厚板多層多道焊焊接過程的有限元分析

厚板多層多道焊焊接過程的有限元分析

0有限元模擬分析在焊接過程分析中的應用中厚鋼板的焊接通常采用多層多道焊接。在焊接過程中，母材料和焊接金屬經歷了多次焊接熱環(huán)過程，整個溫度場的變化非常復雜。環(huán)層及其材料的熱環(huán)過程對焊接質量、強度分布和結構完整性有重要影響。對工藝溫度場和熱環(huán)過程的分析和研究對于提高高質量的焊接結構具有重要意義。采用有限元模擬技術對工件的溫度場進行分析是一種十分簡便可行的方法，有利于確定最佳焊接工藝參數(shù)，改善焊接狀態(tài)及應力分布狀態(tài)，提高焊接質量。本文利用ANSYS有限元軟件中的單元“生死”法對多層多道焊的焊接過程和瞬態(tài)溫度場的分布進行了計算。1模擬溫度場數(shù)學模型1.1內任意一部分溫度焊接溫度場熱循環(huán)過程是典型的非線性瞬態(tài)熱循環(huán)問題，在溫度場求解域內任意一點的瞬態(tài)溫度T(x,y,z,t）應滿足以下微分方程：式中：為求解域中的內熱源強度，W；λ為熱導率，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)境之間熱交換過程按熱流和換熱邊界進行處理：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是周圍介質溫度，室溫為Tα=293K。1.3有限元模型建立利用電弧焊方法進行焊接時，采用高斯分布的表面熱源可以獲得合理的溫度場結果，本文采用高斯分布熱源進行有限元數(shù)值模擬計算。高斯熱源的表達式為：式中：q*為熱源密度，J/m2·s;k為系數(shù)，1/mm2;r為距斑點熱源中心的距離，mm。2幾何模型的構建2.1數(shù)值模型的建立筆者根據(jù)實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，在模型的簡化上不能進行對稱處理，所以建立的有限元模型是整個焊接構件。考慮到余高的存在，將第3層焊縫的每一道的上表面處理為一個較小的弧面，模型示意圖如圖1所示。而在實際焊接過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題，這在有限元計算中實現(xiàn)比較困難，所以為了簡化模型將焊縫的幾何模型近似處理為規(guī)則形狀。實體模型如圖2所示。2.2加熱-加熱區(qū)熱循環(huán)焊接過程是一個不均勻加熱的過程，在焊縫處溫度梯度變化很大。劃分網(wǎng)格時采用的是不均勻網(wǎng)格劃分，在焊縫及其附近的部分用加密的網(wǎng)格，在遠離焊縫的區(qū)域，溫度分布梯度變化相對較小，細節(jié)可以忽略。在焊縫區(qū)，由于這一部分受到反復的加熱-冷卻-加熱的熱循環(huán)作用，溫度梯度變化大，所以在此區(qū)域內采用形狀規(guī)則、容易收斂的映射網(wǎng)格進行劃分。在映射網(wǎng)格劃分的過程中由于它總是均勻的，在控制網(wǎng)格大小時會出現(xiàn)偏差，網(wǎng)格劃分結果如圖3所示。2.3焊接過程的熱傳導分析由于大型結構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)點隨著焊接過程不斷增加，給數(shù)值計算的編程帶來了一定的困難?；谏鲜鲈颍话慵僭O由焊絲或焊條填充的焊道部分在焊接之前已經存在，由于焊道部分對于整個焊件來說所占的體積比較小，所以此項假設對整個焊接過程的熱傳導分析影響不是很大。對于多層多道焊可以利用有限元分析中的單元“生死”方法來進行模擬。2.3.1焊接道部分對于焊接過程的影響假設由焊絲或焊條填充的焊道部分在焊接之前已經存在，由于焊道部分對于整個焊件來說所占的體積比較小，所以此項假設對整個焊接過程的熱傳導分析影響不是很大。對于多層多道焊可以利用有限元分析中的單元生死方法來進行模擬。2.3.2熱流密度的施加由于焊接時熱源隨著時間的變化在工件表面移動，所以溫度場是一個隨時間變化的函數(shù)。