輸電桿塔塔腳主筋板不同焊接工藝方案的溫度場仿真及對比分析

陳紅武，胡紅中，王 朋，陳 華

（武漢鐵塔廠鋼結構研究所，湖北 武漢430011）

輸電桿塔塔腳主筋板不同焊接工藝方案的溫度場仿真及對比分析

陳紅武，胡紅中，王 朋，陳 華

（武漢鐵塔廠鋼結構研究所，湖北 武漢430011）

建立了輸電桿塔塔腳主筋板焊接的有限元模型，分析了不同焊接工藝方法下輸電塔塔腳主筋板多層堆焊傳熱過程中溫度場分布。選取并對比分析了從主筋板中心底部到頂端的一條路徑上的不同時刻溫度梯度分布，結果顯示，采用來回對稱焊接的方式可以降低焊接過程中上述路徑上的溫度梯度，從而有利于減小變形和應力。研究結果對隨后塔腳主筋板應力場的分析奠定了基礎，對輸電鐵塔塔腳的焊接工藝優化有一定的指導作用。

輸電桿塔塔腳；焊接；有限元分析；溫度場；對比

0 引言

焊接作為一種高效簡單的連接方式被廣泛應用于車輛、橋梁、船舶、航空等制造業，但是由于焊接后因溫度變化產生的殘余應力和變形一直是焊接行業亟待解決的難題，因此焊接溫度場分布問題一直是國內焊接研究者關注的熱點[1-5]。近年來有限元數值模擬分析被廣泛地應用在焊接領域，在輸電鐵塔中，塔腳的焊接質量直接關系到輸電系統的穩定[3-7]。在一些極端惡劣條件或者設計安裝不合理的情況下，致使焊接結構失效，輸電鐵塔塔腳可能斷裂，引起輸電塔倒塌，造成電力中斷，引起諸多不便，故輸電鐵塔塔腳的設計、質量和性能對電力系統的正常穩定運行有著舉足輕重的影響。塔腳的設計，必須從實際出發，結合地區特點，設計出安全合理的結構和焊接工藝。目前國內外對焊接的研究有很多，如吳文烈[4]對平板對接焊縫變形的數值模擬，得出了不同約束方法對模擬結果的影響和焊接變形受焊接件尺寸大小的影響，張利國[5]和黎超文[6]對T型接頭焊接殘余應力數值模擬及強度分析，計算焊接溫度場的分布規律，并以此為基礎計算焊后殘余應力的分布規律，還有多焊縫管板，工字鋼端板和地鐵構架多道焊接等的模擬分析較多，但這些結構大多都較簡單且焊道長度較短和數量也較少，至今對輸電桿塔塔腳焊縫多層焊接溫度場分析的相關研究較少。

本文在前人研究的基礎上運用ANSYS對輸電桿塔塔腳焊接傳熱過程進行了有限元分析模擬，得出了溫度場分布和溫度梯度分布數據，并對不同焊接工藝進行了對比，其分析結果可以作為實際的生產的指導和后續熱應力分析以及焊接工藝優化的基礎。

1 塔腳有限元模型

1.1 塔腳有限元模型的建立

輸電鐵塔的塔腳模型較為復雜，利用SolidWorks三維軟件進行建模，并保存為ANSYS支持的x-t格式。為了便于有限元分析計算，采取一定簡化手段，如去掉一些不影響分析結果的安裝孔和倒圓、倒角，簡化后模型如圖1所示。為了使焊接分析結果準確，提高計算機計算效率，對模型進行了切割處理，使焊縫及其附近區域六面體映射網格劃分較細（控制單元長度為1 mm），其它區域采取較粗自由網格劃分，這種方式減少了總體的網格數量，縮短了計算時間，最終網格劃分如圖2所示。

圖1 塔腳三維實體模型

圖2 塔腳有限元模型

1.2 材料及工藝參數

母材材質為Q345C，焊絲用ER50-6，焊絲直徑φ1.2 mm，其中考慮到熔融金屬的對流作用，因此在溫度大于熔點之后，通過提高導熱率的方法來考慮對流作用帶來的傳熱加速。焊接方法采用GMAW，保護氣體100%CO2，初始溫度和環境溫度均為28℃，焊接電壓28 V，焊接電流250 A，焊接速度4 mm/s.

