不同坡口形式平板對接焊接變形的數值分析

摘要：運用有限元分析，采用雙橢球體熱源模型，通過幾何建模、初始與邊界條件的定義等，對平板對接焊結構三維有限元模擬，求解得到焊接應力場，結果表明：焊接過程中等效應力都表現出隨著溫度升高而升高，溫度降低而降低的變化趨勢，且冷卻時應力變化速率較加熱時緩慢，Y型與X型坡口最大等效應力發生的區域相同，X型坡口產生的等效應力小于Y型坡口的值。

關鍵詞：平板對接；X、Y型坡口；焊接模擬；等效應力

中圖分類號：TG404 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2013）02-0042-04

0、引言

焊接溫度、應力和應變場的分布，一直是國內外焊接研究者們極大關注的熱點問題，近年來，有限元方法廣泛應用于焊接熱傳導、焊接熱彈性塑性應力和變形分析、焊接結構的斷裂力學分析等領域，劉曉雪等對平板對接焊進行熔深方向的三維數值模擬，對比了打底焊和三層焊接的焊接溫度場及橫向變形，分析了模擬結果，得到與實際情況相符合的結論，驗證數值模擬的準確性，魏艷紅等通過有限元方法建立模型，計算了二維焊接凝固裂紋溫度場，并研究了焊接規范參數及材料的熱物理性能對溫度場的影響，為進一步進行焊縫金屬凝固裂紋應力應變場的分析奠定了基礎，徐琳等對平板對接多道焊進行了實時三維數值模擬，得到了焊接溫度場、焊后殘余應力分布以及變形，并對模擬計算結果進行了定性分析，對工程實踐有很好的指導意義，目前國內外，對平板對接的數值模擬較多，但至今未發現對不同坡口形式焊接等效應力的相關研究，因此，開展焊接過程焊接熱應力場的數值模擬研究，為控制、調整和減少焊接等效應力提供理論依據，具有一定的學術價值和實際應用意義，本課題對X、Y型坡口的厚板對接進行焊接有限元分析，分析不同坡口形式焊接結構等效應力的影響。

1、物理模型

本文研究對象為Y型及X型坡口對接接頭，坡口角度60°，材料為20鋼，試件的尺寸為：兩塊100mm×50 mm×20mm鋼板。采用4道堆焊的方法進行焊接模擬，厚板對接接頭物理模型如圖1所示，采用平板對接接頭，平焊且焊接速度為30 cm/min。

2、熱源模型

在進行焊接溫度場的數值計算時，研究人員通常將焊接熱源簡化為具有一定分布規律的熱流密度函數，來計算不同焊接過程的溫度場，在現有數值模擬過程中通常采用的熱源模型有3種，高斯熱源、雙橢圓高斯熱源、雙橢球熱源，本文采用了雙橢球熱源模型，此模型適用于開剖口或大熔深的焊縫，其熱源分布形式為：

前半部分橢球熱源表達式：

后半部分橢球熱源表達式：

此模型中熱流密度沿長軸呈高斯熱源分布前半部分是1/4橢球，后半部分是3/4橢球，如圖2所示為雙橢球熱源模型。

3、有限元分析步驟

3.1 幾何建模和網格生成

幾何模型的形狀由焊件的形狀、尺寸大小和坡口形式決定，本文按實際的鋼板尺寸及坡口形式建模，有限元軟件提供了三類網格生成方法：直接生成單元、由幾何形狀自動生成單元、擴展法生成單元，本文結合后兩種方法來生成網格，先將平面生成面單元，再將二維平面單元擴展成三維單元，即得到所需有限元網格模型，模型圖如圖3所示。

3.2 定義材料特性

本模型中鋼板材料選用20鋼，焊縫填充也選用20鋼，金屬材料的物理性能參數如比熱容、導熱系數、彈性模量、屈服應力等一般都隨溫度的變化而變化，由于焊接溫度場的模擬計算屬于非線性瞬態熱分析，所以須給定隨溫度變化的熱物理性能參數：導熱系數、對流換熱系數、比熱容、密度、熔點以及焊件的初始溫度等，但軟件中材料的物理性能參數如泊松比、導熱系數、彈性模量等在材料庫中已經給出。在此沒必要逐一設置，部分需要手動設置的在后面將進行設置。

