1、2023年 第5期 热加工86焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g基于ANSYS的异种高强钢焊接温度场及应力场模拟分析艾铭杰，杜德志，白宇鹏，李海涛山东奥太电气有限公司 山东济南 250000摘要：在焊接过程中，高温移动的热源及随后的快速冷却，使得在焊缝及其附近区域产生了不均匀的温度场，由此产生残余应力场及变形。采用有限元软件ANSYS中单元生死技术和热-结构耦合技术对异种高强钢对接接头温度场及残余应力场进行数值模拟，得出焊接接头温度场、残余应力应变场分布情况，并分析了残余应力场与焊接裂纹的关系，为制定合理的焊接工艺提供了理论依据。关键词：ANSYS；焊接；数值模拟
2、；残余应力；温度场1 序言因高度集中的热输入，故在焊接过程中和焊后将产生很大的应力和变形。但焊接残余应力会严重影响钢结构的使用性能，因此对焊接残余应力进行计算和分析具有很重要的现实意义。本文在总结前人工作的基础上，结合数值计算的方法，运用有限元分析软件ANSYS对焊接温度场和焊接残余应力场进行了三维实时动态模拟研究。随着科学技术的发展，低合金高强度钢的应用越来越广泛。但随着强度级别的提高，钢材焊接稳定性下降、塑韧性变差、裂纹敏感性上升1。而焊接裂纹的产生主要是由于焊接残余应力分布不均匀，在应力集中区超过了屈服极限，因此才产生了裂纹源。大量的生产实践和理论研究表明，钢种的淬硬倾向、焊接接头氢含量
3、及其分布、接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素2。本文采用MKGHS-70焊丝、82%Ar+18%CO2气体保护焊的方法对Q890和Q960异种低合金高强钢进行焊接，运用大型模拟软件ANSYS对焊接接头进行有限元模拟，计算出对接接头的温度场及残余应力场的分布及大小，为结构设计方案和施工工艺的改进提供重要依据。2 有限元模型的建立2.1 模型的建立母 材 为 Q 8 9 0 和 Q 9 6 0 低 合 金 高 强 度 钢（以 下 简 称 Q 8 9 0 钢、Q 9 6 0 钢），尺 寸 为150mm150mm25mm。焊接材料为MKGHS-70焊丝；焊接方法为82%Ar
4、+18%CO2气体保护焊；焊接过程为单道焊；直Y形坡口；焊前不预热；环境温度为室温。本文为研究焊接残余应力的分布和大小对焊接裂纹位置和大小的影响，选择了一个根部裂纹率（21.7%）较大的试样参数进行有限元模拟，具体焊接参数见表1。基金项目：山东省重点研发计划（2020CXGC010207）。第一作者：艾铭杰，硕士，工程师，主要从事新研电源产品焊接工艺应用开发、焊割电源及系统的工艺性能测试，E-mail：。通信作者：李海涛，本科，工程师，主要从事焊机研发及焊接工艺开发，E-mail：。表1有限元模拟所用焊接参数电弧电压/V焊接电流/A焊接速度/（cm/s）气体流量/（L/min）焊丝直径/mm3
5、03150.47201.2在有限元模拟中，为了提高效率，减少计算时间，缩短了母材的长度，将整个模型的长度定为2023年 第5期 热加工87焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n ga）Q890钢b）Q960钢c）MKGHS-70焊丝图2Q890钢、Q960钢及MKGHS-70焊丝各参数随温度的变化100mm，左右对称，但是材料属性左侧为Q890钢，右侧为Q960钢，取10mm焊缝长度进行模拟。在ANSYS软件中生成的初步有限元模型如图1所示。MKGHS-70焊丝的弹性模量、屈服强度和切变模量等参数随温度变化曲线如图2所示。Q890钢、Q960图1初步有限元模型2.2 设定
6、焊接参数及材料物理性能参数由于焊缝金属加热升温阶段极其短暂，因此对热源加载过程进行简化处理。本研究通过焊接参数获取焊接峰值温度作为载荷施加在焊缝上，由经验公式可算出焊接最高温度为1750。焊接过程中熔池区域存在熔化、凝固等相变，伴随相变过程有吸热和放热的能量变化。本文采用热焓法来考虑潜热，焓值的变化描述为密度、比热以及温度的函数，存在如下关系式3，4，即hC TdT=式中 h焓值变化（kJ/kg）；密度（kg/m3）；C比热kJ/（kg/K）；T温度（K）。在模拟计算过程中，既需要计算温度场，又需要计算应力应变场，选择的单元类型必须是自由度为温度的热单元，应具有热传导、对流能力，而且必须能够进
