交叉角焊縫的有限元模擬分析

譚創(chuàng)

摘 要：采用HyperMesh對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用生死單元法實現(xiàn)了對實際焊接過程的數(shù)值模擬，對不同方向焊縫的半封閉式箱型結(jié)構(gòu)的進(jìn)行了焊接溫度和殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明，焊接過程中峰值溫度區(qū)間位于2 0502 150之間；每道焊縫焊接完成后殘余應(yīng)力都會發(fā)生變化，第一道焊縫焊接完成后，殘余應(yīng)力最大為316.7 MPa；第二道焊縫焊接完成后，殘余應(yīng)力最大為281.7 MPa；第三道焊縫焊接完成并經(jīng)過裝夾釋放后，云圖中殘余應(yīng)力基本呈對稱分布，且殘余應(yīng)力最大值為367 MPa，位于三條焊縫交叉處。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬? 焊接? 殘余應(yīng)力? 箱型結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TG404;TG156? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Finite Element Simulation Analysis of Cross Fillet Welds

TAN Chuang

（Yangtze University， Jingzhou， Hubei Province， 434023 China）

Abstract：HyperMesh was used to mesh the model，? the life and death element method was used to realize the numerical simulation of the actual welding process， and? the numerical simulation of the welding temperature and residual stress was carried out for the semi-closed box structure of welds in different directions. The simulation results showed that the peak temperature range in the welding process was 2050～2150℃， and the residual stress changed after each weld was welded. The maximum residual stress was 316.7MPa after the first weld? was welded， the maximum residual stress was 281.7MPa after the second weld was welded， and that after the third weld was welded and clamped and released， the residual stress in the cloud diagram was basically symmetrically distributed， and the maximum residual stress was 367MPa， which was located at the intersection of? three welds.

Key Words：Numerical simulation; Weld; Residual stress; Box structure

箱型焊接結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。在焊接過程中由于瞬時集中的熱量輸入，使得焊接過程中焊縫的溫度場發(fā)生劇烈變化，箱型結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計完整性、制造工藝合理性和結(jié)構(gòu)使用可靠性的關(guān)鍵因素[1]。

在箱型結(jié)構(gòu)的角焊縫研究領(lǐng)域中，學(xué)者大多都集中在對單條角焊縫和多條平行角焊縫焊接殘余應(yīng)力和變形的研究，并且已有了眾多的研究成果。韋逢使用有限元軟件Abaqus，對加強型三面圍焊角焊縫的連接受力性能進(jìn)行了的研究[2]，韓雙宗對彎曲箱型結(jié)構(gòu)的多層多道焊的焊接順序進(jìn)行數(shù)值模擬，大幅度降低了殘余拉應(yīng)力的最大值[3]。但對于三維不同方向的角焊縫（多向角焊縫）相交的殘余應(yīng)力和變形的研究工作卻很少。并且焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生將會很大程度地影響到焊接結(jié)構(gòu)的使用性能[4-5]，甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，使得構(gòu)件的疲勞強度和抗腐蝕能力降低。由于3條焊縫的相交部分在焊接過程中會經(jīng)歷多次熱循環(huán)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。該文運用有限元軟件Abaqus對其進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，對實際生產(chǎn)具有重要意義。

1 試驗材料及方法

1.1 有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

該文模擬的箱型結(jié)構(gòu)模型由3塊板兩兩相連接形成的半封閉結(jié)構(gòu)，每個板相連接的部分由3條角焊縫焊接而成，使3條焊縫在焊接中心部分相交。

利用三維建模軟件Solidworks建立箱型結(jié)構(gòu)的實體模型，模型如圖1所示。將模型導(dǎo)入到網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh中，對整個模型劃分出不同的區(qū)域，在劃分網(wǎng)格時可以采用1∶3和1∶2的網(wǎng)格過度的劃分方法，具體如圖2所示。由于焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)熱源的作用，使溫度變化較為明顯，其余范圍的溫度變化較小。因此，為了能夠體現(xiàn)出實際的溫度場和應(yīng)力場變化狀態(tài)，在焊縫和熱影響區(qū)使用單元尺寸較小的網(wǎng)格，在距離焊縫越遠(yuǎn)的區(qū)域，使用的網(wǎng)格尺寸也會逐漸過渡增大，以此來減低計算所用的時間，并提高計算的效率，確保計算結(jié)果的正確性[6-7]。三維網(wǎng)格模型如圖3所示。

1.2 材料特性

該文使用的材料為Q235B結(jié)構(gòu)鋼，且母材和焊縫材料保持一致。在實際的焊接過程中，熱源使得焊接接頭會隨著時間和空間的變化而產(chǎn)生劇烈的溫度變化，形成不均勻的溫度場，需要考慮材料參數(shù)與溫度之間的函數(shù)關(guān)系。材料熱力學(xué)性能物理參數(shù)見表1[8-9]。