3.3 定義初始條件與邊界條件

初始條件是在加載前已經具有的條件，如果不定義初始溫度，分析計算時程序自動采用零溫度處理，本文中模型初始溫度定義為25℃，初始給定溫度應施加在所有單元節點上，本文定義三類邊界條件，位移邊界條件，焊接熱流邊界條件和表面分布對流放熱邊界條件，起焊點處限制沿焊縫方向的位移，為保證焊件不發生剛性移動，在遠離焊件處取一點約束所有的自由度，用焊接熱流邊界條件來定義熱源參數、熔池（雙橢球熱源）尺寸、焊接速度，利用表面分布對流放熱邊界條件給定對流放熱系數和環境溫度，對象為所有表面。

4、模擬結果與分析

4.1 焊接過程中厚板應力場分布

本文中整個焊接過程的時間，即熱源移動的時間為40 s，圖4為厚板焊接過程中應力場分布圖，清楚的顯示了焊接初始和終了時，即第40 s時，高溫條件下，等效應力狀態情況，從圖中可以看出焊接剛結束時焊縫處的應力最低，因其處于熔融狀態，只有幾兆帕，可以認為是零應力狀態，而近縫區應力高達幾百兆帕，離焊縫較遠的區域產生的等效應力也相對較小，以上應力模擬結果與實際理論大致相符，焊接過程中焊縫區和近縫區金屬被急劇加熱，溫度較高，焊縫區金屬甚至呈熔融狀態，熔化金屬表現為零應力狀態，而近縫區金屬受熱膨脹，因此表現出較大的等效應力，離焊縫較遠處溫度較低，產生的等效應力相對較小。

4.2 焊接過程中厚板不同區域的應力變化及分析

圖5所示為第40 s時拾取的不同位置節點，Y型坡口中1127為熱影響區（HAZ區）節點，369、325與303依次為母材遠離焊縫方向選取的節點，x型坡口中976為HAZ區節點，346、302與280依次為母材遠離焊縫方向選取的節點，圖6所示為焊接過程中不同區域節點隨時間變化的等效應力曲線，比較Y型坡口與x型坡口等效應力，不難發現，在離焊縫最近的節點處應力的波動最大，而且其他節點的最大應力都小于近縫區節點的應力值，所以只分析近縫區節點的應力變化即可，分析其焊接過程中的相同點和不同點。

1）相同點：

①等效應力趨勢：等效應力表現出隨著溫度升高而升高，溫度降低而降低的變化趨勢，由于在冷卻過程中，焊接過程仍在持續進行，即在冷卻過程中相當于對焊板進行后熱緩冷處理，所以導致冷卻時應力變化速度較加熱時緩慢，兩圖的近焊縫區節點（HAZ區）的曲線變化趨勢可明顯的體現四道焊的焊接過程。

②極大值點分析：Y型坡口HAZ區節點在24 s時等效應力達到最大，X型坡口HAZ區節點在25 8時等效應力達到最大，達到最大等效應力的時間相似。

③位置分析：最大等效應力發生于HAZ區節點處。

2）不同點：

①通過圖6（a）、（b）的比較發現HAZ區節點1127處Y型坡口最大應力值為332.7 MPa、X型坡口最大應力值為331.1 MPa，X型坡口的最大等效應力要小于Y型坡口的最大等效應力。

②圖6（a）中Y型坡口節點369的等效應力值在40 s時達到焊接最大等效應力332.7 MPa，而圖6（b）中x型坡口節點346的等效應力值在40 s時卻仍未達到其焊接最大應力331.1 MPa，同時x型坡口其他節點在同一時間的等效應力也要小于Y型坡口相應節點的等效應力，通過圖6兩圖的比較可知x型坡口更利于工程實踐。

4.3 焊接過程終了時不同坡口厚板的應力分析

圖7為焊接過程終了時（40 s）x型及Y型坡口焊件的等效應力曲線，由圖可見焊后Y型坡口的最大等效應力發生在HAZ區節點4172、386處，最大等效應力為378.1 MPa，X型坡口的最大等效應力發生在HAZ區節點2049處，最大等效應力為356.5MPa，相同的焊接條件下，最大等效應力都發生在HAZ區且Y型坡口在焊后的等效應力較大。

5、結論

1）本文模擬的Y、X型坡口焊接的整個過程中，等效應力都表現出隨著溫度升高而升高，溫度降低而降低的變化趨勢，且冷卻時應力變化速率較加熱時緩慢。

2）在焊接過程中X、Y型坡口最大等效應力都發生在HAZ區，隨著與焊縫區距離的增大，其等效應力值逐漸減小，且X型坡口在HAZ區產生的等效應力小于Y型坡口在相近位置的相應值，X型坡口較Y型坡口更利于工程實踐。