高强度桥梁钢Q460q焊接应力场的数值模拟研究

于 燕， 王 立， 贾坤宁

（1.长春工业大学材料科学与工程学院，吉林长春 130012; 2.长春工程学院机电学院，吉林长春 130012）

0 引 言

桥梁在国家基础建设中具有重要地位，它对质量和建造技术有很高的要求。我国桥梁钢从最初的16Mnq，15MnVNq到14MnNbq[1]。但是在使用过程中，这些材料缺点也逐渐暴露，因此，未能得到广泛的推广应用。Q460q[2]由于具有较高的屈服强度及良好的焊接性能，在桥梁钢中占据一席之地。

近期，焊接领域的数值模拟技术得到了广泛的应用和发展。焊接数值模拟的意义在于:根据对焊接现象和过程进行数值模拟，可以优化结构设计和工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接接头的质量。

文中运用ANSYS有限元模拟软件，对高强度桥梁钢Q460q的焊接工艺参数进行模拟，为实际生产提供了试验依据。

1 有限元模型

采用ANSYS软件建模，试件尺寸为200 mm ×1 500 mm×30 mm，材质为Q460q钢板，有限元模型如图1所示。

图1 三维立体图

焊接温度场的计算属于非线性瞬态传热问题，材料的热物理性能参数随温度而变化，许多材料的物理性能参数并不齐全，根据文献[3-4]可得Q460q钢在20～2 000℃范围内的热物理性能参数（包括温度、密度、比热、导热系数、弹性模量、线膨胀系数以及泊松比等）。为了计算的收敛，可以适当地调整高温时的参数，在计算过程中对高温时的材料性能参数进行适当地调整，其差一般不大[5]。

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，可以采用相对稀疏的单元网格;热影响区自由划分网格[6]。这样既可保证对焊缝区域的分析精度，又可实现对不同区域的不同分析。具体网格划分情况如图2所示。

图2 网格划分立体图

计算热应力时所施加的载荷就是温度场计算的结果，所以只需读入各节点的应力值即可[7]，这里将其时间步长与应力场计算时的设置一样，以便于应力载荷的读入和提高计算精度。焊接过程熔池区金属处于熔化状态，即进入零力学性能状态，其所有应力应变将消失。对此，采用生死单元[8]的方法，在每一步热应力计算时，将对应的温度场的计算结果进行选择，超过熔点的单元令其“死掉”，而低于熔点的单元将其“激活”。

2 焊接应力场模拟结果及分析

根据钢板材质和板厚，通过文献[9]可知，林肯双丝埋弧焊机最合适的焊接参数范围是:电压在29～32 V之间，电流在500～600 A之间，焊接速度为5.2 mm/s，电弧有效加热半径为 4～6 mm。三层焊接的具体工艺参数见表1。

表1 三层焊接的工艺参数

对焊接工艺分3组进行模拟对照。焊接时间分别为10，20，30，42 s时刻的应力场云图，如图3所示。

图3 第一组模拟时应力场云图

由图3中4个不同时间下的应力云图可以看出，第一种焊接参数下模拟时，焊接时刻为10，20，30，42 s时的应力分布为1.36～1 790 MPa，1.93～2 690 MPa，9.06～3 190 MPa，1.41～2 020 MPa。

第二组模拟时，10，20，30，42 s时刻的应力场云图如图4所示。

图4 第二组模拟时应力场云图

由图4中4个不同时间下的应力云图可以看出，第二种焊接参数下模拟时，焊接时刻为10，20，30，42 s时的应力分布分别为 0.77～2 760 MPa，1.8～3 010 MPa，1.52 MPa～2 660 MPa，1.3～2 670 MPa。

第三组模拟时，10，20，30，42 s时刻的应力场云图如图5所示。

图5 第三组模拟时应力场云图

由图5中4个不同时间下的应力云图可以看出，第三种焊接参数下模拟时，焊接时刻为10，20，30，42 s时的应力分布分别为 1.35～3 430 MPa，1.91～2760 MPa，1.04～3 150 MPa，1.46～3 240 MPa。

3组焊接工艺的应力最大值对比图如图6所示。

图6 3组试验不同时间最大应力值比较

在图6的应力场分布对比图中可以看出，在3个不同的焊接热功率下，焊缝不同时间的应力变化均呈现波动幅度大小不同的趋势。

3组试验显示的应力场云图最大应力值中，第二组应力值较小，而且波动比较小，第一组试验的应力波动较大，第三组试验最大应力值不仅波动大，而且应力值也最大。从图3～图5应力场云图中可以看出，某一点的焊接应力先增大后又逐渐减小，这都是由于热源移动到该位置时，发生热传导作用使得温度升高产生热应力。随着热源继续向前移动，这两处与室温空气发生对流作用，冷却后温度降低，热应力减小。

通过对比选择第二组工艺，此工艺焊接应力最大值最小，并且应力值波动也最小，是合适的焊接工艺。由模拟得出Q460q埋弧焊三道焊接的具体焊接工艺参数是:焊接速度为5.2 mm/s，三层焊接的最佳焊接热功率分别为15 000，16 500，18 000 W。

3 结 语

通过对不同焊接速度的焊接应力场的数值模拟，可以优化焊接工艺参数，减少实验数量。根据应力场模拟结果，在桥梁用高强度钢Q460q的焊接过程中，三层焊接的最佳焊接工艺参数是:焊接速度为5.2 mm/s，焊接热功率分别为15 000，16 500，18 000 W。

[1] 陈伯蠡.中国焊接的发展[A].2006钢结构焊接国际论坛[C].北京:[s.n.]，2006:5-12.

[2] 郭爱民.武钢新一代桥梁钢的研制及应用[J].钢结构，2000，15（3）:53-56.

[3] 安继儒，田龙刚.金属材料手册[M].北京:化学工业出版社，2008.

[4] 谭 真，郭广文.工程合金热物性[M].北京:冶金工业出版社，1994.

[5] 崔德立，陈卫华.基于ANSYS的滚齿直齿圆锥齿轮弯曲应力有限元分析[J].长春工业大学学报:自然科学版，2006，27（1）:11-12.

[6] Goldak A，Chakravarti A，Bibby M.A double ellipsoid finite element model welding heat sources [J].IIW Doc.，1985，12:285-301.

[7] 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）:1-25.

[8] Goldak A，Chakravarti A，Bibby M.A finite element model for welding heat sources[J].Met. T rans.，1984，13（15B）:299-305.

[9] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M].北京:机械工业出版社，2008.