考標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 模型和熱源的建立

模型的建立主要是對(duì)細(xì)長(zhǎng)板和焊縫進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在二者的結(jié)合處進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格處理，目的是使板材與焊材的溫度變化形成溫度差。選定焊條加熱的熱源模型為高斯熱源模型[4]，因?yàn)楦咚篃嵩茨Ｐ偷奶攸c(diǎn)是底面為圓形的鐘罩，該模型與焊條電弧焊的弧柱以及焊條燃燒形成的熔池相似?？紤]到控制單一變量原則和焊縫成型的均勻一致性，忽略正常焊接時(shí)的運(yùn)條停頓以及焊條角度控制等因素對(duì)溫度的影響。

2.3 熱源的加載

為了近似模擬真實(shí)的焊接操作過(guò)程，需要將熱源加載在焊縫處，并且排除其他熱源載荷的影響，還需要利用有限元分析中生死單元技術(shù)[5]，即在加載熱源之前，先將模型中焊接處單元逐個(gè)“殺死”，原理是將其單元質(zhì)量溫度調(diào)至最小值，然后在熱源加載過(guò)程中逐個(gè)重新激活，最后設(shè)定一定變化的熱源溫度。這樣做的目的是排除基體板材溫度變化對(duì)焊縫的影響，以及對(duì)空氣中介質(zhì)的影響。

2.4 模型的冷卻

待熱源加熱完畢，設(shè)定一定的冷卻時(shí)間，將模型正?；乩渲领o態(tài)溫度。類(lèi)比于焊接過(guò)程中，焊板熱源的輸入主要是焊條燃燒產(chǎn)生的熱量，焊板起始溫度接近于室溫，這樣溫度的曲線分布則更加接近于真實(shí)焊接操作中溫度的變化。

3 細(xì)長(zhǎng)板焊接溫度場(chǎng)結(jié)果分析

3.1 細(xì)長(zhǎng)板整體溫度場(chǎng)分布

有限元模擬分析完畢后，輸出焊縫處溫度變化云圖以及各處溫度曲線。溫度場(chǎng)分布云圖如圖1所示，模型云圖顏色的深淺分別表示溫度的高低。通過(guò)分析焊板溫度場(chǎng)分布云圖可以發(fā)現(xiàn)溫度應(yīng)力的大小呈現(xiàn)不均勻規(guī)則分布，圖中3、4點(diǎn)位置的顏色最深，通過(guò)測(cè)量大約在細(xì)長(zhǎng)板2/3處，因此，可以判定溫度應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在此處，而非細(xì)長(zhǎng)板中間的區(qū)域。分析其主要原因應(yīng)該是焊接過(guò)程中后續(xù)單元的點(diǎn)受到一定的預(yù)熱作用，故當(dāng)焊接至后半段時(shí)考慮溫度集中的影響，所以會(huì)產(chǎn)生溫度的峰值；當(dāng)焊接至尾端時(shí)，由于焊板末端熱量散失的影響，所以其溫度的變化與起焊段溫度相近。

3.2 細(xì)長(zhǎng)板各處溫度應(yīng)力分布

通過(guò)溫度云圖直觀地認(rèn)為焊接應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在細(xì)長(zhǎng)板的2/3處，并且應(yīng)力呈現(xiàn)不均勻分布。為了驗(yàn)證猜測(cè)的準(zhǔn)確性，現(xiàn)分別拾取焊縫上的特殊極點(diǎn)，詳細(xì)分析其焊接過(guò)程中整個(gè)溫度值的變化。由于在焊縫連接處進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，所以模型上的單元點(diǎn)較多，為了排除同樣點(diǎn)帶來(lái)的繁雜性，現(xiàn)只選取首尾段兩點(diǎn)以及2/3處兩點(diǎn)的溫度，其中，各選取兩點(diǎn)的目的是形成自身對(duì)照的單一變量原則。

1）利用有限元單元點(diǎn)拾取原則，輸出以上6個(gè)點(diǎn)的溫度分布，如圖2所示。從溫度的曲線圖中可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)長(zhǎng)板焊縫從焊接到冷卻的過(guò)程中，主要表現(xiàn)為溫度先急劇升高，然后到達(dá)極值后出現(xiàn)緩慢的冷卻過(guò)程，最終都是統(tǒng)一達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的效果。因此，雖然模擬焊接過(guò)程中各處點(diǎn)溫度變化不一致，但整體冷卻速度是一致的，從而實(shí)現(xiàn)焊板和焊縫空冷的狀態(tài)。

圖2 6個(gè)點(diǎn)溫度分布曲線圖

2）通過(guò)研究橫向的溫度應(yīng)力，1、2點(diǎn)為焊接起始端，3、4點(diǎn)為極值點(diǎn)，5、6點(diǎn)為焊接收尾端，將每組兩點(diǎn)進(jìn)行相互比較，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)距離較近的時(shí)候，橫向的溫度變化很小，因此，在橫向的應(yīng)力變化可以忽略不計(jì)?？紤]橫向溫度是為了驗(yàn)證細(xì)長(zhǎng)板焊接過(guò)程中橫向方向若出現(xiàn)溫度的極值，則焊接完成后會(huì)出現(xiàn)橫向變形，對(duì)于細(xì)長(zhǎng)板來(lái)說(shuō)就會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。本次實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證縱向彎曲應(yīng)力受溫度的影響特性，為了控制單一變量，故模擬過(guò)程中將焊縫的形狀模擬近似于正方形結(jié)構(gòu)，忽略橫向溫度對(duì)細(xì)長(zhǎng)板應(yīng)力的影響。

