高強度橋梁鋼Q460q焊接應力場的數值模擬研究

于 燕， 王 立， 賈坤寧

（1.長春工業大學材料科學與工程學院，吉林長春 130012; 2.長春工程學院機電學院，吉林長春 130012）

0 引 言

橋梁在國家基礎建設中具有重要地位，它對質量和建造技術有很高的要求。我國橋梁鋼從最初的16Mnq，15MnVNq到14MnNbq[1]。但是在使用過程中，這些材料缺點也逐漸暴露，因此，未能得到廣泛的推廣應用。Q460q[2]由于具有較高的屈服強度及良好的焊接性能，在橋梁鋼中占據一席之地。

近期，焊接領域的數值模擬技術得到了廣泛的應用和發展。焊接數值模擬的意義在于:根據對焊接現象和過程進行數值模擬，可以優化結構設計和工藝設計，從而減少試驗工作量，提高焊接接頭的質量。

文中運用ANSYS有限元模擬軟件，對高強度橋梁鋼Q460q的焊接工藝參數進行模擬，為實際生產提供了試驗依據。

1 有限元模型

采用ANSYS軟件建模，試件尺寸為200 mm ×1 500 mm×30 mm，材質為Q460q鋼板，有限元模型如圖1所示。

圖1 三維立體圖

焊接溫度場的計算屬于非線性瞬態傳熱問題，材料的熱物理性能參數隨溫度而變化，許多材料的物理性能參數并不齊全，根據文獻[3-4]可得Q460q鋼在20～2 000℃范圍內的熱物理性能參數（包括溫度、密度、比熱、導熱系數、彈性模量、線膨脹系數以及泊松比等）。為了計算的收斂，可以適當地調整高溫時的參數，在計算過程中對高溫時的材料性能參數進行適當地調整，其差一般不大[5]。

劃分網格時一般在焊縫及其附近的部分用加密的網格;在遠離焊縫的區域，可以采用相對稀疏的單元網格;熱影響區自由劃分網格[6]。這樣既可保證對焊縫區域的分析精度，又可實現對不同區域的不同分析。具體網格劃分情況如圖2所示。

圖2 網格劃分立體圖

計算熱應力時所施加的載荷就是溫度場計算的結果，所以只需讀入各節點的應力值即可[7]，這里將其時間步長與應力場計算時的設置一樣，以便于應力載荷的讀入和提高計算精度。焊接過程熔池區金屬處于熔化狀態，即進入零力學性能狀態，其所有應力應變將消失。對此，采用生死單元[8]的方法，在每一步熱應力計算時，將對應的溫度場的計算結果進行選擇，超過熔點的單元令其“死掉”，而低于熔點的單元將其“激活”。

2 焊接應力場模擬結果及分析

根據鋼板材質和板厚，通過文獻[9]可知，林肯雙絲埋弧焊機最合適的焊接參數范圍是:電壓在29～32 V之間，電流在500～600 A之間，焊接速度為5.2 mm/s，電弧有效加熱半徑為 4～6 mm。三層焊接的具體工藝參數見表1。

表1 三層焊接的工藝參數

對焊接工藝分3組進行模擬對照。焊接時間分別為10，20，30，42 s時刻的應力場云圖，如圖3所示。

圖3 第一組模擬時應力場云圖

由圖3中4個不同時間下的應力云圖可以看出，第一種焊接參數下模擬時，焊接時刻為10，20，30，42 s時的應力分布為1.36～1 790 MPa，1.93～2 690 MPa，9.06～3 190 MPa，1.41～2 020 MPa。

第二組模擬時，10，20，30，42 s時刻的應力場云圖如圖4所示。

圖4 第二組模擬時應力場云圖

由圖4中4個不同時間下的應力云圖可以看出，第二種焊接參數下模擬時，焊接時刻為10，20，30，42 s時的應力分布分別為 0.77～2 760 MPa，1.8～3 010 MPa，1.52 MPa～2 660 MPa，1.3～2 670 MPa。

第三組模擬時，10，20，30，42 s時刻的應力場云圖如圖5所示。

圖5 第三組模擬時應力場云圖

由圖5中4個不同時間下的應力云圖可以看出，第三種焊接參數下模擬時，焊接時刻為10，20，30，42 s時的應力分布分別為 1.35～3 430 MPa，1.91～2760 MPa，1.04～3 150 MPa，1.46～3 240 MPa。

3組焊接工藝的應力最大值對比圖如圖6所示。

圖6 3組試驗不同時間最大應力值比較

在圖6的應力場分布對比圖中可以看出，在3個不同的焊接熱功率下，焊縫不同時間的應力變化均呈現波動幅度大小不同的趨勢。

3組試驗顯示的應力場云圖最大應力值中，第二組應力值較小，而且波動比較小，第一組試驗的應力波動較大，第三組試驗最大應力值不僅波動大，而且應力值也最大。從圖3～圖5應力場云圖中可以看出，某一點的焊接應力先增大后又逐漸減小，這都是由于熱源移動到該位置時，發生熱傳導作用使得溫度升高產生熱應力。隨著熱源繼續向前移動，這兩處與室溫空氣發生對流作用，冷卻后溫度降低，熱應力減小。

通過對比選擇第二組工藝，此工藝焊接應力最大值最小，并且應力值波動也最小，是合適的焊接工藝。由模擬得出Q460q埋弧焊三道焊接的具體焊接工藝參數是:焊接速度為5.2 mm/s，三層焊接的最佳焊接熱功率分別為15 000，16 500，18 000 W。

3 結 語

通過對不同焊接速度的焊接應力場的數值模擬，可以優化焊接工藝參數，減少實驗數量。根據應力場模擬結果，在橋梁用高強度鋼Q460q的焊接過程中，三層焊接的最佳焊接工藝參數是:焊接速度為5.2 mm/s，焊接熱功率分別為15 000，16 500，18 000 W。

[1] 陳伯蠡.中國焊接的發展[A].2006鋼結構焊接國際論壇[C].北京:[s.n.]，2006:5-12.

[2] 郭愛民.武鋼新一代橋梁鋼的研制及應用[J].鋼結構，2000，15（3）:53-56.

[3] 安繼儒，田龍剛.金屬材料手冊[M].北京:化學工業出版社，2008.

[4] 譚 真，郭廣文.工程合金熱物性[M].北京:冶金工業出版社，1994.

[5] 崔德立，陳衛華.基于ANSYS的滾齒直齒圓錐齒輪彎曲應力有限元分析[J].長春工業大學學報:自然科學版，2006，27（1）:11-12.

[6] Goldak A，Chakravarti A，Bibby M.A double ellipsoid finite element model welding heat sources [J].IIW Doc.，1985，12:285-301.

[7] 薛忠明.焊接溫度場與應力場模擬的研究進展[J].中國機械工程，2002，13（11）:1-25.

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[9] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M].北京:機械工業出版社，2008.