7、行热力耦合分析5。焊缝是模拟计算的主要部分，因此采用10节点三维热实体单元solid98，而对于母材，为了提高计算效率，节约计算时间，采用8节点三维热实体单元solid5。在有限元模拟中，必须对每一部分模型赋予材料属性，使之具有与实物相同的热物理参数。焊接过程中的热传导问题和热力耦合是一个复杂的非线性问题，金属材料的物理性能如热导率、比热容、弹性模量及屈服应力等一般随温度的变化而变化，如果不考虑这些变化，则计算结果就会有很大的偏差，并且由于焊接过程中塑性应变的产生，其结果必然是与过程相关的6。Q890钢、Q960钢及2023年 第5期 热加工88焊接与切割W e l d i n g&C u t
8、 t i n g钢及MKGHS-70焊丝都属于低合金高强度钢，密度均为7850kg/m3，泊松比0.3，传热系数、线膨胀系数、比热容等见表2。表2Q890钢、Q960钢及MKGHS-70焊丝物理参数温度/20500100015002000传热系数/W/（M）4336272115线膨胀系数/（1/）1.25e-51.3e-51.38e-51.4e-51.43e-5比热容/J/（kg）4605507509006002.3 网格划分对模型采用体扫掠式网格方法进行划分，最小单元尺寸为2.5mm2.5mm2.5mm，整个模型中共有1980个单元、2790个节点。ANSYS中生成的有限元模型如图3所示。2
9、.4 拘束条件对有限元模型左侧边界节点施加全约束，这样使试件在无刚性位移的条件下，保证焊接残余应力和变形得到自由释放。在模型的左右边界设定温度20，保证焊后整个试件冷却到室温。3 对有限元模型的加载与计算对模型进行网格划分，沿焊缝方向划分为4层（见图3）。这样就可以采用单元生死技术对焊缝首先全部“杀死”，然后逐层“激活”并采用高斯移动热源模型加载温度。这里“杀死”单元是将其刚度矩阵乘以一个很小的因子，从而“死亡”单元的载荷、质量、阻尼和其他类似效果都将变为零7。本文基于ANSYS软件，并用APDL（ANSYS Parametric Design Language）进行了二次开发，因此在“杀死”
10、焊缝单元前必须将焊缝单元选出，并利用Do循环和If语句将焊缝区的单元按三维坐标进行排序，这样就保证了模拟焊缝由前向后逐步“生长”的过程。4 对计算结果进行后处理4.1 焊接温度场分析温度场的数值模拟是残余应力场数值模拟的前提，温度场对残余应力和变形影响很大。试件温度场分布云图如图4所示。图4a是刚焊完后的试件温度场分布云图，可发现在焊缝中心部位温度最高，由于焊接时间极短，热量还没有传到母材，而且此时焊缝中大部分还处于短暂的熔融状态，但是又因焊缝较短，因此只能看到部分熔池的状态。图4b是焊后100s时试件温度场分布云图，可发现大部分热量已传输到母材，焊缝的温度最高为106。与2s时的温度场分布云
11、图相比，等温线由最初的椭球状变为了近似垂直状，这就说明焊后纵向的温度梯度小，横向的温度梯度大，这对焊后残余应力的分布影响很大。图3有限元模型a）2s时刻接头温度场分布b）100s时刻接头温度场分布图4试件温度场分布云图为了更好地分析焊接过程中温度随时间的变化规律，在焊接方向焊缝上随机选取了两个节点，并绘制了其温度变化曲线，如图5所示。由图5可知，2023年 第5期 热加工89焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g曲线1节点至曲线2节点为焊接方向，两节点峰值温度都达到了最大给定温度，但停留时间非常短，凝固后温度快速下降，且随温度降低，其下降速度越来越慢，基本符合金属冷却
