厚板多層多道焊焊接過(guò)程的有限元分析

厚板多層多道焊焊接過(guò)程的有限元分析

0有限元模擬分析在焊接過(guò)程分析中的應(yīng)用中厚鋼板的焊接通常采用多層多道焊接。在焊接過(guò)程中，母材料和焊接金屬經(jīng)歷了多次焊接熱環(huán)過(guò)程，整個(gè)溫度場(chǎng)的變化非常復(fù)雜。環(huán)層及其材料的熱環(huán)過(guò)程對(duì)焊接質(zhì)量、強(qiáng)度分布和結(jié)構(gòu)完整性有重要影響。對(duì)工藝溫度場(chǎng)和熱環(huán)過(guò)程的分析和研究對(duì)于提高高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)具有重要意義。采用有限元模擬技術(shù)對(duì)工件的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析是一種十分簡(jiǎn)便可行的方法，有利于確定最佳焊接工藝參數(shù)，改善焊接狀態(tài)及應(yīng)力分布狀態(tài)，提高焊接質(zhì)量。本文利用ANSYS有限元軟件中的單元“生死”法對(duì)多層多道焊的焊接過(guò)程和瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行了計(jì)算。1模擬溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型1.1內(nèi)任意一部分溫度焊接溫度場(chǎng)熱循環(huán)過(guò)程是典型的非線性瞬態(tài)熱循環(huán)問(wèn)題，在溫度場(chǎng)求解域內(nèi)任意一點(diǎn)的瞬態(tài)溫度T(x,y,z,t）應(yīng)滿足以下微分方程：式中：為求解域中的內(nèi)熱源強(qiáng)度，W；λ為熱導(dǎo)率，m2/s;C為材料比熱容，J/（kg·℃）；ρ為材料密度，kg/m3;T為溫度，℃。1.2熱邊界處理試件上下表面和周圍環(huán)境之間熱交換過(guò)程按熱流和換熱邊界進(jìn)行處理：式中：n是邊界表面外法線方向；q是單位面積上的外部輸入熱流；b是表面換熱系統(tǒng)；Tα是周圍介質(zhì)溫度，室溫為Tα=293K。1.3有限元模型建立利用電弧焊方法進(jìn)行焊接時(shí)，采用高斯分布的表面熱源可以獲得合理的溫度場(chǎng)結(jié)果，本文采用高斯分布熱源進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算。高斯熱源的表達(dá)式為：式中：q*為熱源密度，J/m2·s;k為系數(shù)，1/mm2;r為距斑點(diǎn)熱源中心的距離，mm。2幾何模型的構(gòu)建2.1數(shù)值模型的建立筆者根據(jù)實(shí)際試件的幾何尺寸建立模型，工件選用2塊200mm×100mm×14mm的Q235鋼板，由于是采用多道焊，在模型的簡(jiǎn)化上不能進(jìn)行對(duì)稱處理，所以建立的有限元模型是整個(gè)焊接構(gòu)件?？紤]到余高的存在，將第3層焊縫的每一道的上表面處理為一個(gè)較小的弧面，模型示意圖如圖1所示。而在實(shí)際焊接過(guò)程中存在著焊縫填加金屬與基體之間、后填加的金屬與先填加的金屬之間的相互熔化問(wèn)題，這在有限元計(jì)算中實(shí)現(xiàn)比較困難，所以為了簡(jiǎn)化模型將焊縫的幾何模型近似處理為規(guī)則形狀。實(shí)體模型如圖2所示。2.2加熱-加熱區(qū)熱循環(huán)焊接過(guò)程是一個(gè)不均勻加熱的過(guò)程，在焊縫處溫度梯度變化很大。劃分網(wǎng)格時(shí)采用的是不均勻網(wǎng)格劃分，在焊縫及其附近的部分用加密的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，溫度分布梯度變化相對(duì)較小，細(xì)節(jié)可以忽略。