1.3 熱源校核

該文使用保護焊作為焊接方法。在實際焊接過程中，熱源的前半部分在與焊縫接觸后會有劇烈的溫度變化，后半部分在焊接時溫度會保持在一個平穩(wěn)的過程。故此次模擬的熱源模型采用Goldak雙橢球體熱源模型[10]，其具備這樣的特點。熱源分布形式如圖4所示。

式（2）中：，為熱效率；為電弧電壓；為電流；、為熱流密度分布系數(shù)，表示前后橢球熱輸入的比例關(guān)系，且 ；、 為焊接熔池的長度參數(shù)，b、c 分別為熔寬和熔深。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度場

為了讓有限元模擬的焊接過程與實際焊接過程相吻合，此次焊接模擬使用到生死單元法。此方法采用生死單元模擬焊縫充填過程中的焊接熱輸入過程，能夠有效地展現(xiàn)出焊縫單元填充的過程[11]。

圖5為每條焊縫焊接過程趨于穩(wěn)定后，焊縫橫截面熔池形態(tài)的溫度云圖。在焊接過程中，熱源模型的集中熱輸入接觸到焊縫后，會讓焊縫材料的溫度快速升至其熔點之上，并會產(chǎn)生穩(wěn)定的溫度場。每條焊縫都經(jīng)歷了相似的焊接熱循環(huán)過程，溫度區(qū)間主要分布在2 0502 150之間。

2.2 應(yīng)力場

為確保焊接完成后，避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。該文采用的焊接方法為：3條焊縫都是由外向里進(jìn)行焊接，這樣能夠防止后一道焊縫的起弧區(qū)與前一道焊縫的收弧區(qū)持續(xù)受熱，避免了焊接過程中的瞬時熱量的聚積，使外界輸入的熱量分散化，能有效減小焊接后的殘余應(yīng)力。

第一道焊縫焊接殘余應(yīng)力如圖6所示，焊接時將兩板的背面進(jìn)行全約束，在經(jīng)過一段時間的冷卻后，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力主要分布在焊縫和熱影響區(qū)的部分，并且呈現(xiàn)明顯的對稱分布。焊縫及其影響區(qū)部分應(yīng)力大部分在250 MPa左右，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力較小。最大的殘余應(yīng)力出現(xiàn)在收弧部分，且最大值為316.7 MPa。

第二道焊縫焊接殘余應(yīng)力如圖7所示，兩道焊縫應(yīng)力的分布有很明顯的梯度變化，焊縫及其影響區(qū)應(yīng)力同樣大多在250 MPa左右。但是，第一道焊縫收弧部分經(jīng)過第二次熱循環(huán)后，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在第一道焊縫的起弧部分，殘余應(yīng)力為281.7 MPa。

第三道焊縫焊接殘余應(yīng)力如圖8所示，由圖8（a）為焊接完成后裝夾釋放前的殘余云圖，裝夾條件與第二道焊縫焊接時相同。第三道焊縫焊接結(jié)束后，溫度冷卻至室溫約20，對第一道焊縫起弧部分的影響不明顯，使得殘余應(yīng)力最大值為281.6 MPa，位置與第二道焊縫完成后的最大殘余應(yīng)力相似。圖8（b）為裝夾釋放后的殘余應(yīng)力云圖，經(jīng)過一段時間的應(yīng)力釋放后，相比于釋放前，應(yīng)力變化較為明顯，焊接殘余應(yīng)力大部分應(yīng)力都在150 MPa以下。且云圖中殘余應(yīng)力基本呈現(xiàn)對稱分布，最大殘余應(yīng)力為367 MPa，位于三條焊縫相交部分附近，焊縫相交部分經(jīng)過3次的熱循環(huán)，雖然經(jīng)過一定程度應(yīng)力釋放，但由于模型結(jié)構(gòu)為半封閉式，使焊縫相交部分產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

3 結(jié)論

（1）在模擬的焊接過程中，每條焊縫都經(jīng)歷了相似的焊接熱循環(huán)過程，溫度主要位于2 0502 150之間。

（2）第一道焊縫焊接結(jié)束后，最大殘余應(yīng)力為316.7 MPa，位于第一道焊縫的收弧部分。第二道焊縫焊接結(jié)束后，第一道焊縫的收弧部分再次經(jīng)過熱循環(huán)后，最大殘余應(yīng)力位于第一道焊縫的起弧部分為281.7 MPa。第三道焊縫焊接結(jié)束后，最大殘余應(yīng)力為281.6 MPa，與第二道焊縫基本相同。

（3）焊接結(jié)束并經(jīng)過裝夾釋放后，焊縫交叉部分經(jīng)過多次熱循環(huán)，使得殘余應(yīng)力最大為367 MPa，位于3條焊縫交叉部分。

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