厚板多层多道焊焊接过程的有限元分析

厚板多层多道焊焊接过程的有限元分析

0有限元模拟分析在焊接过程分析中的应用中厚钢板的焊接通常采用多层多道焊接。在焊接过程中，母材料和焊接金属经历了多次焊接热环过程，整个温度场的变化非常复杂。环层及其材料的热环过程对焊接质量、强度分布和结构完整性有重要影响。对工艺温度场和热环过程的分析和研究对于提高高质量的焊接结构具有重要意义。采用有限元模拟技术对工件的温度场进行分析是一种十分简便可行的方法，有利于确定最佳焊接工艺参数，改善焊接状态及应力分布状态，提高焊接质量。本文利用ANSYS有限元软件中的单元“生死”法对多层多道焊的焊接过程和瞬态温度场的分布进行了计算。1模拟温度场数学模型1.1内任意一部分温度焊接温度场热循环过程是典型的非线性瞬态热循环问题，在温度场求解域内任意一点的瞬态温度T(x,y,z,t）应满足以下微分方程：式中：为求解域中的内热源强度，W；λ为热导率，m2/s;C为材料比热容，J/（kg·℃）；ρ为材料密度，kg/m3;T为温度，℃。1.2热边界处理试件上下表面和周围环境之间热交换过程按热流和换热边界进行处理：式中：n是边界表面外法线方向；q是单位面积上的外部输入热流；b是表面换热系统；Tα是周围介质温度，室温为Tα=293K。1.3有限元模型建立利用电弧焊方法进行焊接时，采用高斯分布的表面热源可以获得合理的温度场结果，本文采用高斯分布热源进行有限元数值模拟计算。高斯热源的表达式为：式中：q*为热源密度，J/m2·s;k为系数，1/mm2;r为距斑点热源中心的距离，mm。2几何模型的构建2.1数值模型的建立笔者根据实际试件的几何尺寸建立模型，工件选用2块200mm×100mm×14mm的Q235钢板，由于是采用多道焊，在模型的简化上不能进行对称处理，所以建立的有限元模型是整个焊接构件。考虑到余高的存在，将第3层焊缝的每一道的上表面处理为一个较小的弧面，模型示意图如图1所示。而在实际焊接过程中存在着焊缝填加金属与基体之间、后填加的金属与先填加的金属之间的相互熔化问题，这在有限元计算中实现比较困难，所以为了简化模型将焊缝的几何模型近似处理为规则形状。实体模型如图2所示。2.2加热-加热区热循环焊接过程是一个不均匀加热的过程，在焊缝处温度梯度变化很大。划分网格时采用的是不均匀网格划分，在焊缝及其附近的部分用加密的网格，在远离焊缝的区域，温度分布梯度变化相对较小，细节可以忽略。在焊缝区，由于这一部分受到反复的加热-冷却-加热的热循环作用，温度梯度变化大，所以在此区域内采用形状规则、容易收敛的映射网格进行划分。在映射网格划分的过程中由于它总是均匀的，在控制网格大小时会出现偏差，网格划分结果如图3所示。2.3焊接过程的热传导分析由于大型结构厚板件的焊接都是采用开坡口的方法及熔化极焊接，这样就不可避免地存在金属的不断填充，在数值模拟中表现为焊件的单元和节点随着焊接过程不断增加，给数值计算的编程带来了一定的困难。基于上述原因，一般假设由焊丝或焊条填充的焊道部分在焊接之前已经存在，由于焊道部分对于整个焊件来说所占的体积比较小，所以此项假设对整个焊接过程的热传导分析影响不是很大。对于多层多道焊可以利用有限元分析中的单元“生死”方法来进行模拟。2.3.1焊接道部分对于焊接过程的影响假设由焊丝或焊条填充的焊道部分在焊接之前已经存在，由于焊道部分对于整个焊件来说所占的体积比较小，所以此项假设对整个焊接过程的热传导分析影响不是很大。对于多层多道焊可以利用有限元分析中的单元生死方法来进行模拟。2.3.2热流密度的施加由于焊接时热源随着时间的变化在工件表面移动，所以温度场是一个随时间变化的函数。