交叉角焊縫的有限元模擬分析

譚創

摘 要：采用HyperMesh對模型進行網格劃分，利用生死單元法實現了對實際焊接過程的數值模擬，對不同方向焊縫的半封閉式箱型結構的進行了焊接溫度和殘余應力的數值模擬。模擬結果表明，焊接過程中峰值溫度區間位于2 0502 150之間；每道焊縫焊接完成后殘余應力都會發生變化，第一道焊縫焊接完成后，殘余應力最大為316.7 MPa；第二道焊縫焊接完成后，殘余應力最大為281.7 MPa；第三道焊縫焊接完成并經過裝夾釋放后，云圖中殘余應力基本呈對稱分布，且殘余應力最大值為367 MPa，位于三條焊縫交叉處。

關鍵詞：數值模擬? 焊接? 殘余應力? 箱型結構

中圖分類號：TG404;TG156? ? ?文獻標識碼：A

Finite Element Simulation Analysis of Cross Fillet Welds

TAN Chuang

（Yangtze University， Jingzhou， Hubei Province， 434023 China）

Abstract：HyperMesh was used to mesh the model，? the life and death element method was used to realize the numerical simulation of the actual welding process， and? the numerical simulation of the welding temperature and residual stress was carried out for the semi-closed box structure of welds in different directions. The simulation results showed that the peak temperature range in the welding process was 2050～2150℃， and the residual stress changed after each weld was welded. The maximum residual stress was 316.7MPa after the first weld? was welded， the maximum residual stress was 281.7MPa after the second weld was welded， and that after the third weld was welded and clamped and released， the residual stress in the cloud diagram was basically symmetrically distributed， and the maximum residual stress was 367MPa， which was located at the intersection of? three welds.

Key Words：Numerical simulation; Weld; Residual stress; Box structure

箱型焊接結構廣泛應用于各種工程結構領域。在焊接過程中由于瞬時集中的熱量輸入，使得焊接過程中焊縫的溫度場發生劇烈變化，箱型結構件產生焊接殘余應力。焊接殘余應力是影響結構設計完整性、制造工藝合理性和結構使用可靠性的關鍵因素[1]。

在箱型結構的角焊縫研究領域中，學者大多都集中在對單條角焊縫和多條平行角焊縫焊接殘余應力和變形的研究，并且已有了眾多的研究成果。韋逢使用有限元軟件Abaqus，對加強型三面圍焊角焊縫的連接受力性能進行了的研究[2]，韓雙宗對彎曲箱型結構的多層多道焊的焊接順序進行數值模擬，大幅度降低了殘余拉應力的最大值[3]。但對于三維不同方向的角焊縫（多向角焊縫）相交的殘余應力和變形的研究工作卻很少。并且焊接殘余應力的產生將會很大程度地影響到焊接結構的使用性能[4-5]，甚至會導致結構的脆性斷裂，使得構件的疲勞強度和抗腐蝕能力降低。由于3條焊縫的相交部分在焊接過程中會經歷多次熱循環，容易產生應力集中。該文運用有限元軟件Abaqus對其進行數值模擬和分析，對實際生產具有重要意義。

1 試驗材料及方法

1.1 有限元模型的建立及網格劃分

該文模擬的箱型結構模型由3塊板兩兩相連接形成的半封閉結構，每個板相連接的部分由3條角焊縫焊接而成，使3條焊縫在焊接中心部分相交。

利用三維建模軟件Solidworks建立箱型結構的實體模型，模型如圖1所示。將模型導入到網格劃分軟件Hypermesh中，對整個模型劃分出不同的區域，在劃分網格時可以采用1∶3和1∶2的網格過度的劃分方法，具體如圖2所示。由于焊縫和熱影響區內熱源的作用，使溫度變化較為明顯，其余范圍的溫度變化較小。因此，為了能夠體現出實際的溫度場和應力場變化狀態，在焊縫和熱影響區使用單元尺寸較小的網格，在距離焊縫越遠的區域，使用的網格尺寸也會逐漸過渡增大，以此來減低計算所用的時間，并提高計算的效率，確保計算結果的正確性[6-7]。三維網格模型如圖3所示。

