坡口形式对不锈钢焊接温度场影响的分析

桑玮玮杜景杨

（1.河南工程学院，郑州 450000；2.河南凯迪电力工程有限公司，郑州 450000）



坡口形式对不锈钢焊接温度场影响的分析

桑玮玮1杜景杨2

（1.河南工程学院，郑州 450000；2.河南凯迪电力工程有限公司，郑州 450000）

摘 要：依托大型有限元分析软件ANSYS，对中厚板304不锈钢焊接过程中U型及V型坡口的焊缝区域温度场进行数值模拟。研究表明，V型坡口焊缝最高温度为1950℃，U型坡口焊缝最高温度为2073℃；U型坡口焊缝中心最高温度比V形坡口高，且热影响区域加宽，对后续应力分析的影响更显著；热循环曲线及焊接温度场等值图符合焊接实际过程温度变化规律，为进一步预测焊接变形和残余应力的分布提供热学方面的理论借鉴。

关键词：ANSYS 不锈钢 坡口形式 温度场

焊接过程是一个非常复杂的传热过程，影响因素众多。焊接温度场是对焊接工艺参数、应力应变计算的首要条件，温度随时间变化的趋势准确与否直接影响焊接应力和变形最终结果的准确性[1]。焊接温度场的数值模拟，可以通过计算机系统来确定焊接时的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数，大大节约了人力、物力和时间，具有很大的经济效益[2-4]。

根据对不锈钢开不同坡口的焊接现象和过程的数值模拟分析，焊接线能量相同，不锈钢焊接坡口形式改变时，等温线的形状和尺寸都发生了很大变化[5-6]。从这一结果可以预测，不锈钢焊接坡口形式对温度场有很大影响，从而也影响焊接凝固裂纹敏感性。对不同坡口温度场进行模拟可以优化焊接结构和工艺设计，从而减少实验工作量，提高焊接接头的质量。

1 焊接几何模型确定

运用ANSYS对不锈钢板进行温度场分析，首先要确定其三维模型，不锈钢板模型尺寸为200mm×100mm×10mm；坡口形式为V形坡口、U型坡口，具体坡口形式如图1、图2所示。

图2 V型坡口样式

2 单元选用及材料属性

研究选用实体单元SOLID70。SOLID70具有三个方向热传导单元，可用于三维静态和瞬态的热分析。该单元有8个节点，每个节点只定义一个温度自由度，能实现匀速温度传递，因此，SOLID70是温度场模拟较为理想的实体单元。

焊材选择304奥氏体不锈钢，其各项热物理性能参数[6]见表1，焊件的初始温度为20℃。焊接方法选用手工电弧焊，热源计算函数为高斯分布函数，假设热量均匀施加到焊缝单元上，作为内部热源处理，焊缝随电弧的移动填充，填充部分为虚单元，填充焊缝后转化为实单元。

在本研究的计算过程中，利用单元“生死”的原理，假设母材熔化时的弹性模量和屈服强度很低，传导系数和比热等物理性能不变，这将不影响温度场的计算。

对开坡口焊缝的焊接热源载荷问题，应将热源作为焊缝单元内部生热处理，以生热率的形式施加载荷，同时考虑金属的填充作用，运用生死单元的方法，逐步将填充焊缝转化为生单元参与计算中。

3 结果与分析

图3 焊缝中心及热影响区节点示意图

表1 304不锈钢的热物理参数

为了更好地分析焊件各个位置的温度场，对焊件不同位置进行取点分析。图3是沿焊缝中心及热影响区取点示意图。

图4 V形坡口热循环曲线图

图5 U型坡口热循环曲线图

图4、图5分别是两种坡口形式下温度变化热循环曲线图。由图可知，焊件上各点温度由低至高，达到最高值后，又逐步降低，V型坡口焊件最高温度达到1950℃，U型坡口焊件最高温度达到2109℃；各点的升温速度明显比冷却速度要快；冷却时，焊缝温度逐渐下降，且热量慢慢向边缘扩散，最终各点温度逐渐趋于某一值，即降到焊件的初始温度为止。

