不銹鋼薄板對接焊仿真分析

羅劍鋒

摘要：在薄板焊接中，高溫?zé)嵩醇虞d和移動后快速冷卻，使得焊縫處存在焊接殘余應(yīng)力。為了預(yù)測焊接殘余應(yīng)力集中地方和大小，方便進行工藝設(shè)計，采用ANSYS WORKBENCH對不銹鋼薄板對接焊焊縫進行數(shù)值分析，得出溫度場和應(yīng)力場分布。

關(guān)鍵詞：焊接;溫度場;應(yīng)力場;殘余應(yīng)力

0 ?引言

在目前的工業(yè)生產(chǎn)中，焊接因工藝過程簡單，制作加工方便;結(jié)構(gòu)簡單，強度高，已經(jīng)成為主要的結(jié)構(gòu)連接方式。但是焊接過程中產(chǎn)生的變形和殘余應(yīng)力，會對結(jié)構(gòu)強度帶來影響，特別是對于薄板，在焊縫周邊由于變形和應(yīng)力的影響，很容易引起焊縫裂開等故障，所以對焊接溫度場和應(yīng)力場的研究，可以為設(shè)計、施工方案提供有效的依據(jù)。隨著有限元和計算機軟件開發(fā)的發(fā)展，采用有限元方法對焊接進行數(shù)值模擬已取代大量的實物焊接試件，成為研究的熱點方向。本文通過ANSYS WORKBENCH對1.5mm厚薄板進行溫度場和應(yīng)力場分布有限元分析。

1 ?模型處理及材料參數(shù)確定

材料為304不銹鋼，物理參數(shù)直接引用Engineering Data Sources參數(shù)中自帶的Stainless Steel材料參數(shù)。

利用Workbench中DM進行建模，模型為兩塊長200mm，寬度50mm，厚度1.5mm板料在長度方向進行對接焊。由于板料厚度為1.5mm，采用MIG焊一次焊接成型，對于焊縫熔深和寬度分析忽略，將模型簡化為板料對接，無需坡口處理。采用SOLID六面體進行分析，網(wǎng)格大小為0.75mm。

2 ?約束條件

2.1 熱源加載

由于采用的為MIG焊，直流反接，焊接電流為80A，電壓為20V，焊接速度10mm/s。根據(jù)公式（1），計算出Q=1280J/cm。

Q=η·U·I（1）

其中Q為線能量，J/cm;η為熱效率，MIG焊熱效率較高，取0.8;U為焊接電壓;I為焊接電流。對于熱輸入較小、對熔池電弧吹力較小的情況下，采用高斯熱源即可得到較滿意的結(jié)果，采用的鎢極直徑為0.8mm直徑，熱影響半徑R=0.15mm。高斯熱源公式（2）

用ANSYS APDL中Function功能將熱源計算加載到模型上。

2.2 約束及邊界條件

頂面為A1面，其為熱源輸入邊界，其余面為對流邊界，對流系數(shù)為30W/m2·℃，基礎(chǔ)溫度為22°C，底部為豎向約束，法向為X軸的兩側(cè)面施加X向約束。如圖1所示。

3 ?溫度場分析

將熱源條件載入以后，將20S焊接過程分解為100步進行運算。求解得到溫度分布曲線，如圖2所示。

由圖2可知，焊接過程中在起弧階段0.4s時溫度達到1530°C，不銹鋼母材開始融化，焊接過程中溫度穩(wěn)定在2200°C左右。在19.6s后，焊接收弧階段達到2770°C。其焊接溫度場變化如圖3，由圖可知，焊接熱影響區(qū)域集中在平行于焊縫左右20mm范圍內(nèi)。

4 ?應(yīng)力場分布

將溫度場加載到應(yīng)力場中，得到應(yīng)力場分布圖如圖4。

由圖可知，在t=1s，焊接部分應(yīng)力為1947MPa，隨著時間的推移，其余焊縫部分緩慢冷卻，在焊接完成，t=20s時，隨著焊縫的不斷冷卻，在起焊點，殘余應(yīng)力下降到147MPa。焊接殘余應(yīng)力沿著焊縫方向分布在平行于焊縫左右20mm范圍內(nèi)。

5 ?結(jié)論

通過ANSYS WORKBENCH對不銹鋼薄板對接焊進行了數(shù)值模擬，通過對溫度場進行模擬，得到了溫度場分布情況，同時將溫度場作為載荷加載到應(yīng)力場中，得到焊接應(yīng)力分布情況，處理后，結(jié)論如下：

①焊接過程中焊縫區(qū)間溫度較高，能達到2700°C，隨著遠離焊縫距離增大，焊接熱影響逐漸減小。主要集中在平行于焊縫左右距離20mm范圍內(nèi)。②焊接過程中，應(yīng)力最大達到1947MPa，主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，應(yīng)力由焊件邊緣向焊縫處集中。隨著焊接緩慢冷卻，焊接殘余應(yīng)力主要集中在平行于焊縫左右距離20mm范圍內(nèi)，其值為147MPa。

參考文獻：

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