基于ANSYS模拟不同参数对Q235钢板焊接残余应力的影响

张宛玉 韩鸿彬 刘 恒 牛哲荟 韩东伟

焊接是一个涉及多学科的复杂的物理、化学过程。传统的试验方法以试验数据为依据，但成本、时间、作业方法的干扰较大[1-2]。通过计算机技术对焊接过程进行数值模拟，可以定性、定量地分析各种复杂的焊接问题[3-4]。基于ANSYS软件能够运用热力分析功能计算焊接过程的温度场[5]，且Q235钢材为焊接常用结构钢，具有良好的焊接性能，本文利用ANSYS软件模拟Q235焊接的电流和电压以及焊接速度对焊接材料残余应力的影响，为焊接工艺质量过程控制提供理论依据。

1 模型建立

1.1 有限元模型

焊接几何模型选两平板的对接焊。为了简化计算，根据模型的对称性采用一半的样板进行模拟。计算中只考虑温度场对应力场的影响，不考虑应力场对温度场的作用。采用间接法计算焊接应力，先进行瞬态热分析，后将瞬态热分析得到的温度场作为体载荷加载到结构中，进行应力场求解。采用过渡网格划分形式，在焊缝附近及边缘采用solid70单元映射网格划分，单元尺寸分别为1mm和4mm，在焊缝及附近采用较细的网格划分，远离焊缝处采用较粗大的网格。中间两个过渡区域采用solid90自由网格划分。这两种单元体每个节点处只有一个温度自由度，有3个自由度，即x，y，z3个方向上的位移度。整个模型包括29759个单元体，43648个节点。

1.2 热物理性能

焊接材料的热物理性能为非线性的、瞬态的，材料屈服服从Mises屈服准则和双线性等向强化模型，双线性等向强化模型采用一个双折线来表示应力应变关系。Q235的力学性能和热物理性能参数[5]如表1所示。

表1 Q235材料的热物理性能参数

1.3 热源模型

高斯热源模型是一种分布热源模型，又称正态分布热源模型。焊接时，电弧热源通过一定的作用面积将热能传递给焊件，这个面积成为加热斑点。加热斑点上热量分布是不均匀的，中心多而边缘少，加热斑点上的热流密度分布可以近似地用高斯函数来描述。高斯热源模型如图1所示。

图1 高斯热源模型

高斯热源模型的表达式为：

式中，U为电弧电压，I为焊接电流，为焊接电弧功率有效利用系数，R为电弧加热有效半径，r为某点距离焊缝中心的径向距离。

2 焊接温度场模拟

采用间接法计算焊接应力时，准确的温度场计算结果是必不可少的。表2为计算焊接温度场所用的计算参数。

表2 焊接温度场计算参数

如图2所示，（1）、（2）、（3）分别为编号1、2、3的焊接参数，当焊接热源到达焊缝中间时的焊接温度场云图。如图所示，对比（1）（2）可知，其它焊接条件一定，焊接电流较大时，焊接温度场的有效作用面积较大。如图所示，对比（2）（3）可知，其它焊接条件一定，焊接速度较大时，焊接温度场的有效作用面积较小，并且焊接速度较大时焊缝处的最高温度较低。

图2 温度场云图

3 焊接残余应力模拟

焊接纵向残余应力对样板各项性能参数的影响较大，提取图3所示直线L与焊缝垂直平分线上的纵向残余应力进行研究。

图3 与焊缝的垂直平分线

3.1 电压电流对焊接板材残余应力的影响

研究焊接电压和电流对焊接样板残余应力的影响，计算时焊接选取参数如表3所示。

表3 电压电流参数

图4所示为不同焊接电压和电流条件下，其他焊接条件不变时，直线L上样板焊后纵向残余应力曲线。

图4 不同焊接电压和电流条件下直线L上的焊后纵向残余应力

对计算结果进行分析可知，焊接电压和电流较大时，焊缝处的纵向残余压应力较大，近焊缝处的纵向残余拉应力也相应较大。这是因为焊接速度一定，焊接电压和电流较大时，焊接热输入也较大，焊接线能量也较大，焊接熔池相应增大，熔深相应加深。样板冷却后，焊缝处的纵向残余压应力增大，近焊缝处的残余拉应力也增大。

3.2 焊接速度对焊接板材残余应力的影响

研究焊接速度对焊接板材残余应力的影响，计算时焊接参数如表4所示。

表4 焊接速度参数选取

图5所示为不同焊接速度条件下，其他焊接条件不变时，直线L上样板焊后纵向残余应力曲线。

图5 不同焊接速度条件下直线L上的焊后纵向残余应力

对计算结果进行分析可知，焊接速度越小，焊缝处的纵向残余压应力越大，近焊缝处的残余拉应力也越大。这是因为焊接速度较小时，焊接热源作用在焊缝处的时间较长，使得焊接热影响区相应扩大，焊接线能量相应增加，焊接熔池相应增大，熔深也相应加深。样板冷却后，焊缝处的纵向残余压应力增大，近焊缝处的残余拉应力也增大。

4 结论

4.1运用大型有限元模拟软件ANSYS模拟了Q235焊接过程，成功再现了焊接不同时刻的温度场分布，并通过温度场计算应力场，通过分析计算得到了样板的焊后残余应力。

4.2分析不同的电压和电流对焊接残余应力的影响，以及不同的焊接速度对焊接残余应力的影响。结果表明，焊接电流较大时，焊缝处的纵向残余压应力较大，近焊缝处的纵向残余拉应力也相应较大。焊接速度越小，焊缝处的纵向残余压应力越大，近焊缝处的残余拉应力越大。

［1］宫大猛.数值模拟在焊接中的应用分析［J］.电焊机，2012，42（7）：51-54.

［2］李晓峰.药芯埋弧焊丝W110熔敷金属的焊接热模拟研究［J］.热加工工艺，2010，39（7）：18-21.

［3］冯超.基于Marc和遗传算法的焊接工艺参数优化［J］.北京交通大学学报，2012，36（4）149-152.

［4］许海玲.基于ANSYS模拟不同参数对20钢焊接温度场的影响［J］.热加工工艺，2011，40（15）：71-72.

［5］孙盼.Q235钢焊接温度场的数值模拟［J］.中国水运（下半月），2010，10（7）：52-54.