波形鋼腹板梁T形接頭焊接溫度場分析

冀偉，張鵬，姜紅

(1.蘭州交通大學，蘭州 730070；2.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222；3.甘肅博睿交通重型裝備制造有限公司，蘭州 730087)

0 前言

波形鋼腹板鋼箱梁橋因其自重輕、力學性能好和造形美觀等特點，近年來在國內公路橋梁建設中得到廣泛應用[1]。焊接作為該構件連接的主要方式，其焊縫質量的好壞對結構安全性能有著重要的影響[2]。盡管焊接結構具有連接強度剛度高、節約鋼材、加工方便等優點，但鋼結構在焊接過程中的不均勻加熱和冷卻，會在其內部產生焊接殘余應力及焊接變形。而焊接殘余應力和殘余變形的存在對結構的完整性、應力腐蝕開裂、結構的承載能力和服役壽命等都有顯著影響[3-5]。除此之外，焊接熱過程直接決定了焊縫和熱影響區焊后的顯微組織及其變化，因此焊接溫度場能夠比較全面和深入反映焊接質量[6-7]。焊接熱源作為焊接模擬過程中的一個重要因素，其類型和相關參數選擇的正確與否會直接影響瞬時焊接溫度場的計算精度。正確選擇焊接熱源對整個焊接模擬過程意義重大。在焊接模擬過程中應用最多的是雙橢球熱源，雙橢球熱源分布函數復雜，參數較多，計算結果相對于其它熱源更為準確。

國內外學者已經做了一系列的研究，包括焊接溫度場、焊接殘余應力和殘余變形等各個方面。方平等人[8]利用有限元軟件SYSWELD研究了焊接順序對薄壁箱梁焊接殘余變形和殘余應力的影響，并分析了焊縫和熱影響區的組織；陳麗等人[9]通過MSC.Marc有限元軟件模擬了Q235鋼的焊接過程，分析了焊接工藝參數對焊接接頭溫度場的影響；劉國寧等人[10]利用Simufact Welding焊接仿真分析軟件，對4種不同焊接順序下的T形接頭焊接溫度場、應變場、應力場進行了數值模擬；衛軍等人[11]以滬通長江大橋正交異性鋼橋面板與U肋焊接為例，利用有限元軟件ANSYS分析了焊接過程中的溫度場和應力場；Pasternak等人[12]專注于厚板焊接工字梁的殘余應力；Moradi等人[13]研究了不同焊接順序對方形空心T形鋼接頭強度的影響。上述學者僅采用數值模擬的方法研究了焊件焊接過程溫度場、應力-應變場的分布規律，其數值模擬的正確性和可靠性得不到保證。

Jiang等人[14]采用ASTM鉆孔法測量了兩個高強鋼板組成的T形接頭焊縫附近的殘余應力分布，研究了軸向載荷、平面內彎曲和平面外彎曲條件下焊縫周圍應力集中因子的分布。Hocine等人[15]使用不同體熱源模型對Ti6AL4V選區激光熔化成形過程進行了計算，結果表明，各種熱源模型計算得到的熔池尺寸與試驗結果都存在一定偏差；強斌等人[16]基于ABAQUS軟件研究了鋼橋對接接頭焊接殘余應力及變形場的分布規律，并對模擬結果進行了試驗驗證；張曉鴻[17]及黃逸飛等人[18]使用復合熱源模型成功對低合金深熔MIG焊及鋁合金脈沖TIG焊溫度場及應力場進行了模擬，并通過試驗驗證了模擬結果的可行性，深入研究了焊接過程中溫度及應力分布規律；喬及森等人[19]使用組合熱源模型對高強鋼Ⅰ型三明治板T形接頭焊接溫度場及應力、變形場分布進行模擬，并通過試驗驗證了模擬結果的正確性；董平等人[20]和郭柱等人[21]分別對鋁合金攪拌摩擦焊的焊接溫度場和應力場進行了三維有限元模擬，并分析了攪拌頭轉速對于焊接溫度場的影響程度。盡管上述學者在數值模擬的基礎上進行了試驗驗證，但所做的大都是針對直線焊的研究，而對波形鋼腹板曲線焊的研究很少。

