基于ABAQUS厚板對接接頭焊接變形的數值模擬*

石偉剛

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741000）

焊接作為一種材料連接的方法，由于焊接件剛性好等優點，所以其在制造業領域中應用非常廣泛。但焊接是對工件進行局部加熱，工件在受熱不均勻的情況下會或多或少地出現變形的現象，尤其是在焊接一些厚大工件時，焊后很難將焊接引起的變形矯正過來，降低了工件的精度進而影響工件的裝配。

為了把焊接變形控制在技術條件允許的范圍內，就要研究在焊接過程中引起焊接變形的主要影響因素——焊接殘余應力。如果采用大量的試驗來研究焊接殘余應力對焊接變形的影響規律，無疑會導致大量人力、物力的浪費，因此如果能夠采用軟件模擬的方法來預判焊接接頭的變形，對生產實踐將有重要的參考價值。

1 鋼板焊接過程數值模擬

本文通過間接耦合的方式，采用熱彈塑性法對鋼板焊接的熱力進行數值模擬，首先對焊接傳熱過程進行數值模擬，計算出焊接加熱和焊后冷卻過程中每一瞬間工件的溫度場，然后以溫度場計算結果為前提條件輸入熱彈塑性有限元分析程序，對焊接應力和焊接變形進行模擬計算[1]。

從理論上講，利用熱彈塑性法對焊接熱力進行模擬，不但可以計算出每一瞬間的焊接溫度場，而且還能計算出逐個時間段由溫度變化而引起的應力應變增加量，從而得到焊接殘余應力與變形。但是實際焊接過程是一個相當復雜的熱-力兩種不同物理場的耦合過程，所以在焊接過程的數值模擬中一定要考慮非線性的問題[2]。

1.1 有限元建模（焊縫模型的選?。?/h3>

本文研究厚板對接接頭焊縫的變形問題，為了便于研究和觀察焊接熱循環過程及變形歷程，文中選取2塊尺寸（長、寬、厚）為300 mm×150 mm×20 mm的Q345鋼材為模擬對象，并對鋼板開坡口后進行組裝，Q345材料的熱性能參數如表1所示。

表1 鋼材性能參數

焊縫模型劃分網格時，考慮到焊縫區及熱影響區溫度高、梯度大，焊接應力與應變變化大，所以網格劃分應該細密一些；反之遠離焊縫及熱影響區的部分則采用稀疏粗大的網格，如此不僅可以保證模擬結果的可靠性，同時也能減少計算量，提高模擬分析的效率。

在模擬計算模型的溫度場和應力場過程中，網格具體劃分如下：近縫區的細密網格單元取縱向尺寸為2.0 mm，橫向尺寸為2.0 mm，厚度方向尺寸為2.0 mm；遠離焊縫的區域粗大網格單元取縱向尺寸為4.0 mm，橫向尺寸為4.0 mm，厚度方向為4.0 mm，模型網格劃分如圖1所示。在分析模型溫度場時，選擇單元類型為線性8節點熱傳導單元DC3D8，分析模型應力應變場時，選擇單元類型為C3D8，在整個分析過程中，以溫度場分析所得的各節點溫度作為載荷作用在力學模型上，進行應力應變的計算分析[3]。

圖1 模型網格劃分

1.2 溫度場計算熱源模型選取

為了使模擬結果更加準確合理，結合在厚板實際焊接時熔深大、焊接速度快的特點，文中選取雙橢球形體熱源模型為溫度場計算熱源[4]。

1.3 邊界條件

溫度場分析邊界條件的設置，要根據焊接工件所處的實際情況而定，需要根據焊接工件周圍的溫度情況以及焊接工件和周圍環境的換熱方式、換熱系數來確定。應力應變場分析邊界條件的設置，一方面要防止焊接工件剛體位移，另一方面不能影響焊接工件的自由變形[5]。

文中采用間接法進行熱力耦合計算，因此溫度場分析不必考慮焊件受力情況，僅考慮自身傳熱條件。文中采用生死單元格類型，在模擬計算過程中熱量的傳遞主要以表面熱交換進行，其次有表面輻射散熱，考慮熱輻射對熱傳遞的影響，熱導率按表1取值，膜層散熱系數取0.033，表面輻射因子（發射率）取0.85，環境溫度為20 ℃[6]。

