不同坡口形式平板对接焊接变形的数值分析

摘要：运用有限元分析，采用双椭球体热源模型，通过几何建模、初始与边界条件的定义等，对平板对接焊结构三维有限元模拟，求解得到焊接应力场，结果表明：焊接过程中等效应力都表现出随着温度升高而升高，温度降低而降低的变化趋势，且冷却时应力变化速率较加热时缓慢，Y型与X型坡口最大等效应力发生的区域相同，X型坡口产生的等效应力小于Y型坡口的值。

关键词：平板对接；X、Y型坡口；焊接模拟；等效应力

中图分类号：TG404 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2013）02-0042-04

0、引言

焊接温度、应力和应变场的分布，一直是国内外焊接研究者们极大关注的热点问题，近年来，有限元方法广泛应用于焊接热传导、焊接热弹性塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等领域，刘晓雪等对平板对接焊进行熔深方向的三维数值模拟，对比了打底焊和三层焊接的焊接温度场及横向变形，分析了模拟结果，得到与实际情况相符合的结论，验证数值模拟的准确性，魏艳红等通过有限元方法建立模型，计算了二维焊接凝固裂纹温度场，并研究了焊接规范参数及材料的热物理性能对温度场的影响，为进一步进行焊缝金属凝固裂纹应力应变场的分析奠定了基础，徐琳等对平板对接多道焊进行了实时三维数值模拟，得到了焊接温度场、焊后残余应力分布以及变形，并对模拟计算结果进行了定性分析，对工程实践有很好的指导意义，目前国内外，对平板对接的数值模拟较多，但至今未发现对不同坡口形式焊接等效应力的相关研究，因此，开展焊接过程焊接热应力场的数值模拟研究，为控制、调整和减少焊接等效应力提供理论依据，具有一定的学术价值和实际应用意义，本课题对X、Y型坡口的厚板对接进行焊接有限元分析，分析不同坡口形式焊接结构等效应力的影响。

1、物理模型

本文研究对象为Y型及X型坡口对接接头，坡口角度60°，材料为20钢，试件的尺寸为：两块100mm×50 mm×20mm钢板。采用4道堆焊的方法进行焊接模拟，厚板对接接头物理模型如图1所示，采用平板对接接头，平焊且焊接速度为30 cm/min。

2、热源模型

在进行焊接温度场的数值计算时，研究人员通常将焊接热源简化为具有一定分布规律的热流密度函数，来计算不同焊接过程的温度场，在现有数值模拟过程中通常采用的热源模型有3种，高斯热源、双椭圆高斯热源、双椭球热源，本文采用了双椭球热源模型，此模型适用于开剖口或大熔深的焊缝，其热源分布形式为：

前半部分椭球热源表达式：

后半部分椭球热源表达式：

此模型中热流密度沿长轴呈高斯热源分布前半部分是1/4椭球，后半部分是3/4椭球，如图2所示为双椭球热源模型。

3、有限元分析步骤

3.1 几何建模和网格生成

几何模型的形状由焊件的形状、尺寸大小和坡口形式决定，本文按实际的钢板尺寸及坡口形式建模，有限元软件提供了三类网格生成方法：直接生成单元、由几何形状自动生成单元、扩展法生成单元，本文结合后两种方法来生成网格，先将平面生成面单元，再将二维平面单元扩展成三维单元，即得到所需有限元网格模型，模型图如图3所示。

3.2 定义材料特性

本模型中钢板材料选用20钢，焊缝填充也选用20钢，金属材料的物理性能参数如比热容、导热系数、弹性模量、屈服应力等一般都随温度的变化而变化，由于焊接温度场的模拟计算属于非线性瞬态热分析，所以须给定随温度变化的热物理性能参数：导热系数、对流换热系数、比热容、密度、熔点以及焊件的初始温度等，但软件中材料的物理性能参数如泊松比、导热系数、弹性模量等在材料库中已经给出。在此没必要逐一设置，部分需要手动设置的在后面将进行设置。

