不锈钢薄板对接焊仿真分析

罗剑锋

摘要：在薄板焊接中，高温热源加载和移动后快速冷却，使得焊缝处存在焊接残余应力。为了预测焊接残余应力集中地方和大小，方便进行工艺设计，采用ANSYS WORKBENCH对不锈钢薄板对接焊焊缝进行数值分析，得出温度场和应力场分布。

关键词：焊接;温度场;应力场;残余应力

0  引言

在目前的工业生产中，焊接因工艺过程简单，制作加工方便;结构简单，强度高，已经成为主要的结构连接方式。但是焊接过程中产生的变形和残余应力，会对结构强度带来影响，特别是對于薄板，在焊缝周边由于变形和应力的影响，很容易引起焊缝裂开等故障，所以对焊接温度场和应力场的研究，可以为设计、施工方案提供有效的依据。随着有限元和计算机软件开发的发展，采用有限元方法对焊接进行数值模拟已取代大量的实物焊接试件，成为研究的热点方向。本文通过ANSYS WORKBENCH对1.5mm厚薄板进行温度场和应力场分布有限元分析。

1  模型处理及材料参数确定

材料为304不锈钢，物理参数直接引用Engineering Data Sources参数中自带的Stainless Steel材料参数。

利用Workbench中DM进行建模，模型为两块长200mm，宽度50mm，厚度1.5mm板料在长度方向进行对接焊。由于板料厚度为1.5mm，采用MIG焊一次焊接成型，对于焊缝熔深和宽度分析忽略，将模型简化为板料对接，无需坡口处理。采用SOLID六面体进行分析，网格大小为0.75mm。

2  约束条件

2.1 热源加载

由于采用的为MIG焊，直流反接，焊接电流为80A，电压为20V，焊接速度10mm/s。根据公式（1），计算出Q=1280J/cm。

Q=η·U·I（1）

其中Q为线能量，J/cm;η为热效率，MIG焊热效率较高，取0.8;U为焊接电压;I为焊接电流。对于热输入较小、对熔池电弧吹力较小的情况下，采用高斯热源即可得到较满意的结果，采用的钨极直径为0.8mm直径，热影响半径R=0.15mm。高斯热源公式（2）

用ANSYS APDL中Function功能将热源计算加载到模型上。

2.2 约束及边界条件

顶面为A1面，其为热源输入边界，其余面为对流边界，对流系数为30W/m2·℃，基础温度为22°C，底部为竖向约束，法向为X轴的两侧面施加X向约束。如图1所示。

3  温度场分析

将热源条件载入以后，将20S焊接过程分解为100步进行运算。求解得到温度分布曲线，如图2所示。

由图2可知，焊接过程中在起弧阶段0.4s时温度达到1530°C，不锈钢母材开始融化，焊接过程中温度稳定在2200°C左右。在19.6s后，焊接收弧阶段达到2770°C。其焊接温度场变化如图3，由图可知，焊接热影响区域集中在平行于焊缝左右20mm范围内。

4  应力场分布

将温度场加载到应力场中，得到应力场分布图如图4。

由图可知，在t=1s，焊接部分应力为1947MPa，随着时间的推移，其余焊缝部分缓慢冷却，在焊接完成，t=20s时，随着焊缝的不断冷却，在起焊点，残余应力下降到147MPa。焊接残余应力沿着焊缝方向分布在平行于焊缝左右20mm范围内。

5  结论

通过ANSYS WORKBENCH对不锈钢薄板对接焊进行了数值模拟，通过对温度场进行模拟，得到了温度场分布情况，同时将温度场作为载荷加载到应力场中，得到焊接应力分布情况，处理后，结论如下：

①焊接过程中焊缝区间温度较高，能达到2700°C，随着远离焊缝距离增大，焊接热影响逐渐减小。主要集中在平行于焊缝左右距离20mm范围内。②焊接过程中，应力最大达到1947MPa，主要表现为拉应力，应力由焊件边缘向焊缝处集中。随着焊接缓慢冷却，焊接残余应力主要集中在平行于焊缝左右距离20mm范围内，其值为147MPa。

参考文献：

[1]贺鸿臻.热源模型对焊接数值模拟影响的研究[D].内蒙古科技大学，2015.

[2]朱学敏，王宗彦，吴淑芳，张丽琼，潘变.薄板焊接残余应力和变形的数值模拟[J].热加工艺，2012（21）：159-161.

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