12、过程。图5随机节点的热循环曲线图70s时路径1等效应力变化曲线图9300s时路径1残余应力变化曲线图6模拟路径及节点位置图8200s时路径1等效应力变化曲线4.2 焊接残余应力应变模拟分析焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接残余应力的决定性因素。热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成了焊接残余应力。焊接应力的产生是一个随加热与冷却而变化的材料热弹塑性应力应变动态过程8。焊接冷却过程中，焊缝处的残余应力是产生冷裂纹的主要原因，为了得出残余应力在结构中的变化情况，取路径1、路径2利用后处理器post1，绘制出焊接过程中4个时间点的等效应力
13、沿路径的变化曲线，同时利用后处理器post26，绘制出焊接过程中4个重要节点的残余应力随冷却时间的变化曲线。试件上模拟路径及节点位置如图6所示。1屈服准则等效应力需从形状改变比能的角度来衡量，即认为当材料的形状改变比能达到某一值时材料屈服9。4个时间点处的等效应力沿路径1的变化如图7图10所示。由图7图10可发现，随着冷却时间的增加，最大等效应力越来越大。图7中最大等效应力只有580MPa，且焊缝处的等效应力与近焊缝母材上的等效应力相差不大，说明在刚刚焊完后焊缝还处于半熔化状态，金属内部相互作用不大，焊接应力较小。随着冷却时间延长，焊缝开始迅速凝固，同时，热量开始由焊缝向两侧母材传递。在相变应
14、力和不均匀热力场的作用下，焊接应力开始迅速提高（见图8图10）。另外还可发现，在各个时间点的等效应力变化曲线中都是在焊缝中心处的两侧各出现一个峰值，且左侧的峰值总比右侧的峰值高。这一方面说明焊接最大残余应力在焊缝与母材的结合处，因为在试样焊接中开直Y形坡口，坡口下方有2mm的间隙，所以导致路径中心处（焊缝2023年 第5期 热加工90焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g中心）应力有所下降。MKGHS-70焊丝与Q890钢的结合处残余应力比Q960钢一侧的大，在Q890钢侧的裂纹倾向更大。理论上，在焊接过程中焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。焊接区材
15、料受热膨胀，但其膨胀受到周围较冷区域的约束，并造成（弹性）热应力，受热区域温度升高后屈服极限下降，热应力可部分超过该屈服极限，这样焊接区形成了塑性的热压缩10。各冷却时间点沿路径2的纵向残余应力变化曲线如图11所示，曲线1、2和3分别是试件冷却200s、300s和冷却室温后瞬时残余应力沿路径2的变化曲线。由图11可发现，总体上是远离焊缝的应力很小，几乎为零，在热影响区附近产生较大的压应力，且到了熔合区附近压应力达到了最大值，最终冷却至室温时在Q890钢一侧为900MPa，在Q960钢一侧为650MPa，在极短的焊缝区中，压应力迅速转变为拉应力，且在焊缝中心达到拉应力的最大值450MPa，从最大
16、的压应力转变为最大的拉应力也说明了焊缝区的薄软环节在熔合区。同时，通过观察也再一次证实了焊后随着冷却时间的增加，残余应力越来越大，与前文分析相吻合。另外，发现Q890钢一侧的残余应力相比Q960钢一侧的要大，虽然单独的纵向残余应力不足以达到材料的屈服极限造成裂纹，但是又一次证实了Q890钢一侧的裂纹倾向更大，即Q890钢的熔合区附近是整个焊接结构的薄弱部位。室温下纵向残余应力分布云图如图12所示。由图12也可发现，最大残余应力分布在两侧熔合区附近，而且在焊缝内部也有应力集中区，其是产生表面裂纹的重要原因。因此，在焊接过程中要注意所选的焊接方式和焊丝的进给速度，这两者对接头冷却速度和焊缝的成形很重要11。图10室温时路径1残余应力变化曲线图11各冷却时间点纵向残余应力变化曲线 图12室温下纵向残余应力分布云图通过对两个路径在焊后不同冷却时间点上残余应力的分析可得出，在焊缝与母材相接处（熔合线附近）的残余应力最大，且在此焊接参数下焊缝根部的残余应力达到了材料的屈服极限，同时，Q890钢一侧的残余应力比Q960钢一侧的要大。前面分析了在某一时间点试件瞬时残余应力的分布与大小，而焊接过程及其冷
