高温焊接温度场及应力场的数值模拟研究

材料是制造压力容器常用的16MnR低合金钢，焊接试板尺寸：240mm×200 mm×12mm。图1为其有限元网格划分模型，由于焊接试板几何尺寸和热力边界条件具有对称性，按1/2进行建模。为便于施加固支约束条件，防止发生整体刚性平移，在焊接试板的两端增加了类似于引弧板和熄弧板的模型。焊缝区单元尺寸1mm，其它区域依次递增，最大单元尺寸11mm。

1.1 温度场计算的边界条件

（1）假设焊接电弧为双椭球热源；

（2）仅考虑焊接试板外表面与周围环境的对流换热；

（3）焊缝中心面为绝热边界条件。

1.2 应力场的边界条件

（1）焊缝中心面施加对称边界条件；

（2）为防止焊接试板发生整体刚性位移，约束引弧板外端面所有节点方向的位移。

1.3 模型

焊接参数：功率为800W，焊接速度为6.5 mm/s。

双椭球热源模型的表达式如下：

其中，值取1，2，分别表示为前、后半个椭球对应的参数； ，分别为椭球的三个半轴长度；Q为理论热输入量；分别为随热源中心移动坐标系下的坐标。

文中模拟了在500℃，600℃和700℃温度下高温焊接时的温度场和应力场。

2 温度场模拟结果

为了简化焊接前的加热过程，此模型假设整个焊接试板在焊前500s内完成加热，即在前500s内对所有单元节点施加固定温度载荷，温度载荷由20 ℃线性增大到预定温度。焊接开始后，删除温度载荷，此时试件上各点处于预定温度。随后焊接试件在环境温度下冷却。

图2为不同温度下高温焊接试板焊缝中心线中点温度时程曲线。普通焊接视为温度为20 ℃的常温焊接过程。焊缝中心线上点的温度由于焊枪未到之时焊缝尚未填充，其温度视为20 ℃。从图2可以看到，高温焊接时温度越高，采用同样的热输入焊接时，峰值温度也越高，而且冷却速度也越慢。常温焊接的冷却速度则要快得多。

3 应力场模拟结果

图3、图4分别为不同温度下高温焊接试板焊缝中心线中点纵向应力和横向应力的时程曲线。从图中可以看到，常温焊接时焊缝区的纵向残余应力接近450 MPa，横向残余应力接近80 MPa，而高温焊接时残余应力均有所降低，温度越高，降低的幅度越大，700 ℃焊接时纵向残余应力约为80 MPa，横向应力约为30 MPa，几乎可以忽略不计。各温度下高温焊接焊缝中心点上纵向残余应力相对于常温焊接的降低幅度分别为：57.3%，73.1%和81.3%，横向残余应力的降

图5、图6为不同温度下高温焊接试板焊缝中心横截面纵向残余应力和横向残余应力分布曲线。高温焊接时残余应力的分布更为平坦，温度越高，应力分布越呈扁平化趋势。

4 结论

（1）高温焊接能有效地降低焊接残余应力，纵向残余应力的降低幅度高于横向残余应力的降低幅度。温度越高，降低的幅度越大。

（2）高温焊接使得应力场的分布趋于均匀化，温度越高，应力分布也越均匀。

参考文献

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收稿日期：2015-03-20

尹成江简介： 1967年出生，硕士，副教授，博士研究生；

主要研究方向为石化设备时效分析；ycj1967@163.com 。