重型运输车车架焊接温度场的研究

朱伟军，卢文壮，刘 杨，杨 波

(1.南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016；2.75160部队，广西 桂林 541005)

重型运输车车架焊接温度场的研究

朱伟军1，卢文壮1，刘 杨1，杨 波2

(1.南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016；2.75160部队，广西 桂林 541005)

应用ANSYS对重型运输车车架焊接温度场进行了数值模拟。建立重型运输车车架焊接温度场的有限元模型，能过适当选取和处理高温时材料的热物理性能参数，应用ANSYS有限元软件中的APDL语言编写了温度场数值模拟的相应计算机程序，采用高斯热源法模拟重型运输车车架焊接热源的移动过程，采用ANSYS有限元软件中的生死单元技术来模拟焊缝逐次填充的过程，得到了重型运输车车架焊接温度场瞬态变化情况及特征点的热循环曲线，获得了重型运输车车架特征点焊接温度场的变化规律。通过测温试验验证仿真结果与试验结果焊接具有良好的一致性。

重型运输车架；高斯热源；温度场

0 前言

重型运输车已经广泛应用于国防建设、油田作业、采矿、森林运输等特殊作业环境。重型运输车底盘车架在焊接制造过程中仍然存在着焊接变形较大等问题，而影响焊接变形的主要因素是焊接温度。由于影响焊接温度的焊接工作条件和焊接过程工艺参数的制定目前在生产中很大程度上依赖于少数有经验的焊接专家，这些都将影响到产品质量。本研究结合重型运输车制造工程实际，以仿真软件ANSYS为基础，对重型运输车车架进行温度场的数值模拟分析，通过少量的实验验证数值方法处理某一问题的正确性[1]，来得到最佳的设计、工艺方法和焊接参数，从而节省人力、物力和时间，降低对专家的依赖，减少人为失误，提高生产效率和焊接质量。

1 建模与分析

1.1 有限元模型的建立和网格的划分

基于实际的重型运输车车架，该焊接件属于三块板搭接焊，共有四道焊缝，实物如图1所示，建立的有限元模型如图2所示。在进行温度场分析时，采用的单元类型为热单元PLANE77。由于焊接温度场瞬间变化大，要想获得一个好的温度场，焊缝处的单元应划分的相对细小，而远离焊缝的区域则相对较大一些。这样划分既能保证好的计算精度，又能保证良好的运算速度。

图1 车架实物

图2 有限元模型

1.2 材料的热物理性能参数

焊接温度场数值模拟过程中需要的热物理性能参数有：导热系数、密度、比热容。焊接模拟属于典型的瞬态非线性分析，焊接过程中焊接件的温度从室温变化到1 500℃以上，然后又冷却到室温，温度变化十分剧烈，因此材料的热物理性能参数也相应的发生变化，分析时必须确定好相应的特性参数。本研究通过在ANSYS中输入材料的典型热物理性能参数，建立相应的数据库，其他未知温度的热物理性能参数可以通过外推法和插值法来确定。

1.3 高斯热源模型

焊接热源模型的选择是实现焊接过程数值模拟的基本条件。焊接热源具有瞬时、集中、移动的特点，易形成对空间和时间梯度都很大的不均匀的温度场，这正是形成焊接残余应力和变形的根本原因。因此，焊接热源模型的选择对温度场正确的数值模拟至关重要，进而为应力场的结构分析打下良好的基础。对于CO2气体保护焊，可以不用考虑电弧吹力和熔池流体传热特征，并且由于高斯热源分布函数在无限远处的热流密度逐渐趋向于零，正好符合焊接实际热源的分布特征。所以，采用高斯热源模型(见图3)模拟焊接热的移动过程能够得到较为满意的结果。高斯热源的热流密度函数为[2]

式中 q(r)为热源有效加热范围内半径为r处的表面热流；Q为输入热量，Q＝ηUI，其中η为加热效率，U为焊接电压，I为焊接电流；R为有效加热半径，r为点到电弧加热中心的距离。

图3 高斯热源模型

1.4 生死单元技术

在进行焊接过程中，焊缝的产生是焊接材料逐次填充的结果，也就是说焊接模型中焊缝处的单元最初是不存在的，随着焊接的进行将逐渐产生。因此，要想真实地模拟焊接的这一过程，就必须使用ANSYS有限元软件中的生死单元技术。

ANSYS中单元的生死，并不是将“死亡”的单元从模型中删除掉，而是将“死亡”单元刚度矩阵乘以一个很小的因子，因子缺省值为1E06[3]。从而，使那些被“杀死”的单元的载荷、质量、阻尼等变为零；单元的“出生”也不是将新的单元添加到模型中，而是将以前“死亡”的单元重新激活，激活后，该单元的刚度、载荷、质量、阻尼等将恢复到原来的初始值。

