基于高斯熱源的T型接頭焊接數值模擬

于亞海 (中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，湖北 荊州 434024)

張錦洲，張林修 (長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434023)

隨著社會生產技術的發展，T型接頭的鋼板在工業生產中的應用越來越廣泛。目前，艦船、橋梁、車輛、航天、航空、鍋爐、電機、電子、冶金、能源、石油化工、礦山機械、起重機械、建筑及國防等各個工業部門的重要結構，都會用到T型接頭焊接構件。

然而，T型接頭焊接溫度場和應力場的數值模擬研究相對較少，且對T型焊接的研究多用雙橢球模型作為熱源[1～3]，很少采用高斯模型，但在實際生產中等離子弧焊等焊接方法采用高斯熱源模型更接近實際情況，因此有必要深入這方面的數值模擬研究工作。

1 計算模型

圖1 網格劃分

圖2 高斯熱源模型

1.1 幾何模型及網格劃分

采用有限元方法對12mm×12mm×120mm的T型接頭建模：先生成點，由點生成線，由線生成面，然后分網、離散化，再把分好網的面生成體。焊縫區及近焊縫區劃分網格較密，而在遠離焊縫區網格劃分較為稀疏。網格劃分如圖1所示。

1.2 材料熱物理性能條件

選用低合金高強度結構鋼s355j2g3，其焊接結構模擬分析屬于瞬態熱分析，s355j2g3的熱物理性能不是恒定不變的，其參數隨溫度的變化而變化。s355j2g3鋼的熱物理性能參數隨溫度變化的關系見參考文獻[4]。

1.3 熱源模型

熱源模型采用3D高斯熱源模型，如圖2所示。采用間接耦合法進行計算：首先根據熱傳導方程得到節點熱流率向量,然后將其做為荷載引入應力場求解方程。3D高斯熱源模式的實質上是一系列平面高斯熱源沿工件厚度方向疊加，而每截面的熱流分布半徑為r，沿厚度方向呈線性衰減[5,6]。高斯熱源函數方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中，q為熱源有效功率，J/s；k表示熱源集中程度的系數，1/mm2；r為圓形熱源內某點與中心的距離，mm。

1.4 焊接參數

采用等離子弧焊、焊接功率為3000W、焊接速度取3mm/s、熱效率為0.6[7,8]進行焊接模擬。

2 溫度場分析

溫度場分布如圖3所示，從圖3可以看到焊接過程整個溫度場的變化狀況：焊接剛剛開始時，焊件升溫迅速，T型結構橫板和立板溫度場基本對稱，橫板焊接熱影響區比立板稍大；10s后焊接加熱過程基本完成，焊件進入冷卻階段，冷速較快，最后焊件各點溫度逐漸降到室溫。

圖3 焊件過程中溫度場分布

隨著焊接熱源的移動，溫度場也隨之發生變化。熱源直接加熱的熔池中部溫度很高，在同一時刻焊縫的不同位置受熱情況不同。在焊縫區及近焊縫區，以熱源為中心，通過對流、輻射、傳導等熱傳遞方式向周圍傳遞熱量，在熱源周圍形成一個相對穩定的溫度場。而在遠離焊縫的母材部位，其溫度變化并不明顯，說明在焊接中這一區域受影響較小。

3 晶相轉變分析

圖4為焊縫末端3645節點以及整個焊縫的溫度循環曲線, 圖5是節點3645的晶相轉變圖。

圖4 溫度循環曲線

圖5 節點3645的晶相轉變圖

從圖5可以看出，節點熱循環曲線與圖4分析的一致，溫度經歷了迅速升溫，到最高溫度后迅速降溫，直至室溫，冷卻速度較快，導致塑性下降，硬度提高。由于s355j2g3含碳量小于0.2%，屬于低合金高強度結構鋼，即原始組織為珠光體。當焊接進行到14s左右時，即達到臨界溫度(500℃到Ms之間)，奧氏體開始向貝氏體轉變，焊到15s左右，奧氏體開始迅速向貝氏體轉變；當焊接進行到19.5s時，溫度降低到Ms以下，開始出現馬氏體；當焊接進行到30s時，轉變逐漸變慢，隨著溫度的不斷下降，直到室溫下最后得到大約71%貝氏體、27%馬氏體及約1%的少量奧氏體。

4 應力場分析

焊接后應力云圖如圖6所示。由圖6(a)可以看出，焊接應力最大值未出現在焊縫上，而是出現在橫板和立板貼近焊縫的熱影響區部位，主要為拉伸應力，其最大值為387.186MPa。由圖6(b)可以看出，焊接應力的最大值出現在焊件的表面，由外到內逐漸衰減。由此也可以判斷，T型接頭橫板和立板的焊接熱影響區是最容易出現缺陷的部位。且焊接應力的數值相當大，但其作用范圍是很小的。隨著離開熱影響區距離的增大，焊接應力則迅速衰減。

圖6 焊后應力云圖

5 結論

1)等離子弧焊焊接熱源可采用高斯熱源模型，模擬結果較好。

2)焊接溫度場和應力場采用間接耦合法進行計算，模擬結果較為準確。

3)T型接頭應力最大值出現在熱影響區，而不是焊縫部位，最大值可達300MPa以上。

4)s355j2g3鋼T型接頭等離子弧焊接，其主要組織為貝氏體，馬氏體次之，其他相較少，且晶粒細小，性能較好。

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