1.2 材料特性

該文使用的材料為Q235B結構鋼，且母材和焊縫材料保持一致。在實際的焊接過程中，熱源使得焊接接頭會隨著時間和空間的變化而產生劇烈的溫度變化，形成不均勻的溫度場，需要考慮材料參數與溫度之間的函數關系。材料熱力學性能物理參數見表1[8-9]。

1.3 熱源校核

該文使用保護焊作為焊接方法。在實際焊接過程中，熱源的前半部分在與焊縫接觸后會有劇烈的溫度變化，后半部分在焊接時溫度會保持在一個平穩的過程。故此次模擬的熱源模型采用Goldak雙橢球體熱源模型[10]，其具備這樣的特點。熱源分布形式如圖4所示。

式（2）中：，為熱效率；為電弧電壓；為電流；、為熱流密度分布系數，表示前后橢球熱輸入的比例關系，且 ；、 為焊接熔池的長度參數，b、c 分別為熔寬和熔深。

2 結果與分析

2.1 溫度場

為了讓有限元模擬的焊接過程與實際焊接過程相吻合，此次焊接模擬使用到生死單元法。此方法采用生死單元模擬焊縫充填過程中的焊接熱輸入過程，能夠有效地展現出焊縫單元填充的過程[11]。

圖5為每條焊縫焊接過程趨于穩定后，焊縫橫截面熔池形態的溫度云圖。在焊接過程中，熱源模型的集中熱輸入接觸到焊縫后，會讓焊縫材料的溫度快速升至其熔點之上，并會產生穩定的溫度場。每條焊縫都經歷了相似的焊接熱循環過程，溫度區間主要分布在2 0502 150之間。

2.2 應力場

為確保焊接完成后，避免產生較大的殘余應力。該文采用的焊接方法為：3條焊縫都是由外向里進行焊接，這樣能夠防止后一道焊縫的起弧區與前一道焊縫的收弧區持續受熱，避免了焊接過程中的瞬時熱量的聚積，使外界輸入的熱量分散化，能有效減小焊接后的殘余應力。

第一道焊縫焊接殘余應力如圖6所示，焊接時將兩板的背面進行全約束，在經過一段時間的冷卻后，產生的殘余應力主要分布在焊縫和熱影響區的部分，并且呈現明顯的對稱分布。焊縫及其影響區部分應力大部分在250 MPa左右，而遠離焊縫區域的殘余應力較小。最大的殘余應力出現在收弧部分，且最大值為316.7 MPa。

第二道焊縫焊接殘余應力如圖7所示，兩道焊縫應力的分布有很明顯的梯度變化，焊縫及其影響區應力同樣大多在250 MPa左右。但是，第一道焊縫收弧部分經過第二次熱循環后，最大殘余應力出現在第一道焊縫的起弧部分，殘余應力為281.7 MPa。

第三道焊縫焊接殘余應力如圖8所示，由圖8（a）為焊接完成后裝夾釋放前的殘余云圖，裝夾條件與第二道焊縫焊接時相同。第三道焊縫焊接結束后，溫度冷卻至室溫約20，對第一道焊縫起弧部分的影響不明顯，使得殘余應力最大值為281.6 MPa，位置與第二道焊縫完成后的最大殘余應力相似。圖8（b）為裝夾釋放后的殘余應力云圖，經過一段時間的應力釋放后，相比于釋放前，應力變化較為明顯，焊接殘余應力大部分應力都在150 MPa以下。且云圖中殘余應力基本呈現對稱分布，最大殘余應力為367 MPa，位于三條焊縫相交部分附近，焊縫相交部分經過3次的熱循環，雖然經過一定程度應力釋放，但由于模型結構為半封閉式，使焊縫相交部分產生較大的應力集中。

3 結論

（1）在模擬的焊接過程中，每條焊縫都經歷了相似的焊接熱循環過程，溫度主要位于2 0502 150之間。

（2）第一道焊縫焊接結束后，最大殘余應力為316.7 MPa，位于第一道焊縫的收弧部分。第二道焊縫焊接結束后，第一道焊縫的收弧部分再次經過熱循環后，最大殘余應力位于第一道焊縫的起弧部分為281.7 MPa。第三道焊縫焊接結束后，最大殘余應力為281.6 MPa，與第二道焊縫基本相同。

（3）焊接結束并經過裝夾釋放后，焊縫交叉部分經過多次熱循環，使得殘余應力最大為367 MPa，位于3條焊縫交叉部分。

參考文獻

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