焊接变形有限元数值模拟分析

曹勇 徐建辉 侯波 汪欢

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳110043）

ANSYS是大型通用有限元软件之一。基于其自动网格划分功能，尤其是自适应网格划分技术，进行二次开发，对于处理焊接数值模拟具有独特的优势。它强大的非线性分析功能可以有效地模拟焊接非线性过程；后置处理器可以很方便地将计算结果进行彩色等值、矢量图和梯度等多种直观显示[1]。由于ANSYS具有以上功能及可靠性和可开放性等特点，应用该软件模拟焊接过程越来越受到人们的关注。

传统工艺中基本都是依靠改变焊接参数来减小焊接变形，效果不是很明显。采用大型有限元分析软件ANSYS模拟火焰筒衬套组件焊接变形过程，模拟马鞍与内环焊接过程中温度场及变形情况，总结变形规律，为焊接工装控制焊接变形的措施提供理论设计依据及数值基础。

模拟软件针对不同焊接情况下的焊接变形进行模拟。依据模拟结果，选取能最大减小焊接变形的工艺方法，减少工装种类及数目，缩短设计周期，而且节省试件经费，提高经济效益。

1 材料的物理性能分析

材料的物理性能直接影响焊接过程及其相应的应力与变形模拟精度，尤其是材料参数随着温度的变化而对焊接数值模拟影响尤为剧烈。材料线膨胀系数、弹性模量、屈服强度、热导率随温度的变化而变化。密度一般随着温度的变化不是十分明显，这里选取20℃时[2]，相应焊接材料的密度作为计算过程中的密度数据。焊接材料N263高温合金的密度为350Kg/m3，Hast X高温合金的密度为8280Kg/m3。泊松比随温度的变化不明显，这里选取泊松比为0.3。N263高温合金和Hast X高温合金的热物理参数如图1和图2所示。

图1 N263材料的线膨胀系数随温度的变化曲线图

图2 Hast X材料的线膨胀系数随温度的变化曲线图

2 有限元模型的建立

内环与马鞍焊接组件是薄壁件，在长度和厚度方向比例相差较大。生成节点和单元网格划分，过程包括三个步骤：1) 定义单元属性；2) 定义网格生成控制；3) 生成网格。为保证计算精度和提高计算速度，将其划分成非均匀网格，在焊缝处局部进行网格加密处理，内环与马鞍焊接组件网格化图见图3。有限元模型选用8节点的三维实体单元，共划分10194个节点，34503个网格单元。

图3 网格化图

3 焊接温度场对焊接残余变形的影响

内环与马鞍焊接组件数值模拟主要研究改变焊接先后顺序对焊缝位移场的影响，热源是通过假设焊缝单元内部热生成模拟施加于焊缝处。假设焊接的热源效率为0.7，室温下的辐射率为7X10-8W/m2K4，热载荷施加在焊缝处节点上，见图4，并在规定时间内完成焊接工作。室温为20℃[3]。

图4 施加热载荷图

通过模拟分析，可以看出，焊接过程中，焊接温度分布比较集中，主要分布在焊接热源附近，最高温度值为1792℃，温度实测值为1765℃。可见温度场数值模拟结果还是比较准确的。而温度场的准确模拟是进一步计算焊接应力与变形的基础。研究还发现焊缝附近存在比较大的温度梯度，而经典焊接结构理论表明，比较大温度梯度会使结构在焊接完成后在焊缝内部及其附近区域产生比较大的残余塑性应变，进而由于结构协调作用而产生比较大的焊接残余变形，影响结构的使用及装配[4]。

4 焊接变形模拟结果分析与讨论

在进行有限元分析时，材料模型选为热弹塑性，属于材料非线性，材料屈服遵循Von mises屈服条件。焊接时，焊缝及其周围附近区域因热膨胀受到周围较低温度金属的约束，产生大量的塑变，冷却后焊缝及其附近存在的残余塑变，其大小和分布就决定最终的残余应力和变形[5]。

图5所示，内环与马鞍焊接组件模拟结果，MAX的最大变形为0.494mm，在其对应的180°处变形为0.756mm，通过计算内环与马鞍焊接后径向最大的变形为1.25mm，与实际模拟结果相符。由此可见，内环与马鞍焊接组件模拟图与实际值吻合良好。

图5 内环与马鞍焊接完成后变形图

结语

通过对火焰筒衬套组件上对接、角接、塞焊等焊缝产生的特殊变形规律进行理论分析，采用合理焊接工艺参数，在有限元模拟结果指导之下，有针对性的设计不同焊接夹具，有效控制焊接变形。采用有限元分析软件ANSYS模拟火焰筒衬套组件焊接过程，模拟马鞍与内环焊接过程的温度场及变形情况；模拟结果表明，MAX最大变形为0.494mm，在其对应的180°处变形为0.756mm。通过计算可知，内环与马鞍焊接后径向最大变形为1.25mm，与实际焊后测量结果相符。利用焊接前反变形法及焊接夹具刚性固定法有效克服焊接收缩变形大的问题。通过使用焊接夹具，使内环圆度变形1mm降到0.3mm。由此可见焊接变形模拟分析对控制焊接预变形起到了良好的作用。

[1]В.А.Виноуров.Сварочнъте деформадии и Налряжения. Мосва Машнностроение[M].1978:73-78.

[2]李冬青, 孟庆国, 陶军.等. 焊接动态位移场的建模与数值模拟[M]. 2002:3-21.

[3]中国机械工程学会焊接学会编. 焊接手册， 第3卷[M]. 2001:233-237.

[4]沈鸿.机械工程设计手册[M]. 1982:21-32.

[5]陈丙森. 焊接手册.焊接结构， 第3卷[M].2002:354-367.