低相变点焊条的焊接残余应力数值模拟

低相变点焊条的焊接残余应力数值模拟

王怡然，张玉凤，程尚华，孙丹丹，孙志远

天津大学材料科学与工程学院，天津 (300072)

E-mail：xran007@126.com

摘 要：本文以平板对接问题为例，以ANSYS软件为平台，对低相变点焊条焊接接头的建立了多层多道对接焊的三维有限元模型，并利用APDL编制程序，对温度场和应力应变场进行了有限元模拟，得到了焊后残余应力分布。 关键词：数值模拟，残余应力，低相变点焊条

1. 引言

众所周知，焊接残余应力和焊接变形不但可能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，使焊缝特别是定位焊缝部分或完全断裂，而且在一定条件下将严重影响焊件各项性能。故焊接应力和变形一直是焊接领域广泛关注和研究的重要课题之一。

天津大学材料加工专业研制了一种新型低相变点焊条。这种焊条具有较强的抗开裂性能，但是由于焊接过程的复杂性及影响因素较多。因而准确获得焊接应力和变形的分布规律并加以调节和控制相当困难，而日益发展的数值分析方法和计算机技术为解决焊接应力与变形问题提供了可行途径。随着计算机技术的发展，焊接温度场及应力场结果已经越来越精确可信。焊接模拟技术也不断发展，美国的H.D. Hibbert，E .F. Ry blicki，Y.Iwamuk以及美国MIT的Masubuchi等在焊接残余应力和变形的预测和控制等方面，进行了许多研究工作[1][2]。国内的西安交通大学唐慕尧[3]、上海交通大学的汪建华[4] [5]等人对三维应力场进行了相关研究，本文主要研究低相变点焊条的三维应力场焊接残余应力分布。

2. ANSYS数值模拟过程

2.1 物理模型的建立

模拟焊板大小为200mm×100mm×16mm，采用45#钢作为母材;采用手工电弧焊接，焊接工艺如下：

电压：23V 电流：120A 焊速：15CM/S 温度：室温 预热：无 接头型式：平板对接 坡口形式：双边V型坡口

图1 划分网格后的模型

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由于焊缝处为顺序焊接，为模拟焊接真实过程，焊缝处采用映射网格划分，即采用SOLID70单元划分。它所生成的网格相互之间呈规则的排列，焊板也采用映射网格划分，单元类型为SOLID70。

由于所要模拟的厚板焊接道数为8道。为了做到真实模拟焊接过程，所以在划分网格时把焊缝横截面分成8份，真实模拟八道焊接过程。沿焊缝厚度方向分成4份，焊缝处单元大小取2mm，焊缝共形成4400个单元，6060个节点。焊板处单元大小取为4mm，共形成33000个单元，37572个节点。材料的性能见下表[6][7]：

表1 母材与焊缝金属热力学参数

Tab. 1 Thermodynamic parameters for calculating residual stress of welded joints

材料 温度 ℃

弹性模量GPa

屈服强度MPa

屈服后的弹性模量GPa 20.9 20.2 18.6 1.5 0.3 21.2

20.3 18.7 3.5 0.3

线膨胀系数 ℃−1 11.6×10-6 12.4×10-6 13.7×10-6 14.5×10-6 14.6×10-6

- - - - -

泊松比 0.3

20 209 420 200 202 380 45#钢

400 186 350

0.03

850 15 130 1150 3

20 212 1090 200 203 780

400 187 420 焊缝

850 35 50 金属

1150 2 0.06

0.33

由于低相变点焊条的原理是利用马氏体在低温转变过程中产生的体积膨胀，从而在焊缝区产生残余压缩应力来改善焊接接头的应力分布。因此，低相变点焊条所产生的焊缝与普通焊条焊接得到的焊缝，其热力学性能的主要区别就在于其线膨胀系数不同。通过在Formastor-digital FTM-4型全自动转变测量仪（日本富士电波工机株式会社生产，自动控温精度±0.5℃，测温范围0～1300℃）进行冷却膨胀曲线的测试，得到如下线膨胀系数变化规律[8]。

表2 相变焊条的线膨胀系数（×10

−6

/°C）

温度 系数

20 100 200 250 350 10 13 1.5 -6.4 -7.71

400 600 800 1000-3.25 6.17

11.125

14.1

1200 1500 16.08 18.07

2.2 焊接热源加载

由于试验采用手工电弧焊，电弧挺度小，熔池熔深小，故采用高丝热源作为移动热源模型。将热源以热流密度的形式施加在焊缝表面。即焊接热源的热流密度可表示为如下高斯分布函数：

⎛3r2q(r)=qmexp⎜⎜−R2

⎝⎞⎟⎟ (2.1) ⎠

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3

Q (2.2) πR2

Q=ηUI (2.3) qm=

式中：g为加热斑点中心最大热流密度，J/(m2·s)；R为电弧有效加热半径，mm；r为热源某点至电弧加热斑点中心的距离，mm；Q为热源瞬时给焊件的热能，w；η为焊接热效率；U为电弧电压，V；I为焊接电流，A。高斯热源模型如下：

