基于simufact.welding的中厚板多層多道焊數值模擬分析

廣東工業大學 鄭銀湖 宋永勝 鄧 靜

針對中厚板的多層多道混合氣體保護焊在焊接過程中焊接順序對焊接質量的影響，特別是焊接應力導致的焊接形變問題。本文采用simufact.welding焊接仿真軟件對焊接過程進行數值模擬分析，對V型焊縫進行建模仿真分析，得出不同焊接順序對焊接形變的影響。實驗表明：順序焊接比交叉焊接的最終焊接形變量更小，反向順序最終焊接形變量略小于正向焊接形變量。

隨著工業焊接自動化的發展，自動化焊接技術在制造業中發揮著越來越大的作用，但是由于焊接過程是一個受熱不均勻的熱循環過程，焊接過程中冷金屬與熱金屬形變的不一致性導致焊接母材產生焊接應力，進而影響了焊接構件的最終焊接質量。焊接結構破壞事故許多是由焊接應力和焊接變形所引起的。其中，焊接形變和焊接裂紋是最普遍的現象。本文以中厚板三層六道V型焊縫為研究對象，運用simufact.welding焊接仿真軟件研究不同焊接順序對焊接形變的影響，為實際中厚板多層多道焊接提供了指導意義。

1 焊接模型

利用Solidworks 進行焊接三維模型構建，包括了兩塊200mm×200mm×10mm的Q235低碳鋼板、六條焊道且鋼板一側打磨有45°角的坡口。確定好裝配關系后將焊接三維模型保存為parasolid格式文件，再將該模型導入Hypermesh軟件進行網格劃分，獲得其有限元模型，生成bdf格式文件后將其導入simufact.welding幾何模型之中進行仿真實驗。此外，在simufact.welding軟件中繪制焊接構件支撐平臺，并且對焊接構件施加非完全約束，分別位于鋼板的四個頂點用于模擬實際焊接過程中的固定夾具，每個夾具施加以200N的力，方向垂直于鋼板向下。整體焊接有限元模型如圖1所示，焊道有限元模型如圖2所示。

圖1 整體焊接有限元模型

圖2 焊道有限元模型

2 simufact.welding環境參數配置

2.1 熱源模型選擇

常見的焊接熱源模型有高斯熱源模型、橢圓模型和雙橢圓模型。Goldark提出的雙橢球熱源模型由前后兩個不同的1/4橢圓組成，如圖3所示，雙橢球熱源模型相對于橢圓模型能夠更好的模擬實際焊接熱源溫度梯度的變化。且考慮到本研究對象為具有對稱性的V型焊縫，采用雙橢球熱源模型能夠進行更逼真的數值模擬分析，獲得結果與實際焊接結果更為接近。

雙橢球熱源模型由前后1/4橢球模型組成，其前半部分熱流密度分布函數為：

圖3 雙橢球熱源模型

普通電弧焊的熔池的深寬比約為1:1，即d=b。而b通常為熱源斑點半徑，取3.7mm。η為焊接功率，考慮到焊接過程中存在鐵水飛濺情況，實際焊接效率要略低于焊機效率，取0.8。U為電弧電壓（V），I為電弧電流（A），焊接總共分為三層共六道，每一層焊接采用不同的電壓電流。底層焊由于鋼板連接處較薄，為防止焊穿，電弧電壓取17V，電弧電流取100A。中間層電弧電壓保持不變，電弧電流取130A。蓋面焊通常為了焊道厚度略高于焊接平面，都會施以較大功率的熱源，電弧電壓保持不變，電弧電流取159A。

2.2 軟件參數配置

焊槍和鋼板均采用Q235材質，在simufact.welding對應于S235-SPM-sw材料。室溫設置為20℃，焊接速度為10mm/s。考慮重力作用，且重力加速度設置為9.80665m/s2，方向向量垂直向下。設置2個組件，1個支撐平臺，4個工裝夾具以及6條焊接軌跡，焊槍姿態垂直于焊接平面向上，求解器類型為Pardiso Parallel Direct Solver。為了能夠準確獲得冷卻后的鋼板形變結果，工裝夾具、支撐平臺作用時間以及求解器求解時間都要設置得足夠大，取2000s。同時設置13個跟蹤點，如圖4所示，跟蹤點坐標如表1所示。

3 仿真實驗及其結果

本文采用80%二氧化碳和20%氮氣混合氣體保護焊對三層六道焊進行焊接仿真，主要研究焊接順序對焊接形變的影響，分13個追蹤點可以畫出形變量和時間的關系曲線，如圖6可以看出。在方案一中，左鋼板的形變程度小于右鋼板，形變方向向上。且形變量隨著追蹤點與焊縫距離的增加而增加。焊接至第三道焊縫時，焊接構件形變量大幅度增加。即便是在焊接結束后，即170s，由于鋼板余熱的存在，焊接構件仍然會以緩慢的速度逐漸變形，直至鋼板完全冷卻后趨于穩定值。焊件最終最小形變量為0.02mm，最大形變量達到6.26mm。為三個方案，如圖5所示。方案一為交叉焊接，方案二為正向順序焊接，方案三為反向順序焊接。每條焊縫的焊接冷卻時間都為10s，即第一道焊道起止時間為0至20s，第二道焊道起止時間為30至50s，第三道焊道起止時間為60至80s，第四道焊道起止時間為90至110s，第五道焊道起止時間為120至140s，第六道焊道起止時間為150至170s，如圖5所示。

表1 跟蹤點坐標

圖4 跟蹤點分布圖

方案一為交叉焊接順序，根據設置的

圖5 焊接順序方案

3.1 方案一結果分析（見圖6）

圖6 方案一仿真結果

3.2 方案二結果分析

方案二為正向焊接順序，仿真結果如圖7所示，左鋼板的形變程度小于右鋼板，且形變量隨著追蹤點與焊縫距離的增加而增加，最后趨于穩定，與方案一相對比，總體變化趨勢一致。但由于焊接順序的不同，焊件最終形變量最大值為4.86mm，最小形變量為0.02mm，比方案一總體形變量低22.4%。

圖7 方案二仿真結果

圖8 方案三仿真結果

3.3 方案三結果分析

方案三為反向順序焊接，仿真結果如圖8所示。在170s處，即焊接剛剛結束，此時出現了焊接形變的峰值，但是后期由于形變方向以及工裝夾具的作用力，焊件的形變變小，最終趨于穩定值。焊件最終形變量最大值為4.7mm，最小值為0.01mm，略優于方案二。

結論：針對中厚板的多層多道焊接，以三層六道焊為例，焊接順序的不同對焊件最終形變量具有一定的影響。根據三種方案的數值模擬分析結果表明，交叉順序焊接的形變量最大，其次為正向順序焊接，反向順序焊接的最終形變量最小。此外，根據本文方案結果可以進一步推測，只要恰當設置焊道焊接順序，可以最大限度得利用鋼板自身的反形變量與正向形變量相抵消，從而實現焊件總體變形量的最小化。相關實驗和驗證將在后續的研究中進行開展。