角焊温度场影响因素的有限元分析

李卓明

（同济大学 汽车学院，上海 201804）

角焊温度场影响因素的有限元分析

李卓明

（同济大学 汽车学院，上海 201804）

本文采用有限元软件ANSYS对角焊模型的温度场影响因素进行分析和研究。通过选取三组不同的热输入值和焊接速度，运用控制变量法深入了解焊接热输入及速度对温度场的影响。仿真结果表明，随着热输入值增大，熔合区在X、Z向上的宽度都会增大，高温区在Z向上的宽度也会增大；随着焊接速度增大，熔合区和热影响区在Z向上的宽度都会减小，高温区在Z向上的宽度也会减小。

角焊模型 温度场 有限元分析

引言

在汽车结构件焊接中，角焊缝是最基本和最重要的接头形式之一。由于其结构形状和散热条件的特殊性，往往焊缝的冷却速度较快，不仅其根部容易产生未焊透的情况，而且在冷却后还将形成较大的应力集中。因此，研究和掌握角焊的温度场影响因素便显得尤为重要。

1 角焊模型温度场分布

本文选择了一种简易支架作为典型的角焊模型。该支架由两块钢板互成直角组成，材料均为16Mn低合金高强度结构钢，通过采用非均匀网格划分的方法建立有限元模型，并加载温度热源及热对流载荷。根据热量公式及实际焊接参数，计算确定热输入值为1892℃。焊接期间，共经历4段等分焊缝，每段焊缝的焊接时间设定为1s，且每段焊缝间没有等待时间，考察经历4s、50s及1060s后的温度场分布情况。

图1为焊接热源在t=4s、50s、1060s时的温度云图。

图1 支架模型温度云图

由于存在焊接热传导、热对流的综合散热作用，使支架模型的温度出现阶梯式非均匀分布，且在热源移动过程中，焊件的升温速度远大于冷却速度，最终焊件上各处的温度趋于某一接近室温的固定值。

2 热输入对温度场的影响

为研究热输入对温度场的影响，选取3组具有相同焊接速度（15mm/s），热输入值分别为1658℃、1892℃、2126℃的参数，考察经历4s、50s后的温度场分布情况。当t=4s、T1=1658℃时，熔合区在X向上的宽度约为21mm，在Z向上的单边宽度约为6mm；当T1=1892℃时，熔合区在X向上的宽度约为42mm，在Z向上的单边宽度约为6.5mm；当T1=2126℃时，熔合区在X向上的宽度约为47mm，在Z向上的单边宽度约为7mm。图2为t=4s时不同热输入值的温度分布曲线图。

图2 X、Z向温度分布曲线图

焊接冷却时的温度场分布可以通过讨论高温区（300℃-MAX℃）在Z向上的单边宽度来描述。当t=50s、T1=1658℃时，300～423℃区间在Z向上的单边宽度约为20mm；当T1=1892℃时，300～505℃区间在Z向上的单边宽度约为25mm；当T1=2126℃时，300～605℃区间在Z向上的单边宽度约为28mm。

通过分析发现，随着热输入值增大，熔合区在X、Z向上的宽度都会增大，高温区在Z向上的宽度也会增大。

3 焊接速度对温度场的影响

为研究焊接速度对温度场的影响，选取3组具有相同热输入值（1892℃），焊接速度分别为15mm/s、7.5mm/s和5mm/s的参数，考察经历第4个、第11个载荷步后的温度场分布情况。

当t为第4个载荷步、v=7.5mm/s时，熔合区在Z向上的单边宽度约为6.7mm，热影响区在Z向上的单边宽度约为2.4mm；当v=5mm/s，熔合区在Z向上的单边宽度约为6.9mm，热影响区在Z向上的单边宽度约为2.6mm。

当t为第11个载荷步、v=7.5mm/s时，300～599℃区间在Z向上的单边宽度约为27mm；当v=5mm/s，300～667℃区间在Z向上的单边宽度约为30mm。

图3为t为第11个载荷步时不同速度的温度分布曲线图。

图3 Z向温度分布曲线图

通过分析发现，随着焊接速度的增大，熔合区和热影响区在Z向上的宽度都会减小，高温区在Z向上的宽度也会减小。

4 结论

本文通过有限元对比分析，发现了焊接热输入和速度对角焊温度场变化的规律，与支架焊接后的实测结果基本吻合。因此，本文的研究成果为工程应用中角焊温度场的过程控制提供了可靠的指导依据。

[1]邱葭菲.焊工工艺学[M].北京：中国劳动与社会保障出版社，2006.

[2]詹尚贤.角焊缝与对接焊缝的差异与存在问题[J].中国锅炉压力容器安全，1999，（1）：19.

[3]李志永.挖掘机动臂焊接残余应力分析与焊接顺序优化[D].长春：吉林大学，2013.

Finite Eelement Analysis of the Influencing Factors of Temperature Field in Fillet Welding

LI Zhuoming
(automobile college, Tongji University, Shanghai 201804)

In this paper, the finite element method is used to analyze and study the influence factors of the temperature field of the ANSYS diagonal welding model. By selecting three different heat input values and welding speed, the influence of welding heat input and speed on the temperature field is deeply understood by the control variable method. Simulation results show that with the increase of heat input value, the fusion zone in X and Z direction width will increase and high temperature zone in the Z direction width will increase; with the increase of welding speed, width of the fusion zone and heat affected zone in the Z direction can reduce the, high temperature zone in the Z direction width will decrease.

fillet weld model, temperature field, finite element analysis