鑒于此，文中通過焊接仿真軟件Simufact Welding，選取雙橢球移動熱源，對波形鋼腹板T形接頭用CO2氣體保護電弧焊模擬其焊接過程，分析了焊接溫度場的分布規律，同時在數值模擬過程中提取控制點的溫度與試驗實測溫度進行對比，從而驗證分析過程的可行性及模擬結果的正確性。

1 熱源模型

1.1 傳熱數學模型

焊接過程焊接件受到熱源作用局部快速加熱，高溫停留時間短暫，熱源離開后冷卻速度快。同時伴隨熱源的不斷移動，焊件在時間和空間發生不斷急劇變化，而且在瞬時高溫情況下材料的熱物理性能隨溫度變化呈非線性，因此焊接溫度場的計算是典型的非線性瞬態熱傳導問題[22]。

非線性瞬態熱傳導問題的控制方程[23]為

(1)

式中：x，y，z為坐標分量(m)；t為傳熱時間(s)；ρ為材料密度(kg/m3)；c為材料比熱容(J/(kg·K))；λ為材料熱傳導系數(W/(m·K))；T為材料瞬態溫度(K)；Qn為材料本身體內部產生的熱量(J)。

1.2 熱源數學模型

熱源模型的選取對焊接結果有很大的影響，文中結合CO2氣體保護電弧焊的特點及焊件尺寸，選取雙橢球熱源模型進行焊接過程模擬。該熱源模型在各種熔化焊接的溫度場模擬中都得到廣泛應用，沿著焊接方向,雙橢球熱源分為兩部分[24],如圖1所示(圖中af為熱源的前軸長，ar為后軸長，b為熱源寬度，d為熱源深度，一般情況下后軸長ar為前軸長af的2～4倍)。

圖1 雙橢球熱源模型

雙橢球熱源的熱流密度分布表達式[25]為

(2)

(3)

式中：qf為橢球體前半部分的熱流分布；qr為橢球體后半部分的熱流分布；q0為熱輸入，且q0=ηUI，η為熱效率，其取值范圍見表1，文中取η=0.85；U，I為電學參數電弧電壓和焊接電流；ff，fr為熱流密度分布系數，ff+fr=2。

表1 各種弧焊方法的熱效率系數

2 參數配置模型建立

2.1 軟件參數配置

模型由焊件(plane+web)、支撐平臺(Bearing)、固定裝置(Fixing)、夾裝(Clamping)和焊道(Node-set-fillet)5部分組成。焊接采用CO2氣體保護電弧焊，焊件材料為Q345D，對應軟件中的材料S355J2G3，其相關熱學參數曲線如圖2所示。環境溫度20 ℃，焊接電流300 A，焊接電壓40 V，焊接速度3.5 mm/s，焊絲為氣體保護焊專用焊絲，直徑1.2 mm，伸出長度為15 mm左右，運條方法為直線運條，二氧化碳流量15～25 L/min，電弧長度控制在6 mm，焊條與焊件的夾角矢量坐標(x，y，z)為(0，1，1)，雙橢球熱源參數為前軸af=10 mm，后軸ar=30 mm，寬度b=15 mm，深度d=16 mm，求解器類型為Pardiso Parallel Direct Solver，上述參數由博睿工廠實測所得。

圖2 S355J2G3熱學參數隨溫度變化曲線

2.2 有限元模型建立

圖3為波形鋼腹板鋼梁焊接實物圖，該型號鋼梁由上下底板和波形腹板組成，每個波段長為1 200 mm，選取一個波段，且不包含上底板的鋼梁進行焊接溫度場的分析，其焊件具體尺寸如圖4所示。

