基于高斯热源的T型接头焊接数值模拟

于亚海 (中石化石油工程机械有限公司第四机械厂，湖北 荆州 434024)

张锦洲，张林修 (长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

随着社会生产技术的发展，T型接头的钢板在工业生产中的应用越来越广泛。目前，舰船、桥梁、车辆、航天、航空、锅炉、电机、电子、冶金、能源、石油化工、矿山机械、起重机械、建筑及国防等各个工业部门的重要结构，都会用到T型接头焊接构件。

然而，T型接头焊接温度场和应力场的数值模拟研究相对较少，且对T型焊接的研究多用双椭球模型作为热源[1～3]，很少采用高斯模型，但在实际生产中等离子弧焊等焊接方法采用高斯热源模型更接近实际情况，因此有必要深入这方面的数值模拟研究工作。

1 计算模型

图1 网格划分

图2 高斯热源模型

1.1 几何模型及网格划分

采用有限元方法对12mm×12mm×120mm的T型接头建模：先生成点，由点生成线，由线生成面，然后分网、离散化，再把分好网的面生成体。焊缝区及近焊缝区划分网格较密，而在远离焊缝区网格划分较为稀疏。网格划分如图1所示。

1.2 材料热物理性能条件

选用低合金高强度结构钢s355j2g3，其焊接结构模拟分析属于瞬态热分析，s355j2g3的热物理性能不是恒定不变的，其参数随温度的变化而变化。s355j2g3钢的热物理性能参数随温度变化的关系见参考文献[4]。

1.3 热源模型

热源模型采用3D高斯热源模型，如图2所示。采用间接耦合法进行计算：首先根据热传导方程得到节点热流率向量,然后将其做为荷载引入应力场求解方程。3D高斯热源模式的实质上是一系列平面高斯热源沿工件厚度方向叠加，而每截面的热流分布半径为r，沿厚度方向呈线性衰减[5,6]。高斯热源函数方程如下：

(1)

(2)

(3)

式中，q为热源有效功率，J/s；k表示热源集中程度的系数，1/mm2；r为圆形热源内某点与中心的距离，mm。

1.4 焊接参数

采用等离子弧焊、焊接功率为3000W、焊接速度取3mm/s、热效率为0.6[7,8]进行焊接模拟。

2 温度场分析

温度场分布如图3所示，从图3可以看到焊接过程整个温度场的变化状况：焊接刚刚开始时，焊件升温迅速，T型结构横板和立板温度场基本对称，横板焊接热影响区比立板稍大；10s后焊接加热过程基本完成，焊件进入冷却阶段，冷速较快，最后焊件各点温度逐渐降到室温。

图3 焊件过程中温度场分布

随着焊接热源的移动，温度场也随之发生变化。热源直接加热的熔池中部温度很高，在同一时刻焊缝的不同位置受热情况不同。在焊缝区及近焊缝区，以热源为中心，通过对流、辐射、传导等热传递方式向周围传递热量，在热源周围形成一个相对稳定的温度场。而在远离焊缝的母材部位，其温度变化并不明显，说明在焊接中这一区域受影响较小。

3 晶相转变分析

图4为焊缝末端3645节点以及整个焊缝的温度循环曲线, 图5是节点3645的晶相转变图。

图4 温度循环曲线

图5 节点3645的晶相转变图

从图5可以看出，节点热循环曲线与图4分析的一致，温度经历了迅速升温，到最高温度后迅速降温，直至室温，冷却速度较快，导致塑性下降，硬度提高。由于s355j2g3含碳量小于0.2%，属于低合金高强度结构钢，即原始组织为珠光体。当焊接进行到14s左右时，即达到临界温度(500℃到Ms之间)，奥氏体开始向贝氏体转变，焊到15s左右，奥氏体开始迅速向贝氏体转变；当焊接进行到19.5s时，温度降低到Ms以下，开始出现马氏体；当焊接进行到30s时，转变逐渐变慢，随着温度的不断下降，直到室温下最后得到大约71%贝氏体、27%马氏体及约1%的少量奥氏体。

4 应力场分析

焊接后应力云图如图6所示。由图6(a)可以看出，焊接应力最大值未出现在焊缝上，而是出现在横板和立板贴近焊缝的热影响区部位，主要为拉伸应力，其最大值为387.186MPa。由图6(b)可以看出，焊接应力的最大值出现在焊件的表面，由外到内逐渐衰减。由此也可以判断，T型接头横板和立板的焊接热影响区是最容易出现缺陷的部位。且焊接应力的数值相当大，但其作用范围是很小的。随着离开热影响区距离的增大，焊接应力则迅速衰减。

图6 焊后应力云图

5 结论

1)等离子弧焊焊接热源可采用高斯热源模型，模拟结果较好。

2)焊接温度场和应力场采用间接耦合法进行计算，模拟结果较为准确。

3)T型接头应力最大值出现在热影响区，而不是焊缝部位，最大值可达300MPa以上。

4)s355j2g3钢T型接头等离子弧焊接，其主要组织为贝氏体，马氏体次之，其他相较少，且晶粒细小，性能较好。

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