在焊縫區(qū)，由于這一部分受到反復(fù)的加熱-冷卻-加熱的熱循環(huán)作用，溫度梯度變化大，所以在此區(qū)域內(nèi)采用形狀規(guī)則、容易收斂的映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在映射網(wǎng)格劃分的過(guò)程中由于它總是均勻的，在控制網(wǎng)格大小時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。2.3焊接過(guò)程的熱傳導(dǎo)分析由于大型結(jié)構(gòu)厚板件的焊接都是采用開坡口的方法及熔化極焊接，這樣就不可避免地存在金屬的不斷填充，在數(shù)值模擬中表現(xiàn)為焊件的單元和節(jié)點(diǎn)隨著焊接過(guò)程不斷增加，給數(shù)值計(jì)算的編程帶來(lái)了一定的困難?；谏鲜鲈颍话慵僭O(shè)由焊絲或焊條填充的焊道部分在焊接之前已經(jīng)存在，由于焊道部分對(duì)于整個(gè)焊件來(lái)說(shuō)所占的體積比較小，所以此項(xiàng)假設(shè)對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程的熱傳導(dǎo)分析影響不是很大。對(duì)于多層多道焊可以利用有限元分析中的單元“生死”方法來(lái)進(jìn)行模擬。2.3.1焊接道部分對(duì)于焊接過(guò)程的影響假設(shè)由焊絲或焊條填充的焊道部分在焊接之前已經(jīng)存在，由于焊道部分對(duì)于整個(gè)焊件來(lái)說(shuō)所占的體積比較小，所以此項(xiàng)假設(shè)對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程的熱傳導(dǎo)分析影響不是很大。對(duì)于多層多道焊可以利用有限元分析中的單元生死方法來(lái)進(jìn)行模擬。2.3.2熱流密度的施加由于焊接時(shí)熱源隨著時(shí)間的變化在工件表面移動(dòng)，所以溫度場(chǎng)是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)。移動(dòng)的高斯熱源對(duì)于模擬焊接瞬態(tài)過(guò)程是比較適合的。要實(shí)現(xiàn)高斯熱源在工件表面隨著時(shí)間移動(dòng)，就要把施加熱載荷的過(guò)程按照時(shí)間分為多個(gè)小時(shí)間段。現(xiàn)將焊接結(jié)構(gòu)沿焊接方向以L為長(zhǎng)度等分焊縫為n段，在每個(gè)時(shí)間段施加當(dāng)前的熱流密度。當(dāng)下一個(gè)時(shí)間段加載開始時(shí)，消除上一時(shí)間段所加的高斯熱流密度，上一次加載所得的溫度場(chǎng)為下一次加載的初始條件。每次加載為一個(gè)時(shí)間步，如此依次在各點(diǎn)加載可模擬移動(dòng)焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)。2.3.3焊接順序的分析在第1道焊縫中心位置取一點(diǎn)為1點(diǎn)，在焊縫兩邊的母材部分分別取兩點(diǎn)為2,3，具體取樣點(diǎn)位置如圖4所示。位置處于1點(diǎn)的整個(gè)焊接過(guò)程中熱循環(huán)曲線如圖5所示，2,3點(diǎn)的熱循環(huán)曲線如圖6所示。1點(diǎn)位于第1道焊縫的內(nèi)部，可以看出在焊接第1道時(shí)1點(diǎn)處的溫度在2000℃左右，處于完全熔化狀態(tài)，隨著焊接熱源的向后移動(dòng)，溫度持續(xù)下降，直到進(jìn)行第2層第1道焊縫的焊接時(shí)又升溫到一定的峰值溫度，隨后由于熱源的移動(dòng)溫度又持續(xù)下降。后面第2層第2道和第3層各道的焊接仍然進(jìn)行以上的循環(huán)過(guò)程。由總的熱循環(huán)曲線可以明確地看出，由于焊接順序的不同，在試件上不同位置的取樣點(diǎn)的熱循環(huán)曲線的峰值溫度出現(xiàn)在不同的時(shí)刻，由于在焊接第2層時(shí)靠近2點(diǎn)的焊道先于靠近3點(diǎn)的焊道進(jìn)行焊接，所以從圖6可以明顯地看出，2點(diǎn)的峰值比3點(diǎn)先出現(xiàn)，同樣的在焊接第3層時(shí)也是2點(diǎn)一側(cè)的焊道先進(jìn)行焊接，所以在第4道的熱循環(huán)曲線是2點(diǎn)的溫度高于3點(diǎn)的溫度，而在焊接第6道時(shí)3點(diǎn)的溫度高于2點(diǎn)的溫度。