3.3 定义初始条件与边界条件

初始条件是在加载前已经具有的条件，如果不定义初始温度，分析计算时程序自动采用零温度处理，本文中模型初始温度定义为25℃，初始给定温度应施加在所有单元节点上，本文定义三类边界条件，位移边界条件，焊接热流边界条件和表面分布对流放热边界条件，起焊点处限制沿焊缝方向的位移，为保证焊件不发生刚性移动，在远离焊件处取一点约束所有的自由度，用焊接热流边界条件来定义热源参数、熔池（双椭球热源）尺寸、焊接速度，利用表面分布对流放热边界条件给定对流放热系数和环境温度，对象为所有表面。

4、模拟结果与分析

4.1 焊接过程中厚板应力场分布

本文中整个焊接过程的时间，即热源移动的时间为40 s，图4为厚板焊接过程中应力场分布图，清楚的显示了焊接初始和终了时，即第40 s时，高温条件下，等效应力状态情况，从图中可以看出焊接刚结束时焊缝处的应力最低，因其处于熔融状态，只有几兆帕，可以认为是零应力状态，而近缝区应力高达几百兆帕，离焊缝较远的区域产生的等效应力也相对较小，以上应力模拟结果与实际理论大致相符，焊接过程中焊缝区和近缝区金属被急剧加热，温度较高，焊缝区金属甚至呈熔融状态，熔化金属表现为零应力状态，而近缝区金属受热膨胀，因此表现出较大的等效应力，离焊缝较远处温度较低，产生的等效应力相对较小。

4.2 焊接过程中厚板不同区域的应力变化及分析

图5所示为第40 s时拾取的不同位置节点，Y型坡口中1127为热影响区（HAZ区）节点，369、325与303依次为母材远离焊缝方向选取的节点，x型坡口中976为HAZ区节点，346、302与280依次为母材远离焊缝方向选取的节点，图6所示为焊接过程中不同区域节点随时间变化的等效应力曲线，比较Y型坡口与x型坡口等效应力，不难发现，在离焊缝最近的节点处应力的波动最大，而且其他节点的最大应力都小于近缝区节点的应力值，所以只分析近缝区节点的应力变化即可，分析其焊接过程中的相同点和不同点。

1）相同点：

①等效应力趋势：等效应力表现出随着温度升高而升高，温度降低而降低的变化趋势，由于在冷却过程中，焊接过程仍在持续进行，即在冷却过程中相当于对焊板进行后热缓冷处理，所以导致冷却时应力变化速度较加热时缓慢，两图的近焊缝区节点（HAZ区）的曲线变化趋势可明显的体现四道焊的焊接过程。

②极大值点分析：Y型坡口HAZ区节点在24 s时等效应力达到最大，X型坡口HAZ区节点在25 8时等效应力达到最大，达到最大等效应力的时间相似。

③位置分析：最大等效应力发生于HAZ区节点处。

2）不同点：

①通过图6（a）、（b）的比较发现HAZ区节点1127处Y型坡口最大应力值为332.7 MPa、X型坡口最大应力值为331.1 MPa，X型坡口的最大等效应力要小于Y型坡口的最大等效应力。

②图6（a）中Y型坡口节点369的等效应力值在40 s时达到焊接最大等效应力332.7 MPa，而图6（b）中x型坡口节点346的等效应力值在40 s时却仍未达到其焊接最大应力331.1 MPa，同时x型坡口其他节点在同一时间的等效应力也要小于Y型坡口相应节点的等效应力，通过图6两图的比较可知x型坡口更利于工程实践。

4.3 焊接过程终了时不同坡口厚板的应力分析

图7为焊接过程终了时（40 s）x型及Y型坡口焊件的等效应力曲线，由图可见焊后Y型坡口的最大等效应力发生在HAZ区节点4172、386处，最大等效应力为378.1 MPa，X型坡口的最大等效应力发生在HAZ区节点2049处，最大等效应力为356.5MPa，相同的焊接条件下，最大等效应力都发生在HAZ区且Y型坡口在焊后的等效应力较大。

5、结论

1）本文模拟的Y、X型坡口焊接的整个过程中，等效应力都表现出随着温度升高而升高，温度降低而降低的变化趋势，且冷却时应力变化速率较加热时缓慢。

2）在焊接过程中X、Y型坡口最大等效应力都发生在HAZ区，随着与焊缝区距离的增大，其等效应力值逐渐减小，且X型坡口在HAZ区产生的等效应力小于Y型坡口在相近位置的相应值，X型坡口较Y型坡口更利于工程实践。