移动的高斯热源对于模拟焊接瞬态过程是比较适合的。要实现高斯热源在工件表面随着时间移动，就要把施加热载荷的过程按照时间分为多个小时间段。现将焊接结构沿焊接方向以L为长度等分焊缝为n段，在每个时间段施加当前的热流密度。当下一个时间段加载开始时，消除上一时间段所加的高斯热流密度，上一次加载所得的温度场为下一次加载的初始条件。每次加载为一个时间步，如此依次在各点加载可模拟移动焊接瞬态温度场。2.3.3焊接顺序的分析在第1道焊缝中心位置取一点为1点，在焊缝两边的母材部分分别取两点为2,3，具体取样点位置如图4所示。位置处于1点的整个焊接过程中热循环曲线如图5所示，2,3点的热循环曲线如图6所示。1点位于第1道焊缝的内部，可以看出在焊接第1道时1点处的温度在2000℃左右，处于完全熔化状态，随着焊接热源的向后移动，温度持续下降，直到进行第2层第1道焊缝的焊接时又升温到一定的峰值温度，随后由于热源的移动温度又持续下降。后面第2层第2道和第3层各道的焊接仍然进行以上的循环过程。由总的热循环曲线可以明确地看出，由于焊接顺序的不同，在试件上不同位置的取样点的热循环曲线的峰值温度出现在不同的时刻，由于在焊接第2层时靠近2点的焊道先于靠近3点的焊道进行焊接，所以从图6可以明显地看出，2点的峰值比3点先出现，同样的在焊接第3层时也是2点一侧的焊道先进行焊接，所以在第4道的热循环曲线是2点的温度高于3点的温度，而在焊接第6道时3点的温度高于2点的温度。尽管2,3点距离坡口边缘的距离都为10mm，在焊接第4道时右侧的母材由于热传导的作用，温度有所升高，所以在焊接第6道时3点的温度要高于焊接第4道时的2点温度。3测量结果与模拟结果进行比较3.1焊接工艺参数试验用2块200mm×100mm×14mm的Q235钢板，焊接时，试件开60°V形坡口，采用CO2气体保护焊，焊丝直径为1.2mm，气体流量为12L/min，具体焊接工艺参数见表1。3.2红外温度场测量的测量红外热成像仪是一种红外测温设器，其体积比较小，与红外测温仪不同的是，只用1台成像仪即可以测得每一个点的温度，生成每一点的热循环曲线，并且输出温度场分布云图，操作过程简单易行，是比较常用的温度场测量方法。本文采用FLIR公司S65型红外热像仪对焊接过程中形成的温度场进行实时测量。它具有测温速度快、灵敏度高、对被测温度场无干扰、热惰性误差小及能远距离测温等优点，适合于实时检测，同时能克服接触测量焊缝中心处温度困难的不足。3.3最高温度的云图试验云图中右侧的温度值表示的是处于最高点的颜色范围内的温度最低能够保证达到数值所示的温度，所以它的最高温度并不能在云图中反映出来，但从图7的热循环曲线中可以进行具体地比较。选择与模拟时相同位置的取样点，图中左上角上显示的A点位置与模拟过程中选择的2点位置相同，查看其焊接过程的热循环曲线，如图7所示。3.4点的热循环曲线笔者从模拟结果与试验结果的比较中可以看出，实际焊接过程中的取样点A和图4中2点的位置与A点的位置一致，它们的热循环曲线的趋势是一致的，2点的最高温度出现在第4道焊缝处，并且A点的最高温度同样出现在第4道焊缝处；2点的最高温度是1410℃，A点的最高温度值是1300℃，它们之间的误差在8%左右。3.5模型假设错误的原因造成上述误差的因素有以下3种：(1)热物理参数造成的误差，由于热物理参数的测量比较困难，公式中推导得出的是理论值，和实际值有所差别，而造成误差；(2)因为本文在模拟过程中，为了简化模型，做了一些简化假设造成误差；(3)热像仪的因素，虽然红外热像仪精度高，误差小，但是在焊接过程中，电弧的弧光会对红外热像仪的测量精度产生影响，这种影响也是影响试验数据不准确的原因。4层焊焊接过程温度场