在使用ANSYS进行焊接温度场数值模拟的过程中，首先应将焊缝处的单元全部“杀死”，随着焊接的进行，再将焊缝的单元依次激活，以此来模拟焊缝填充的过程。

2 车架焊接温度场仿真结果分析

2.1 焊接工艺条件

选用的焊接工艺参数为：焊接电流220 A、焊接电压25 V、焊接热效率0.7、焊接速度5 mm／s、电弧的有效加热半径20 mm，焊接过程中的初始温度为20℃。由于该重型运输车车架焊接过程中分为四道焊接，这就会关系到焊接顺序的问题，因此本研究采用的焊接顺序是从上到下依次焊接来进行温度场的数值模拟和实验。

2.2 温度场分析

焊接残余应力的存在是产生焊接变形的根本原因，对焊接质量的提高带来直接影响。焊接温度场的数值模拟是焊接应力场结构分析的前提，温度场计算结果的正确性对应力场的数值模拟产生相当大的影响[4]。

该重型运输车车架长度达8m，给温度场结果分析带来诸多不便，并且在ANSYS窗口中不易整体显示。因此，为了研究方便，将重型运输车车架在长度方向上均分为20段，每段长400mm，应用ANSYS软件中的Select—Everything Below—Selected Volumes命令集中对其中一段进行相应的温度场结果分析。实际观察和理论研究发现，整体车架和其中的每一段的温度场都有相似的变化规律。

图4 第一道焊缝焊接和冷却温度云图

图5 第二道焊缝焊接和冷却温度云图

图6 第三道焊缝焊接和冷却温度云图

图7 第四道焊缝焊接和冷却温度云图

图4～图7分别是第一～第四道焊缝在焊接过程中某瞬时以及冷却过程的温度场分布云图。

由图可知，焊接过程正是热源移动的过程，随着热源的移动，焊缝逐次填充，焊接件上的各点温度随时间发生相应的变化；在电弧的前方温度的梯度比较大，在电弧的后方温度梯度相对小些；从冷却云图可以看出，冷却到最后都达到了室温，在焊缝附近冷却的相对慢些，这是由于焊缝及焊缝附近只能靠热传导和热辐射进行散热，而焊接件的其他部位可以多个方向进行散热，因此冷却较快。

在ANSYS有限元分析软件的时间后处理器中，可以定义平行于焊接方向和垂直于焊接方向的各点来绘制温度时间历程曲线。以第一道焊缝为例，图8显示了焊缝中心线上距离焊接起始端距离分别为100 mm(A点)，150 mm(B点)，200 mm(C点)，250 mm(D点)，300 mm(E点)五个特征点的热循环曲线。

图8 平行于焊缝方向各点的热循环曲线

由图8可知，沿焊缝方向，在焊缝中心线上距离焊接起始端等距离的各点的温度时间历程具有相似的变化规律。在焊接过程中，随着焊接电弧的移动，焊接件上某节点温度由低温到高温迅速升到了最大值，然后温度开始缓慢下降，开始冷却。从图8还可知，焊接件加热的速度要明显大于冷却的速度，这是由于焊接件初始温度比较低，焊接热源具有集中性、瞬时性，使得焊接件迅速升到了最大值，当电弧远离该位置时，之前的余热使其温度下降较慢。这一快速加热升温以及缓慢冷却降温正好符合焊接的实际过程。

为了分析远离焊缝区域的焊接件的温度变化情况，在垂直于焊接方向上取距离焊接起始端200 mm的焊缝中心点(Ⅰ点)以及距离焊缝中心线距离3 mm (Ⅱ点)、6 mm(Ⅲ点)、12 mm(Ⅳ点)、18 mm(Ⅴ点)五个特征点，通过ANSYS的时间历程处理器得到这五个节点的热循环曲线，如图9所示。当焊接热源移动到焊缝中心截面时，焊缝附近的节点瞬时达到最高温度值，当热源移动过后，温度又逐渐下降到一个比较低的温度。由图9还可知，由于焊接热源的局部性，随着距离焊缝中心线距离的增大，各个节点达到的最高温度值依次下降[5]。由此可见，在距离焊接起始端距离相等、而离焊缝中心线距离不相等的各点的热循环曲线的变化规律不同，各节点瞬时达到最高温度的时间基本一致，只是由于焊接热对流、热传导使得远离焊缝中心线的节点达到最高温度的时间稍微滞后些。并且由于热传导的缘故，靠近焊缝中心线的温度变化剧烈些，而远离焊缝中心线的温度相对平缓，这与实际的焊接情况相吻合。