1.3 邊界條件及熱源模型

邊界條件主要是熱對流和熱輻射，本文采用的是熱對流和熱輻射混合邊界條件，其表達式如式（1）所示[8-10]：

式中k為熱傳導系數，n為法向單位矢量，ε為熱輻射率，α為斯蒂芬-玻爾茲曼常數（α=5.67 W/（m2·K4）），Tamb為環境溫度，hconv為對流換熱系數。

本文熔積成形實驗中運用MIG焊機作用熱源，所以選用體熱源模型中的雙橢球熱源模型可以更好的反應實驗中的熱量輸入，較為準確的反映焊接中的溫度場變化[11-12]。雙橢球熱源模型表達式如式（2）和（3）所示。模擬過程中，建立基于局部坐標系的熱源模型，并通過移動局部坐標系的方式模擬焊槍的移動。

上式中，ff與fr分別為熱流密度的分布函數，其中ff+fr=2；η為焊接熱效率；U為輸入電壓；I為輸入電流；af、ar、b、c 為橢圓熱源模型的形狀參數[13-14]。

2 焊接方案和計算結果及分析

2.1 焊接方案的介紹

輸電鐵塔塔腳主筋板有四條豎直焊縫（ABCD），采用多層堆焊，每條焊縫焊接分三層:打底層、填充層、蓋面層。示意圖如圖3所示。

圖3 焊縫分布示意圖

原始的焊接工藝方案：先全部焊完一側一道焊縫（每道三層堆焊，連續焊接不冷卻），再焊接其對側焊縫，即先焊接完A，再焊BCD（見圖3順序編號焊接），且每次焊槍移動方向相同，具體每層堆焊順序見圖4.

圖4 塔腳原始焊接順序俯視圖

優化工藝方案1的焊接順序如圖5所示，每次焊接一道焊縫的一層，再焊接其對側焊縫的一層，即先按ABCD順序焊完打底層，再焊填充層，最后焊蓋面層，每層焊接方向不變，如圖6所示。

圖5 優化方案成對焊縫焊接方向俯視圖

圖6 工藝優化方案1成對縫焊接順序

工藝優化方案2與優化方案1焊接順序相同如圖5所示），不同的是每次堆焊的焊接方向與其相鄰層的焊接方向相反，具體方向參考圖7.

圖7 工藝優化方案2成對縫焊接順序

2.2 溫度場分析結果對比分析

2.2.1 原始工藝

圖8為塔腳原來方案焊接過程中豎直筋板的豎直焊縫焊接中第66 s、90 s時刻的溫度場分布，可以看到焊接過程中熱源位置溫度最高，距離熱源越近的位置，等溫線越密集溫度梯度越大。隨著焊接過程的進行，工件上的高溫區域逐步擴大。由于工件的表面積較大，散熱較好，溫度持續的向遠離熱源點的焊件擴散，因此焊接過程中，沒有出現較為明顯的熱累積，熔池峰值溫度沒有出現急劇的上升。

圖8 原始工藝不同時刻溫度場分布

2.2.2 優化方案1、2

圖9為優化方案1的焊接歷程中不同時刻的溫度場分析結果，圖10為優化方案2的焊接歷程中的不同時刻的溫度場分析結果，對比上述兩種方案可以清晰的看到：方案1熔池高溫均從下往上，即按照同一焊接順序，而方案2由于相鄰的焊縫的焊接層焊接方向相反，因此熔池高溫走向在不同時刻呈現不同的趨勢；靠近熱源位置的溫度變化大，遠離熱源位置的溫度變化小。

圖9 優化方案1不同時刻溫度分布

圖10 優化方案2不同時刻溫度分布

2.2.3 三種焊接方案對比分析

為了詳細對比原始方案、優化方案中主筋板正中心溫度梯度隨時間的變化，如圖11所示取從主筋板中心頂部到底板的一條路徑path1，分別提取第12 s～144 s中間不同時刻path1上的不同時刻溫度梯度的分布并進行分析。

圖11 所取路徑示意圖

圖 12 為 48 s、84 s、120 s、144 s五個時刻上述三種工藝方案（其中-0、-1、-2分別表示原方案、優化工藝方案1和優化工藝方案2）path1上的溫度梯度的橫向對比?？梢钥吹?，除了12 s時刻三種相同外，其他時刻兩種優化工藝方案的溫度梯度峰值均小于原焊接工藝方案，其中優化方案2峰值最低。

