本文借助于ANSYS有限元分析软件，采用半椭球热源模型与生死单元法对厚度为8mm的低碳钢平板对接熔化极气体保护焊焊接过程进行数值模拟，分别模拟了单面双道焊和双面焊两种不同工艺条件下焊接的温度场、应力场及焊接变形并进行比较。结果表明：单面双道焊的焊缝截面积较大且沿板厚不对称，施焊后焊件所产生的横向收缩量及翘曲变形较大。通过实际施焊及检测验证了模拟结果的准确性。
焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异，尺寸精度下降和承载能力降低，而且在工作载荷作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接结构疲劳强度降低的原因之一[1]。设计和施工时需要充分考虑焊接应力和变形的特点。利用ANSYS软件可预测焊接变形，并通过改变工艺参数研究焊接变形的影响因素，从而对焊接变形进行限制。 从上世纪50、60年代“有限元”诞生以来，有限元技术得到了快速的发展。中国焊接界数值模拟研究起步于80年代初，近年来，中国学者在焊接结构变形方面进行了广泛研究并取得了较大进展[2]，如清华大学的赵海燕、鹿安理对焊接结构CAE数值模拟技术的研究已应用于三峡1200t桥式起重机主梁焊接变形的控制和大型挖掘机的工艺设计中。
本文基于ANSYS平台对8mm厚度的低碳钢平板对接过程进行模拟，分别模拟了单面双道焊和双面焊两种不同工艺条件下焊接的温度场、应力场及焊接变形并进行比较，最后通过实验加以验证。
2 平板对接实验
焊件为150mm×60mm×8mm的低碳钢板一对，采用单面气体保护焊的试板开V型坡口，双面焊试板不开坡口。采用25%的Ar与75%的CO2混合气体保护焊。焊前对焊件进行定位焊，保证对合间隙为1~2mm，测量试板横向尺寸和平面平整度。焊后冷却到室温重新测量焊件的横向收缩量和平面度变形。实验采用的工艺参数见表1。
3 焊接温度场模拟
3.1 建立有限元模型
低碳钢板尺寸为150mm×60mm×8mm，模拟采用间接法来计算，其中温度场是作为应力场计算的加载条件。本文采用SOLID70单元，进行应力计算时转换为SOLID45。由于结构对称，采取一侧试板模型进行模拟，为了兼顾计算精度和时间的关系，采用不均匀网格划分方法，在靠近焊缝区网格划分的密一些，远离焊缝区域温度分布梯度相对较小，采用相对稀疏的单元。图1所示为两种焊接接头的几何模型。
低碳钢的材料性能参数如表2。设定试板的初始温度为20℃。
3.2 热源模型
文中采用的是熔化极混合气体保护焊，其热流功率不仅作用在焊件表面上，也深入至焊件内部。为了考虑热流沿焊件厚度方向的分布，采用半椭球体热源[3]进行计算。其热流分布公式如下：
其中Q=UI为总功率，x、y、z为三维坐标轴上的坐标，常数a、b、c与熔池椭球体的三维尺寸有关，这里a=0.6，b =0.6，c=0.8。 3.3 应力场模拟结果与分析 模拟过程中采用“单元生死法”[4], 即模拟时将第二道焊道“杀死”，待第一道焊道计算完后“激活”第二道焊道并进行计算。模拟计算应力时，对单面双道焊焊缝底面进行厚度方向位移约束，对双面焊焊道中心线进行厚度方向约束。
图2是单面双道焊在加热15s、25s 时的应力场以及冷却至室温的残余应力图。由图可知，在加热过程中，焊件最大应力出现在热源处。其试板上的等应力曲线呈弧形分布。这是由于在焊接过程中的不均匀加热，在焊件近热源部位产生了压缩塑性变形，当冷却时焊接区的体积收缩受自身形状拘束产生纵向与横向的拉伸应力，随试板温度的降低应力幅值不断增大，完全冷却后在焊件中产生了残余应力与平面度变形。
从图2（c）可以看出焊件在冷却后，最大应力值均大于焊接加热过程中的应力值。图3为双面焊在不同时刻的应力场。比较图2与图3的应力场，分布规律基本一致，但图3中的残余应力的最大值要小于图2中的应力值。
3.4 焊接变形
图4是单面双道焊与双面焊试板焊后的外观照片，从照片中可清晰看到单面双道焊翘曲变形明显大于双面焊。
分别比较两种工艺条件下焊件的横向收缩变形与试板的翘曲变形，并与相应模拟值进行对比。焊件横向收缩变形的测定分别取焊接前、后距焊缝起始端5mm、75mm、145mm三处的横向收缩量，并与模拟后相应位置的三组横向收缩量进行比较。以平台为水平基准，分别测量三处试板边缘位置沿厚度方向的位移（翘曲变形量）。实测值与模拟值的比较见图5和图6。
从图5和图6中可知焊件两头的横向收缩量和厚度方向位移均比中部要大，单面双道焊横向收缩量和厚度方向位移均大于双面焊。这是因为沿板厚对称分布的双面焊，由于焊道的对称性、横截面积小的缘故，其焊接横向收缩变形和翘曲变形均小于
4 结束语
4.1 平板对接焊采用焊缝截面对称双面焊，其焊接横向收缩变形与翘曲变形均小于单面双道焊的变形。
4.2 模拟结果与实验测定的变形规律一致，但数值有所偏差。
参考文献
[1] 徐琳,余昌莲,周旭春,严仁军．焊接变形预测的研究进展[J].机械工程师,2006(2): 2729. [2] 赵海燕,鹿安理,史清宇等. 焊接结构CAE中数值模拟技术的实现[J].中国机械工程,2000,11 (7):732~734.
[3] 武传松.焊接热过程与熔池形态.北京: 机械工业出版社. 2007.8
[4] 高耀东,何雪. GAO基于ANSYS单元生死技术的焊接模拟.热处理技术与装备,2003 | 
发表于 2012-2-11 11:20
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