盡管2,3點(diǎn)距離坡口邊緣的距離都為10mm，在焊接第4道時(shí)右側(cè)的母材由于熱傳導(dǎo)的作用，溫度有所升高，所以在焊接第6道時(shí)3點(diǎn)的溫度要高于焊接第4道時(shí)的2點(diǎn)溫度。3測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較3.1焊接工藝參數(shù)試驗(yàn)用2塊200mm×100mm×14mm的Q235鋼板，焊接時(shí)，試件開60°V形坡口，采用CO2氣體保護(hù)焊，焊絲直徑為1.2mm，氣體流量為12L/min，具體焊接工藝參數(shù)見表1。3.2紅外溫度場(chǎng)測(cè)量的測(cè)量紅外熱成像儀是一種紅外測(cè)溫設(shè)器，其體積比較小，與紅外測(cè)溫儀不同的是，只用1臺(tái)成像儀即可以測(cè)得每一個(gè)點(diǎn)的溫度，生成每一點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，并且輸出溫度場(chǎng)分布云圖，操作過(guò)程簡(jiǎn)單易行，是比較常用的溫度場(chǎng)測(cè)量方法。本文采用FLIR公司S65型紅外熱像儀對(duì)焊接過(guò)程中形成的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。它具有測(cè)溫速度快、靈敏度高、對(duì)被測(cè)溫度場(chǎng)無(wú)干擾、熱惰性誤差小及能遠(yuǎn)距離測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn)，適合于實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)能克服接觸測(cè)量焊縫中心處溫度困難的不足。3.3最高溫度的云圖試驗(yàn)云圖中右側(cè)的溫度值表示的是處于最高點(diǎn)的顏色范圍內(nèi)的溫度最低能夠保證達(dá)到數(shù)值所示的溫度，所以它的最高溫度并不能在云圖中反映出來(lái)，但從圖7的熱循環(huán)曲線中可以進(jìn)行具體地比較。選擇與模擬時(shí)相同位置的取樣點(diǎn)，圖中左上角上顯示的A點(diǎn)位置與模擬過(guò)程中選擇的2點(diǎn)位置相同，查看其焊接過(guò)程的熱循環(huán)曲線，如圖7所示。3.4點(diǎn)的熱循環(huán)曲線筆者從模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較中可以看出，實(shí)際焊接過(guò)程中的取樣點(diǎn)A和圖4中2點(diǎn)的位置與A點(diǎn)的位置一致，它們的熱循環(huán)曲線的趨勢(shì)是一致的，2點(diǎn)的最高溫度出現(xiàn)在第4道焊縫處，并且A點(diǎn)的最高溫度同樣出現(xiàn)在第4道焊縫處；2點(diǎn)的最高溫度是1410℃，A點(diǎn)的最高溫度值是1300℃，它們之間的誤差在8%左右。3.5模型假設(shè)錯(cuò)誤的原因造成上述誤差的因素有以下3種：(1)熱物理參數(shù)造成的誤差，由于熱物理參數(shù)的測(cè)量比較困難，公式中推導(dǎo)得出的是理論值，和實(shí)際值有所差別，而造成誤差；(2)因?yàn)楸疚脑谀M過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化模型，做了一些簡(jiǎn)化假設(shè)造成誤差；(3)熱像儀的因素，雖然紅外熱像儀精度高，誤差小，但是在焊接過(guò)程中，電弧的弧光會(huì)對(duì)紅外熱像儀的測(cè)量精度產(chǎn)生影響，這種影響也是影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的原因。4層焊焊接過(guò)程溫度場(chǎng)