图9 垂直于焊缝方向各点的热循环曲线

3 实验验证

为了进一步提高数值模拟的准确性，必须通过相应的试验结果进行验证。重型运输车车架焊接温度场数据采集试验装置如图10所示。为了使热电偶不被熔入焊缝内而遭破坏，采取了远离焊缝处对焊接温度场进行实时采集，在平行于焊缝方向和垂直于焊缝方向的位置处布置一系列的点，通过温度采集器采集数据并进行保存。测量点在距离焊缝边缘线2 mm处布置，采用K型镍铬-镍硅热电偶实时测量瞬态焊接温度，其模拟和试验热循环曲线如图11、图12所示。a、b、c、d、e分别为距离焊缝4 mm且距离起焊端分别为100mm、150mm、200mm、250mm、300 mm的测量点。

由图11、图12可知，模拟结果、试验结果的热循环曲线温度升高和降低的趋势基本一致，焊接温度都是急速升高和缓慢降低。试验测量结果的峰值明显小于模拟结果，模拟结果的峰值为1 100℃，实际测量结果的峰值为980℃。图13和图14分别是测量点1、2、3、4的模拟和试验温度变化曲线，1、2、3、4分别为垂直于焊缝方向距离起焊端200 mm，且距离焊缝中心线3 mm、6 mm、12 mm、18 mm的测量点。由图可知，随着热源的移动，近焊缝区的点很快达到最高，而后迅速降低，最后趋于平缓；远离焊缝区的点达到峰值稍微滞后。模拟结果与测量结果的温度变换趋势基本一致，实际测量结果的峰值偏低，大概为1 200℃。

图10 测温试验装置和数据采集

图11 平行于焊缝方向各点温度模拟曲线

图12 平行于焊缝方向各点温度试验曲线

图13 垂直于焊缝方向上各点温度模拟曲线

图14 垂直于焊缝方向上各点温度试验曲线

4 结论

针对重型运输车车架进行了焊接温度场的数值模拟，采用高斯热源模型来模拟焊接实际热源的移动过程，应用ANSYS有限元软件中的生死单元技术模拟焊缝的逐次填充过程，成功模拟了焊接的实际情况，获得了重型运输车车架不同焊接时刻焊接的动态变化情况以及焊接件第一道焊缝不同节点温度时间历程曲线。结果显示：平行于焊缝方向上的各点随着热源的移动逐次迅速升高到峰值，之后缓慢下降；垂直于焊缝方向上的各点在同一时间内随着距离焊缝的增加先后达到各自的峰值，温度呈现出一定的梯度。并且通过实验进行了对比验证，分析结果与实际结果相符。这不仅为重型运输车车架残余应力的研究提供了良好的数据基础，而且能大大减少实验工作量，减少人为误差，为焊接过程的智能化控制提供重要参考。

[1]李 文，邹 隽，郑 勤，等.20钢中厚板对焊过程温度场的数值模拟[J].中国水运，2009(4)：111-114.

[2]高耀东，何 雪.基于ANSYS单元生死技术的焊接模拟[J].金属铸锻焊技术，2010(4)：120-122.

[3]王 淋.特厚板对接多道焊温度与应力仿真分析[D].重庆：重庆交通大学，2008.

[4]李卫京.熔化焊焊接接头的温度场和应力数值模拟[D].北京：北京交通大学，2009.

[5]韩 喆，于有生，金阳明，等.基于ANSYS的对接焊温度场的数值模拟[J].中国水运，2006(11)：106-109.

Research on welding temperature field of heavy vehicle frame

ZHU Wei-jun1，LU Wen-zhuang1，LIU Yang1，YANG Bo2
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，NUAA，Nanjing 210016，China；2.Army 75160，Guilin 541005，China)

The welding temperature field of heavy vehicle frame was simulated using FEA software—ANSYS.The welding temperature FEM of heavy vehicle frame was established.Material property parameter in high temperature was properly chosen.The computer program of the welding temperature simulation was compiled using APDL of FEA software.The method of Gauss heat source and“life-death element” technique were applied to deal with the moving of heat source and the filling of welding material step by step in simulation.Three dimensional transient welding temperature field and the temperature distribution curves of special points on weldment were gained.The welding temperature field variation of special points on heavy vehicle frame was gained.The temperature measurement test was done to verify the simulated results.The results show that the simulated results were generally agreed with test results.

heavy vehicle frame；Gauss heat source；welding temperature field

TG402

A

1001-2303(2011)10-0027-05

2011-07-10

朱伟军(1985—)，男，山东潍坊人，在读硕士，主要从事机械制造及其自动化方面的研究。