角焊溫度場影響因素的有限元分析

李卓明

（同濟大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

角焊溫度場影響因素的有限元分析

李卓明

（同濟大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804）

本文采用有限元軟件ANSYS對角焊模型的溫度場影響因素進行分析和研究。通過選取三組不同的熱輸入值和焊接速度，運用控制變量法深入了解焊接熱輸入及速度對溫度場的影響。仿真結(jié)果表明，隨著熱輸入值增大，熔合區(qū)在X、Z向上的寬度都會增大，高溫區(qū)在Z向上的寬度也會增大；隨著焊接速度增大，熔合區(qū)和熱影響區(qū)在Z向上的寬度都會減小，高溫區(qū)在Z向上的寬度也會減小。

角焊模型 溫度場 有限元分析

引言

在汽車結(jié)構(gòu)件焊接中，角焊縫是最基本和最重要的接頭形式之一。由于其結(jié)構(gòu)形狀和散熱條件的特殊性，往往焊縫的冷卻速度較快，不僅其根部容易產(chǎn)生未焊透的情況，而且在冷卻后還將形成較大的應(yīng)力集中。因此，研究和掌握角焊的溫度場影響因素便顯得尤為重要。

1 角焊模型溫度場分布

本文選擇了一種簡易支架作為典型的角焊模型。該支架由兩塊鋼板互成直角組成，材料均為16Mn低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，通過采用非均勻網(wǎng)格劃分的方法建立有限元模型，并加載溫度熱源及熱對流載荷。根據(jù)熱量公式及實際焊接參數(shù)，計算確定熱輸入值為1892℃。焊接期間，共經(jīng)歷4段等分焊縫，每段焊縫的焊接時間設(shè)定為1s，且每段焊縫間沒有等待時間，考察經(jīng)歷4s、50s及1060s后的溫度場分布情況。

圖1為焊接熱源在t=4s、50s、1060s時的溫度云圖。

圖1 支架模型溫度云圖

由于存在焊接熱傳導(dǎo)、熱對流的綜合散熱作用，使支架模型的溫度出現(xiàn)階梯式非均勻分布，且在熱源移動過程中，焊件的升溫速度遠大于冷卻速度，最終焊件上各處的溫度趨于某一接近室溫的固定值。

2 熱輸入對溫度場的影響

為研究熱輸入對溫度場的影響，選取3組具有相同焊接速度（15mm/s），熱輸入值分別為1658℃、1892℃、2126℃的參數(shù)，考察經(jīng)歷4s、50s后的溫度場分布情況。當(dāng)t=4s、T1=1658℃時，熔合區(qū)在X向上的寬度約為21mm，在Z向上的單邊寬度約為6mm；當(dāng)T1=1892℃時，熔合區(qū)在X向上的寬度約為42mm，在Z向上的單邊寬度約為6.5mm；當(dāng)T1=2126℃時，熔合區(qū)在X向上的寬度約為47mm，在Z向上的單邊寬度約為7mm。圖2為t=4s時不同熱輸入值的溫度分布曲線圖。

圖2 X、Z向溫度分布曲線圖

焊接冷卻時的溫度場分布可以通過討論高溫區(qū)（300℃-MAX℃）在Z向上的單邊寬度來描述。當(dāng)t=50s、T1=1658℃時，300～423℃區(qū)間在Z向上的單邊寬度約為20mm；當(dāng)T1=1892℃時，300～505℃區(qū)間在Z向上的單邊寬度約為25mm；當(dāng)T1=2126℃時，300～605℃區(qū)間在Z向上的單邊寬度約為28mm。

通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著熱輸入值增大，熔合區(qū)在X、Z向上的寬度都會增大，高溫區(qū)在Z向上的寬度也會增大。

3 焊接速度對溫度場的影響

為研究焊接速度對溫度場的影響，選取3組具有相同熱輸入值（1892℃），焊接速度分別為15mm/s、7.5mm/s和5mm/s的參數(shù)，考察經(jīng)歷第4個、第11個載荷步后的溫度場分布情況。

當(dāng)t為第4個載荷步、v=7.5mm/s時，熔合區(qū)在Z向上的單邊寬度約為6.7mm，熱影響區(qū)在Z向上的單邊寬度約為2.4mm；當(dāng)v=5mm/s，熔合區(qū)在Z向上的單邊寬度約為6.9mm，熱影響區(qū)在Z向上的單邊寬度約為2.6mm。

當(dāng)t為第11個載荷步、v=7.5mm/s時，300～599℃區(qū)間在Z向上的單邊寬度約為27mm；當(dāng)v=5mm/s，300～667℃區(qū)間在Z向上的單邊寬度約為30mm。

圖3為t為第11個載荷步時不同速度的溫度分布曲線圖。

圖3 Z向溫度分布曲線圖

通過分析發(fā)現(xiàn)，隨著焊接速度的增大，熔合區(qū)和熱影響區(qū)在Z向上的寬度都會減小，高溫區(qū)在Z向上的寬度也會減小。

4 結(jié)論

本文通過有限元對比分析，發(fā)現(xiàn)了焊接熱輸入和速度對角焊溫度場變化的規(guī)律，與支架焊接后的實測結(jié)果基本吻合。因此，本文的研究成果為工程應(yīng)用中角焊溫度場的過程控制提供了可靠的指導(dǎo)依據(jù)。

[1]邱葭菲.焊工工藝學(xué)[M].北京：中國勞動與社會保障出版社，2006.

[2]詹尚賢.角焊縫與對接焊縫的差異與存在問題[J].中國鍋爐壓力容器安全，1999，（1）：19.

[3]李志永.挖掘機動臂焊接殘余應(yīng)力分析與焊接順序優(yōu)化[D].長春：吉林大學(xué)，2013.

Finite Eelement Analysis of the Influencing Factors of Temperature Field in Fillet Welding

LI Zhuoming
(automobile college, Tongji University, Shanghai 201804)

In this paper, the finite element method is used to analyze and study the influence factors of the temperature field of the ANSYS diagonal welding model. By selecting three different heat input values and welding speed, the influence of welding heat input and speed on the temperature field is deeply understood by the control variable method. Simulation results show that with the increase of heat input value, the fusion zone in X and Z direction width will increase and high temperature zone in the Z direction width will increase; with the increase of welding speed, width of the fusion zone and heat affected zone in the Z direction can reduce the, high temperature zone in the Z direction width will decrease.

fillet weld model, temperature field, finite element analysis