圖12 三種方案第一時間系列的溫度梯度對比

3 結論

對輸電桿塔塔腳主筋板焊接的傳熱過程進行了有限元分析，并對比分析了不同焊接工藝方案下的焊接溫度場分布以及特定路徑上的溫度以及溫度梯度分布，得到以下結論：

（1）溫度場對比顯示，優化的溫度變化更趨于平穩，溫度梯度降低，從而有利于降低材料的收縮和拉伸變形，減小最終的變形和應力。優化工藝方案2相鄰焊道是交錯焊接，因此高溫度梯度范圍分布相比均勻、對稱，有利于改變單向變形，因此更有利于平衡和協調雙向變形。

（2）path1上的溫度梯度的橫向對比顯示，兩種優化工藝方案的溫度梯度峰值均小于原焊接工藝方案，其中優化方案2峰值都最低。由上述溫度場和溫度梯度對比分析后推理可知，增加焊接層與層之間合理的等待冷卻時間，有利于熱量的均勻擴散和減小工件的溫度梯度，從而有利于減小工件的殘余應力和變形。

[1]許海玲，劉小平，姜智超，等.基于ANSYS模擬不同參數對20 鋼焊接溫度場的影響[J].熱加工工藝，2011，40（15）：122-124.

[2]張華波，劉志義.焊接溫度場和應力場的有限元分析[J].石油和化工設備，2016，19（9）：27-30.

[3]付 強，黨麗麗，吳海濤.工字梁焊接溫度場的數值分析[J].機械工程師，2016（5）：242-243.

[4]吳文烈，鄭惠錦，劉 鵬，等.輸電線路鐵塔塔腳機器人焊接工藝方法及性能[J].焊接，2015（9）：41-44.

[5]張利國，姬書得.分段焊接順序對T形接頭殘余應力場的影響[J].焊接學報，2006，27（12）：110-112.

[6]黎超文，王 勇，韓 濤.焊接順序對T形接頭殘余應力和變形的影響[J].焊接學報，2011，32（10）：37-40.

[7]李敬東.選擇合理的焊接順序是制定焊接工藝的關鍵[J].內蒙古水利，2002（4）：116-116.

[8]鹿安李.厚板焊接過程溫度場應力場的三維有限元數值模擬[J].中國機械工程，2001，12（3）：183-185.

[9]戴晴華，季 鵬，殷晨波，等.焊接順序對中厚板對接焊殘余應力的影響[J].機械設計與制造，2011（7）：64-66.

[10]薛小龍，王志亮，桑芝富，等.T形焊接接頭的三維有限元模擬[J].中國機械工程，2005，16（9）：811-815.

[11]謝元峰.基于ANSYS的焊接溫度場和應力的數值模擬研究[D].武漢：武漢理工大學，2006.

[12]王長利.焊接溫度場和應力場的數值模擬[D].沈陽：沈陽工業大學，2005.

[13]王 強.厚板焊接溫度場與殘余應力場有限元分析[D].武漢：湖北工業大學，2015.

[14]汪媛媛.薄板單面焊接溫度場的數值分析[D].上海：上海交通大學，2014.

Temperture Field Simulation and Comparative Analysis for Different Welding Process of Main Ribs of Tower Foot of Power Tower

CHEN Hong-wu，HU Hong-zhong，WANG Peng，CHEN Hua
（Wuhan Steel Tower Institute,Wuhan Hubei 430011，China）

This paper establishes finite element model of main ribs of tower foot of power tower，and analyzes the distribution of temperature field distribution for different welding process of main ribs of tower foot of power tower.A path at center of main ribs starting from the bottom to the top is chosen to analyze the temperature gradient distribution.The comparative analysis results show that symmetric and staggered welding can reduce the temperature gradient in the process of welding on the above path，which is able to reduce deformation and stress.The simulated results lay the foundation for later analysis of the stress field，and provide guidance for the optimization of transmission tower welding process.

the tower foot of power tower；welding；finite element analysis；temperature field；comparation

TH164

A

1672-545X（2017）10-0072-05

2017-07-19

陳紅武（1966-），男，江蘇無錫人，本科，工程師，研究方向：焊接工藝。