2 數值模擬結果分析

2.1 溫度場仿真結果及分析

在焊接過程中，在熱源的作用下工件上各點的溫度隨時間而變化，引弧階段工件溫度變化較為劇烈，電弧穩定燃燒時工件溫度通過急劇上升而趨于穩定，從焊接模擬溫度場云圖上可以看到溫度的變化規律。如果忽略溫度場不穩定的引弧和收弧階段，在穩定焊接時焊縫溫度場中心最高溫度達到2 460 ℃，遠離溫度場中心區域溫度逐漸降低。

為了方便觀察焊接模擬過程中的溫度場分布情況及變化規律，在模擬溫度場時選取模型的一半進行模擬計算。圖2為第一層焊接時的溫度場分布情況，圖3為全部焊接完時的溫度場分布情況，為了模擬的準確性和精確性，模擬過程采用生死單元法逐層激活單元格[7]。從溫度場云圖中可以看出，在熱源中心溫度最高，遠離熱源中心部位溫度逐漸降低并呈一定規律變化，熱源前面為密集分布的橢圓形等溫線，熱源后面是分布較為稀疏的橢圓形等溫線，熱源前后橢圓形等溫線半徑大小存在差異但又在熱源左右側銜接組成一個不規則的橢圓形，在空間上焊接溫度場形狀與雙橢球形熱源模型相近，保證了以溫度場為前提計算應力-應變場的可靠性，有效提高了數值模擬在焊接工藝優化過程中的可靠性與結果的準確性[8]。

圖2 第一層焊接時的溫度場云圖

圖3 全部焊接完時的溫度場云圖

焊接過程中溫度場的分布情況會影響焊接接頭中的應力狀態及殘余變形，同時焊接熱影響區溫度場的分布情況也會影響焊接接頭的塑性變形。

2.2 應力場仿真結果及分析

在保證熱、力分析模型網格劃分一致的情況下，將溫度場模擬分析時的熱分析單元轉化為力分析單元[9]，并將溫度場模擬結果數據導入應力分析模型中進行彈塑性分析，為了方便觀察焊接模擬過程中的應力場分布情況及變化規律，在模擬溫度場時選取模型的一半進行模擬計算，得到模型焊接過程中應力分布情況。在模型上取2條平行焊縫、2條垂直焊縫的路徑，并繪制焊接殘余應力曲線，得到如圖4所示的殘余應力分布曲線圖。

圖4 不同路徑焊接殘余應力分布曲線圖

從以上焊接殘余應力分布情況可以看出，焊縫中部分區域殘余應力值高于母材的屈服強度，這些區域將會發生不可逆的塑性變形，這些變形會留存在焊件中，最終導致焊件發生形狀尺寸的變化即焊接殘余變形。

2.3 焊接變形分析

焊接過程中焊件溫度變化大、溫度分布不均勻，尤其是焊縫及附近高溫區溫度梯度特別大。在焊接加熱過程中，這些區域受熱產生膨脹，并帶動附近區域也產生膨脹，但是在焊后冷卻階段，原來的高溫區由于溫度快速降低、伴隨有劇烈的冷卻收縮，遠離焊縫區域由于溫度變化緩慢而沒有產生較大的收縮變形，最終焊件整體以焊縫為中軸發生翹曲變形[10]。變形云圖如圖5所示，其中圖5（a）為焊完第一層的變形云圖，變形量最大處為3.783 mm；圖5（b）為全部焊接結束時的變形云圖，變形量最大處為7.255 mm，可以看到焊接殘余變形伴隨整個焊接過程，并且焊接殘余變形量會累計疊加。

圖5 焊接殘余變形云圖

3 結論

1）研究模型中焊縫區及近縫區焊接殘余應力較大，部分區域應力值超過母材的屈服強度值，從而促使這些區域發生不可逆的塑性變形，符合實際焊接時的規律。

2）對于焊接殘余變形，利用生死單元技術可以更準確地計算出焊接變形量的大小，可以為結構復雜焊接件的生產工藝提供一定的技術支撐。