圖3 橫向兩點(diǎn)相互對(duì)比曲線

3）通過(guò)研究縱向的溫度應(yīng)力，對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)長(zhǎng)板焊接起始端和收尾端兩端的溫度相似地接近，如圖4所示，原因主要是焊接在起始和收尾處的空冷效率高、散熱速度快，所以曲線變化比較平緩，并且整體的溫度值略小于中間焊縫值。而在2/3處進(jìn)行小范圍取點(diǎn)，這時(shí)找出溫度的極值，如圖5所示。從圖中可以看出，細(xì)長(zhǎng)板在此焊接處的溫差變化大，溫度曲線變化比較陡峭，因此，造成的應(yīng)力變化也比較大，故此應(yīng)力可能出現(xiàn)在細(xì)長(zhǎng)板的2/3處。

圖4 起焊端和收尾端溫度曲線

圖5 極值端溫度曲線

通過(guò)分析應(yīng)力變化的共同點(diǎn)，對(duì)比圖4、圖5中各處溫度應(yīng)力的曲線變化值可以發(fā)現(xiàn)，在溫度達(dá)到750 K~1 000 K時(shí)各處都會(huì)形成較大的溫差，因此，判定這段溫度范圍也是金屬發(fā)生塑性變形的起始條件。因此，在后續(xù)的焊接應(yīng)力矯正過(guò)程中，可以根據(jù)加熱焊板的熔點(diǎn)高低進(jìn)行應(yīng)力的消除。

4 細(xì)長(zhǎng)板焊接應(yīng)力矯正分析

通過(guò)有限元分析的對(duì)比驗(yàn)證可得，產(chǎn)生焊接應(yīng)力的最大值在細(xì)長(zhǎng)板的2/3處，材料發(fā)生應(yīng)力變化的溫度是750 K~1 000 K。因此，可以根據(jù)此參考對(duì)變形的細(xì)長(zhǎng)板進(jìn)行應(yīng)力矯正。常見(jiàn)的矯正方式有機(jī)械矯正和火焰矯正，機(jī)械矯正主要適用于塑性和延展性較好、變形量不大、部件厚度合理的材料，對(duì)于低塑性和脆性的材料不適用。由于本實(shí)驗(yàn)所用的材料厚度較大，變形量很難通過(guò)機(jī)械矯正方式矯正，因此，需要進(jìn)行火焰矯正。

4.1 火焰矯正的原理

金屬材料有熱脹冷縮的特性，當(dāng)局部加熱時(shí)，被加熱處的材料受熱而膨脹，但由于周?chē)鷾囟鹊停虼?，膨脹受到限制阻礙，此時(shí)加熱處金屬受壓縮應(yīng)力[6]?；鹧娉C正的原理主要是金屬材料受熱后發(fā)生形變，金屬冷卻后產(chǎn)生的最終形變與原有的焊接形變相互抵消，從而達(dá)到矯正部件變形和保證部件幾何尺寸的效果[7]。常見(jiàn)的火焰加熱方式有點(diǎn)狀加熱、直線加熱和楔形加熱。通過(guò)對(duì)比性能發(fā)現(xiàn)，楔形加熱方式主要適用于縱梁結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)或型材等截面積相對(duì)較小的部件[8]。因此，可以采用楔形加熱方式對(duì)細(xì)長(zhǎng)板進(jìn)行加熱矯正。

4.2 細(xì)長(zhǎng)板火焰矯正的步驟

火焰矯正時(shí)，考慮細(xì)長(zhǎng)板長(zhǎng)跨度變形的特點(diǎn)，需要將其夾持在不易形變的工作臺(tái)上，然后進(jìn)行楔形加熱。具體的操作步驟為：1）連接氧-乙炔氣焊設(shè)備，調(diào)節(jié)火焰至中性焰；2）采用楔形加熱方式，在變形處伸長(zhǎng)的部分（即細(xì)長(zhǎng)板的2/3處）加熱到873 K～1 073 K[9]，此時(shí)鋼板呈褐紅色至櫻紅色之間[10]；3）通過(guò)水冷進(jìn)行強(qiáng)制水冷?；鹧娉C正的結(jié)果可以與模擬分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，預(yù)測(cè)會(huì)出現(xiàn)均勻的一致性。

5 結(jié)論

1）根據(jù)細(xì)長(zhǎng)板平覆焊操作的特點(diǎn)，判定隨著溫度變化的不均勻，造成熔池結(jié)晶的速度不一致，進(jìn)而導(dǎo)致焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。由于工件溫度變化的不均勻，導(dǎo)致熔池結(jié)晶速度的不一致，進(jìn)而導(dǎo)致焊接應(yīng)力產(chǎn)生。

2）利用有限元溫度場(chǎng)應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)板模型在軸向長(zhǎng)度的2/3處容易出現(xiàn)溫度的極值點(diǎn)；從各處點(diǎn)溫度應(yīng)力曲線變化值中可以發(fā)現(xiàn)材料發(fā)生應(yīng)力變化的溫度是750 K~1 000 K，可以判定這段時(shí)間是材料發(fā)生焊接塑性變形的起始段。

3）根據(jù)應(yīng)力矯正分析過(guò)程中火焰矯正的特點(diǎn)，楔形加熱方式能夠定點(diǎn)消除溫度應(yīng)力的極值，其火焰加熱時(shí)溫度約等于應(yīng)力曲線分析時(shí)的值，形成相同的一致性。

4）由于有限元分析中沒(méi)有考慮模型整體橫向方向的溫度曲線，但是考慮到實(shí)操過(guò)程中出現(xiàn)咬邊、夾渣等焊接缺陷，這些部位的焊接應(yīng)力也是影響構(gòu)件形變的因素，因此，需要在后續(xù)研究中繼續(xù)深入研究分析。