移動的高斯熱源對于模擬焊接瞬態(tài)過程是比較適合的。要實現(xiàn)高斯熱源在工件表面隨著時間移動，就要把施加熱載荷的過程按照時間分為多個小時間段。現(xiàn)將焊接結構沿焊接方向以L為長度等分焊縫為n段，在每個時間段施加當前的熱流密度。當下一個時間段加載開始時，消除上一時間段所加的高斯熱流密度，上一次加載所得的溫度場為下一次加載的初始條件。每次加載為一個時間步，如此依次在各點加載可模擬移動焊接瞬態(tài)溫度場。2.3.3焊接順序的分析在第1道焊縫中心位置取一點為1點，在焊縫兩邊的母材部分分別取兩點為2,3，具體取樣點位置如圖4所示。位置處于1點的整個焊接過程中熱循環(huán)曲線如圖5所示，2,3點的熱循環(huán)曲線如圖6所示。1點位于第1道焊縫的內部，可以看出在焊接第1道時1點處的溫度在2000℃左右，處于完全熔化狀態(tài)，隨著焊接熱源的向后移動，溫度持續(xù)下降，直到進行第2層第1道焊縫的焊接時又升溫到一定的峰值溫度，隨后由于熱源的移動溫度又持續(xù)下降。后面第2層第2道和第3層各道的焊接仍然進行以上的循環(huán)過程。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的熱循環(huán)曲線的峰值溫度出現(xiàn)在不同的時刻，由于在焊接第2層時靠近2點的焊道先于靠近3點的焊道進行焊接，所以從圖6可以明顯地看出，2點的峰值比3點先出現(xiàn)，同樣的在焊接第3層時也是2點一側的焊道先進行焊接，所以在第4道的熱循環(huán)曲線是2點的溫度高于3點的溫度，而在焊接第6道時3點的溫度高于2點的溫度。盡管2,3點距離坡口邊緣的距離都為10mm，在焊接第4道時右側的母材由于熱傳導的作用，溫度有所升高，所以在焊接第6道時3點的溫度要高于焊接第4道時的2點溫度。3測量結果與模擬結果進行比較3.1焊接工藝參數(shù)試驗用2塊200mm×100mm×14mm的Q235鋼板，焊接時，試件開60°V形坡口，采用CO2氣體保護焊，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紅外溫度場測量的測量紅外熱成像儀是一種紅外測溫設器，其體積比較小，與紅外測溫儀不同的是，只用1臺成像儀即可以測得每一個點的溫度，生成每一點的熱循環(huán)曲線，并且輸出溫度場分布云圖，操作過程簡單易行，是比較常用的溫度場測量方法。本文采用FLIR公司S65型紅外熱像儀對焊接過程中形成的溫度場進行實時測量。它具有測溫速度快、靈敏度高、對被測溫度場無干擾、熱惰性誤差小及能遠距離測溫等優(yōu)點，適合于實時檢測，同時能克服接觸測量焊縫中心處溫度困難的不足。3.3最高溫度的云圖試驗云圖中右側的溫度值表示的是處于最高點的顏色范圍內的溫度最低能夠保證達到數(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，但從圖7的熱循環(huán)曲線中可以進行具體地比較。選擇與模擬時相同位置的取樣點，圖中左上角上顯示的A點位置與模擬過程中選擇的2點位置相同，查看其焊接過程的熱循環(huán)曲線，如圖7所示。3.4點的熱循環(huán)曲線筆者從模擬結果與試驗結果的比較中可以看出，實際焊接過程中的取樣點A和圖4中2點的位置與A點的位置一致，它們的熱循環(huán)曲線的趨勢是一致的，2點的最高溫度出現(xiàn)在第4道焊縫處，并且A點的最高溫度同樣出現(xiàn)在第4道焊縫處；2點的最高溫度是1410℃，A點的最高溫度值是1300℃，它們之間的誤差在8%左右。3.5模型假設錯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)的測量比較困難，公式中推導得出的是理論值，和實際值有所差別，而造成誤差；(2)因為本文在模擬過程中，為了簡化模型，做了一些簡化假設造成誤差；(3)熱像儀的因素，雖然紅外熱像儀精度高，誤差小，但是在焊接過程中，電弧的弧光會對紅外熱像儀的測量精度產生影響，這種影響也是影響試驗數(shù)據(jù)不準確的原因。4層焊焊接過程溫度場