Q460q钢板不同焊接速度下的温度场数值模拟研究

摘 要：本文以高强度桥梁钢Q460q焊接接头为研究对象，利用数值模拟软件对桥梁用高强度钢板Q460q在不同焊接参数下焊接过程的温度场实时动态模拟，了解焊接过程中任意截面的温度梯度，有助于理解焊接过程中应力的成因，确定最佳参数，优化焊接工艺。模拟计算结果表明，三层焊接的最佳焊接工艺参数为：焊接速度5.2mm/s，焊接热功率分别为15000W，16500 W和 18000 W。

关键词：Q460q钢板；ANSYS11.0；焊接温度场；数值模拟

由于焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程，随着热源的移动，整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，材料的物理性能参数也随温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变潜热现象。因此，焊接温度场的分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。因为焊接温度场分布不均匀，在焊接过程中和焊后将产生相当大的焊接应力和变形。

通过研究，本文在试验测试和模拟计算的基础上建立了桥梁钢Q460q在不同焊接参数下三维焊接温度场的模拟分析方法，为国产桥梁钢板的开发提供了基础实验数据，为熔焊桥梁钢焊接工艺过程相关参数的选择提供了参考依据，为复杂焊接结构进行三维焊接温度场、应力和变形的分析提供了理论依据和指导，促进了有限元分析技术在焊接力学分析中的应用。

一、焊接温度场数值模拟的特点

焊接过程的数值模拟具有下述特点：（1）模型是三维的，至少在焊接区域如此，以反映内部和表面的不同冷却条件。（2）由于快速加热和冷却，模拟的过程是高温瞬态的，具有与位移和时间相关的极不相同的梯度场。（3）由于材料的热一力行为，模拟的过程是高度非线性的，并与温度密切相关。

温度场的模拟是对焊接应力应变场及焊接过程其他现象进行模拟的基础，同时通过温度场的模拟还可以预测焊接熔池形状，满足设计要求，防止诸如未熄透、烧穿、咬边、熔池等缺陷的产生。

二、物理模型的建立

采用ANSYS软件建模，材质为Q460q钢板，焊接过程是一个加热非常不均匀的过程，焊缝处温度梯度变化很大，其产生的应力分布也不均匀，划分网格时一般在焊缝及其附近的部分用加密的网格，在远离焊缝的区域，能量传递缓慢，应力分布梯度变化相对较小，这时可以采用相对稀疏的单元网格。总之，在保持精度的同时减少网格的数量。而具体到本课题的特点，如果继续采用温度场计算的网格大小（1mm），则使得计算时间过长（大约十几天左右），因此，为了缩短计算时间，采用了相应的大网格划分。具体网格划分情况见图1与图2。

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图1网格划分平面图 图2网格划分立体图

三、计算过程控制

焊接属于大应变问题，设定分析选项时，须将NLGEOM置为ON。此外，采用Full Newton一Raphson（牛顿一拉普森）方法进行平衡迭代并激活自适应下降功能、打开自动时间步长和时间步长预测以加快计算收敛。时间步长应与温度场计算时的设置一样。施加载荷时，读入热分析的节点温度并指定相应的时间点或载荷步即可。设置的参考温度值应与热分析中设置的初始温度值一样。

四、后处理

ANSYS提供两种后处理方式，分别为通用后处理器（POST1）和时间历程后处理器（POST26）。POST1可以对整个模型在某一载荷步（时间点）的结果进行后处理，POST26则可以对模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理。

在后处理中，通过两种处理器可查看某一时间点焊件上各点的各种应力、应变值或某点的值随时间变化的状况，也可用动画显示技术查看焊件在整个焊接过程中应力、应变等的动态变化过程。

五、结论

根据温度场的模拟结果，在桥梁用高强度钢板Q460q的焊接过程中，当焊接速度为V=4mm/s时，焊件被焊穿；当焊接速度为V=6mm/s时，焊缝成型效果不好。因此，选择最佳焊接参数为：打底焊时：U=30V I=500A V=5.2mm/s；二道焊时：U=30V I=550A V=5.2mm/s；封面焊时：U=30V I=600A V=5.2mm/s 。

参考文献：

[1]薛忠明.焊接温度场与应力场模拟的研究进展[J].中国机械工程，2002，13，（11）.

[2]田锡唐.焊接结构[M].北京：机械工业出版社，1981.

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