圖3 波形鋼腹板鋼梁焊接實物圖

圖4 焊件幾何尺寸(mm)

建立有限元模型時，首先在軟件SolidWorks2016中進行實體模型建立，該模型主要由組件1-腹板和組件2-底板構成，組件1的幾何尺寸為1 200 mm×800 mm×16 mm，組件2的幾何尺寸為1 200 mm×500 mm×29 mm；然后在HyperMesh軟件中進行實體網格劃分，在此過程中為使計算精度得到保證，故整個模型均采用六面體網格劃分；最后在焊接仿真軟件Simufact Welding中進行焊接參數配置和焊接過程模擬，建立好的焊接有限元模型如圖5所示。

圖5 焊接有限元模型

3 結果分析

3.1 溫度場分析

從Simufact Welding的焊接監控器中得到焊接過程熔池形貌及溫度場云圖如圖6所示，由圖可知，焊接路徑熱輸入充足，焊縫熔深適中，底板和腹板連接良好，且沒有熔透現象發生。

圖6 焊接過程熔池形貌及溫度場云圖

圖7為焊接過程峰值溫度分布，從圖7可以看出，焊縫處的最高溫度達到材料的熔點1 500 ℃，由此判斷所選雙橢球熱源的熱輸入符合焊接要求，能夠使底板和腹板連接到一起。

圖7 焊接過程峰值溫度

圖8為焊接過程試件溫度場分布，從圖8可以看出，焊接過程中，隨著焊縫填料的生成和熱源的加載，焊縫中心及附近溫度迅速上升，試件的溫度梯度也急劇增大。由于焊接溫度場是關于時間的函數，所以隨著熱源的移動，焊接溫度場不斷發生變化，但總的變化規律基本不變，呈現出的等溫線在熱源前方密集，后方稀疏，形狀為不規則的封閉橢圓形，這與實際焊接過程的熱傳遞類似。其中圖8a為開始焊接時刻的起弧階段，圖8b為焊接一段時間以后的穩態階段，圖8c為焊接即將結束時刻的收弧階段。

圖8 不同時刻焊件溫度場分布

圖9為冷卻過程試件溫度場分布，從圖9可以看出，冷卻過程中隨著熱源的移除，焊縫中心及附近的溫度快速下降，試件溫度梯度也迅速降低，試件溫度場輻射范圍越來越大。冷卻到500 s時，試件的最高溫度為302.77 ℃，此時溫度場在腹板的輻射范圍為98 mm；冷卻到800 s時焊件最高溫度為60.21 ℃，溫度場輻射范圍為249 mm；冷卻至1 200 s時試件整體溫度下降至接近室溫24.72 ℃左右，溫度場輻射范圍為450 mm，且這3個時刻的溫度場都表現出一定的梯度。

圖9 冷卻過程試件溫度場分布

3.2 試驗驗證

3.2.1焊接熱影響區分布對比

鋼板焊接過程主要分為3個區段，分別為焊縫區、熔合區和熱影響區。由于熱影響區距離熱源中心的距離不一樣，組織分布和性能也不均勻，從而表現出一定的梯度[26]。通過對比試驗結果和模擬結果發現，試件在焊接后所呈現的熱影響區分布形態相近，都為封閉的不規則橢圓形，沿焊接前進方向都表現一定的溫度梯度，其中焊接部位溫度最高，由此說明數值模擬所選用的熱源可靠，熔池分布合理。試件焊接熱影響區分布如圖10所示。

圖10 焊接熱影響區分布

3.2.2試驗結果與模擬結果對比

為了驗證焊接溫度場模擬結果的正確性，在試驗階段選取圖11a所示的溫度采集點，利用紅外測溫槍采集焊接過程和冷卻180 s之后的焊縫、腹板和底板相關測點的溫度，以焊縫為中心向腹板和底板每隔5 cm布置一個測溫點，總共布置3排，現選取腹板最中間的測溫點進行分析，將所得的測點溫度與模擬所得的結果進行對比，其測點布置為腹板由下到上6個測溫點，底板由內到外4個測溫點，加上焊縫位置的1個測溫點，總共11個測點。數值模擬過程所設置的溫度測點，其布置的間隔、個數與試驗選取的一致，其試件模擬溫度測點布置如圖11b所示。