总的来说，不论V型还是U型，坡口各节点上温度都增加较快，而降低过程缓慢，符合焊接热过程。通过对比两图，U型坡口焊件最高温度较高，影响焊件温度范围较大，且U型坡口下不锈钢焊件同节点的温度也较V型坡口的高，降低到室温所用的时间更长，在后续对焊缝的应力变化及变形影像也会更加明显，因此，着重分析U型坡口的温度场模拟在焊接初期、中期及焊接冷却整个过程的变化，并与实际焊接过程作对比，验证ANSYS软件模拟的可行性。图6至图12为不锈钢U型坡口焊接不同时刻的温度场云图。

图6 0.5sU型坡口温度场分布等值图

图7 5sU型坡口温度场分布等值图

图8 10sU型坡口温度场分布等值图

图9 15sU型坡口温度场分布等值图

图10 20sU型坡口温度场分布等值图

图11 50sU型坡口温度场分布等值图

图12 100sU型坡口温度场分布等值图

由不同时刻U型坡口温度场的等值图可以看出，焊接及冷却过程中整个温度场的动态变化，焊接初期，焊件升温迅速，一段时间后，焊件上形成稳定温度场，即焊件上各点的温度虽然随时间变化，但各点固定的温度跟随热源一起移动。焊接用时20s、0.5s时，焊缝最大温度为1672℃，之后焊缝最高温度保持在2073℃，20s时，焊缝最高温度为2019℃，即焊件边缘焊缝温度较低，这符合焊接实际过程。焊件20s后进入冷却阶段，温度下降很快，等温线的范围不断扩大，焊缝热影响区逐渐变宽，焊缝最大温度逐渐降低，最后各点温度逐渐趋于环境温度。

4 结论

（1）通过ANSYS模拟焊接过程温度场，热源沿焊件移动时，焊件上各点温度先升高到峰值后降低，且温升速度高于冷却速度，最终各点温度逐渐趋于焊件的初始温度，热循环曲线与实际焊接过程温度变化规律基本相符。

（2）相同焊接参数下，U型坡口不锈钢对接接头焊缝最高温度为2073℃，V型坡口不锈钢焊缝最高温度为1914℃，U型坡口焊缝中心最高温度比V形坡口高，且热影响区域加宽，对后续应力分析的影响更显著。

（3）U型坡口焊接初期、中期及焊接后冷却整个过程温度场等值图的对比分析表明，U型坡口的焊接在焊接20s处结束，并达到温度峰值，随后冷却过程中，温度持续降低至室温，等温线不断扩大，焊缝热影响区渐宽，符合经典理论的结果。

参考文献

[1]李爱环.贯穿件多道焊温度场及应力场的数值模拟[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[2]张洪信，王敏怀.ANSYS基础与实例教程[M].北京：机械工业出版社，2013：2-3.

[3]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安：西北工业出版社，2000：56-89.

[4]汪建华.焊接数值模拟技术及其应用[M].上海：上海交通大学出版社，2003：16-18.

[5]杨海明，杭明峰.不锈钢与特殊用途钢的焊接[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2013：1-2.

[6]李亚江.合金结构钢及不锈钢的焊接[M].北京：化学工业出版社，2013：211-213.

Analysis of the Effect of the Groove Form Temperature Field of Stainless Steel Welding

SANG Weiwei1,DU Jingyang2
(1.Henan Institute of Engineeri ng,Zhengzhou 450000; 2.Henan Katie Electr ic Power Engineering Co., Ltd.,Zhengzhou 450000)

Abstract:Based on the finite element analysis s oftware ANSYS, the proces s of u and V type groove region of the weld temperature field of 304 s tainless steel plate welding num erical simulation is carried out. Studies have s hown that V-groove weld seam is the highest temperature of 195 DEG C, U type groove weld the highest temperature is 2073 DEG C; U type groove weld center, the highest temperature is higher than the V-sha ped groove, and heat affected zone broadening, on subsequent stress analysis more significant impact; thermal cycle curve and welding tem perature field value diagrams to meet the welding temperature variation of actual process, for further prediction of welding residual deformation and force distribution should provide thermal aspects of theoretical reference.

Key words:ANSYS,stainless steel,groove type,temperature field