图2 高斯热源模型

通过编制APDL命令流，利用ANSYS的函数加载功能，在每个载荷步内，以热源中心点为中心，按高斯热源的变化在面上加载，随着热源的移动，每个载荷步内的热源中心点也就相应的改变，这样通过控制热源中心点，使其随时间变化，同样可以实现模拟热源的移动。

2.3 焊接温度场模拟

整个焊接过程共用1440s完成，采用Full Newton-Raphson方法，每进行一次平衡迭代就修正一次刚度矩阵；载荷类型设定为阶跃；并打开自动时间步长和继承时间步长选项，用以提高计算精度。共分四层八道焊接，每两道之间冷却时间100s。本文分别选取了焊接过程中的4个时间点来观察焊接温度场在焊接过程中的变化情况，具体如图3所示。

(a) t=20s时的温度场 (b)t=60s时的温度场

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(c) t=80s时的温度场 (d) t=180s时的温度场

图3 焊接第一层时不同时刻焊接温度场变化

如图3中(a)-(d)为焊接第一道时焊接过程中不同时刻的温度场变化情况。可以看出：熔池随着焊接热源的向前移动而移动，温度场的分布不断发生变化，当焊接刚开始时，热源施加在试件上的时间还比较短，处于热源作用位置的金属温度超出熔点的温度不是很高，且熔池区域的面积也比较小，随着焊接过程的不断进行，无论是基体部分还是焊缝区的温度都有大幅的增加，熔池区域的面积也逐渐增大。从(c)中可以看出，此时的温度场分布已经基本稳定，温度场的形状呈以焊接方向为长轴的椭圆形，最高温度保持在2100度左右。

2.4焊接应力场模拟

焊接应力场的模拟是在温度场基础上进行的，将温度场得到的结果以载荷的形式施加在节点上，然后进行应力场分析。因为得到如下图的纵向残余应力沿垂直焊缝方向的分布。由图可以看出，焊缝中心处产生了压缩应力，并在向焊缝边缘方向上逐渐减小，到达融合线处基本为零。随后又变为拉应力，逐渐减小，到达焊板边缘时基本残余应力为零。

Residual stress 4.00E+0083.00E+0082.00E+0081.00E+0080.00E+000-0.010.000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10-1.00E+008 -2.00E+008/Pa-3.00E+008-4.00E+008-5.00E+008-600E+008Distance d/m

图4纵向应力沿垂直焊缝方向分布

3．结论

1．根据焊接热力学原理建立了以45#钢板为母材，应用低相变点焊条焊接的多层多道焊接温度场的三维瞬态数值分析模型。模型综合考虑了母材的固体导热、材料的热物理性能随温度的变化、焊件表面通过对流和辐射向周围环境散热对熔池流场和温度场的影响，将移动高斯热源作为热载荷施加于试件上。

2．计算得出了多层多道焊的温度场分布情况，给出了多层多道对接焊的焊接温度场分布规律。

3．经过热-应力耦合场分析，得到了天津大学研制的低相变点焊条焊接接头的残余应力在焊缝及附近区域分布，σx在焊缝和焊趾部位为压缩应力，在近缝区母材上为拉伸应力。通过结果显示，焊缝处由于应用了低相变点焊条，使得焊缝处出现了残余压缩应力，这使得焊后出现裂纹的可能性大大减少，从而从一个侧面说明了该低相变点焊条确实能够达到抗裂性要求

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参考文献

[1]莫春立，钱百年，国旭名等，焊接热源计算模式的研究进展，焊接学报，2001，22 (3)：93～96

[2]K.asubuchi. Prediction and control of residual stresses and distortion in welded structures. Proc. Theoretical Prediction in Joining and Welding, Osaka, Japan, Nov, 1996:71~88

[3]唐慕尧，焊接测试技术，北京：机械工业出版社，1988，185～193 [3]汪建华，魏良武，焊接变形和残余应力预测理论德发展及应用前景，焊接，2001，(9)：5～7

[4]陈楚，汪建华，杨洪庆，非线性焊接热传导的有限元分析和计算，焊接学报，1983 (3)：139～148 [5]陈楚，汪建华，杨洪庆，水下焊接冷却特性的有限元分析，海洋工程，1993 (4)：34~38 [6]方昆凡，黄英主编，机械工业材料实用手册，沈阳：东北大学出版社，1996，1120~1658 [7]杜则裕等编，工程材料简明手册，北京：电子工业出版社，1996，204~257 [8]王文先，霍立兴等，相变应力及其改善焊接接头的疲劳强度，机械工程学报，2002(10)，Vol.38，No.10 [6]

The Numerical Simulation of Low Transformation Temperature Welding Electrode’s residual stress

Wang Yiran，Zhang Yufeng，Cheng Shanghua，Sun Dandan，Sun Zhiyuan School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin（300072）

Abstract

This paper takes the butting joint of flat plate for example, build a three-dimensional multi-pass welding model of low transformation temperature welding electrode using the finite element software ANSYS. And a program is generated to simulate the temperature field and stress field of the model using APDL language. Finally, the paper successfully describes the residual stress and temperature distribution.

Keywords：numerical simulation，residual stress，low transformation temperature welding electrode

作者简介：王怡然，天津大学材料科学与工程学院硕士研究生。

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