圖11 焊接過程溫度測點

由表2可以看出，焊接過程中試驗所測溫度最大值在焊縫附近，其值為209 ℃；所測溫度最小值在由下到上腹板300 mm處，其值為21.1 ℃。模擬所得溫度最大值也在焊縫處，為210.15 ℃；溫度最小值在腹板300 mm處，為20.05 ℃。通過對比發現，實測值與模擬值的絕對誤差最大為2.35 ℃，最小為0.65 ℃，且大部分表現為實測值小于模擬值。通過計算相對誤差發現，有兩組數據相差較大，分析原因很有可能是試驗過程用測溫槍測溫時，沒有垂直對測點進行測溫，才出現較大的溫差。

表2 焊接過程中焊件實測及模擬測點溫度對比

冷卻180 s后對前述測點進行二次溫度的采集，所得溫度實測值和模擬值見表3。通過表3可以看出，試驗所測溫度最大值同樣出現在焊縫附近，其值降低為89.3 ℃；所測溫度最小值在由下到上腹板300 mm處，其值為21.2 ℃。數值模擬所得溫度最大值也在焊縫處，為89.85 ℃；溫度最小值在腹板300 mm處，為20.15 ℃。實測值與模擬值絕對誤差最大為2.35 ℃，最小為0.3 ℃；相對誤差最大值5.63%。

表3 冷卻180 s后焊件實測及模擬測點溫度對比

綜上所述，試驗所測結果和模擬所得結果基本吻合，證明了數值模擬的正確性。

3.2.3環境溫度對熔池冷卻速率的影響

為了研究環境溫度對熔池冷卻速率的影響，在驗證數值模擬正確性之后，利用Simufact Welding軟件模擬從溫度-10 ℃升高到35 ℃，共9種溫度環境的所有焊接過程，得到了熔池不同環境溫度下從1 500 ℃冷卻到30 ℃所需的時間，具體數據見表4，繪制的熔池冷卻速率與環境溫度的關系曲線，如圖12所示。由圖12可以看出，在模擬的9種溫度環境中，熔池平均冷卻速率最快為-10 ℃對應的2.17 ℃/s，最慢為35 ℃對應的1.75 ℃/s。由此可以得出，焊接過程熔池的冷卻速率會隨著環境溫度的不斷升高而變慢。另外熔池冷卻速率過快很容易導致縱向裂縫的產生，且當環境溫度低于0 ℃時需要對焊件進行預熱處理，因此焊接合理環境溫度應不小于5 ℃。

表4 不同環境溫度熔池從1 500 ℃冷卻到30 ℃所用時間

圖12 熔池冷卻速率與環境溫度關系曲線

4 結論

(1)基于Simufact Welding軟件對波形鋼腹板T形接頭用CO2氣體保護電弧焊進行數值模擬，焊接過程與實際焊接過程的熔池形貌、焊接熱影響區分布及焊接溫度場的分布規律基本一致。通過焊接溫度場的分析，為波形鋼腹板T形接頭焊接應力場的分析、消除殘余應力及變形的方法提供了參考依據。

(2)采用試驗的方法較好的確定了熱源相關參數及能量輸入，保證了焊接的質量，提高了焊接仿真分析的效率。

(3)在其它條件不變的情況下，環境溫度的改變對金屬熔池的冷卻速率影響很大，具體表現為冷卻速率與環境溫度呈反比關系。考慮到過快的冷卻速率會導致冷變形和應力集中，為此建議在溫度不小于5 ℃的環境下進行焊接，從而達到最佳效果。