基于Simufact外拘束的Q345 钢T形焊接仿真

黄 明，张 建，龚明胜，胡忠健

（毕节市工业学校，贵州毕节551700）

基于Simufact外拘束的Q345 钢T形焊接仿真

黄 明，张 建，龚明胜，胡忠健

（毕节市工业学校，贵州毕节551700）

为了提高焊接质量，简化焊条电弧焊焊接的实验过程，运用Simufact-Welding软件对Q345钢进行T形平焊仿真，对比分析采用不完全外拘束和完全外拘束两种焊接方法时焊件在焊接过程中和焊后焊缝处的变形和应力。结果表明，该仿真过程中，在其他参数不变的情况下，焊件不完全外拘束方法下焊缝处采样点的变形是非瞬态的，完全外拘束方法下焊件焊缝处采样点的变形是瞬态变形，完全外拘束方法下焊件焊缝处采样点的平均主拉应力和平均主压应力比不完全外拘束方法下进行焊接时普遍要显著。因此完全外拘束方法下焊件进行焊接时应采取合理的焊接方法，焊接时适当降低焊件的刚度，先焊收缩量大的焊缝，同时在焊件的适当部位进行局部预热。

Simufact；焊条电弧焊；T形平焊仿真；不完全外拘束；完全外拘束

0 前言

采用焊条电弧焊焊接时存在热的传递，焊接部位要经历不均匀的加热和冷却历程，导致焊接结构产生变形和应力，从而使后续加工与装配比较困难，焊接应力会导致焊接接头产生冷、热裂纹等缺陷，焊接结构破坏事故大多是由焊接应力和变形引起的[1-6]。因此，为了提高焊接结构的安全性和可靠性，简化焊条电弧焊焊接的实验过程，采用Simufact-Welding软件对Q345钢的T形接头进行平焊仿真，对比分析采用不完全外拘束和完全外拘束两种焊接方法下焊件在焊接过程中和焊后焊缝处的变形和应力。

1 焊条电弧焊的焊接传热

1.1 传导

焊条电弧焊热传导现象满足傅里叶定律，其关系式为

式中λ为热导率[单位：W/（m·K）]；T为温度（单位：K）;为温度梯度；qc为热流密度（单位：W/m2）。

Q345钢的导热率如图1所示。

图1 Q345的导热率Fig.1Thermal conductivity of the Q345

1.2 对流

焊条电弧焊焊接时，热对流的热量用牛顿冷却方程来描述

式中qk为热流密度（单位：W/m2）；αk为表面传热系数[单位：W/（m2·K）]，αk=10[5]；ΔT为流体温度与壁面温度的差值（单位：K）。

1.3 热辐射

焊条电弧焊焊接过程中的热辐射是以电磁辐射的形式向外传递净热量，传递的净热量满足Stefan-Boltzmann方程

式中qr为热流率（单位：W）；ε为物体的黑度系数，其值为0～1，取0.6[6]；c0为Stefan-Boltzmann常数，约为5.67 W/（m2·K4）；T1为焊件温度（单位：K）；T2为环境温度（单位：K）。

2 焊接热源

在焊条电弧焊焊接过程中，由于挺度和熔深小，且焊接热源是移动的加热斑点，因此，在加热斑点上的热流分布可近似地用高斯分布函数来表达[4-7]

式中q（r）为距离热源中心r处的热流密度[单位：J/（m2·s）]；η为焊接热效率，η=0.8；U为电弧电压（单位：V）；I为焊接电流（单位：A）；rH为加热斑点半径（单位：m），rH=0.015 m。

3 焊接模型的建立

采用Solidworks软件建立焊接模型，该模型由焊件（标记为part）、固定装置（标记为fix）、夹紧装置（标记为clamp）和工作台（标记为low plate）等组成，焊件1和2的几何尺寸分别为150 mm×80 mm× 5 mm和150 mm×60 mm×5 mm，将该模型导入Hypermesh进行体网格划分，然后将划分好的网格模型导入Simufact Welding中进行装配并赋值，焊条直径φ4.0 mm，电弧长度2～4 mm，焊接电流170 A，焊接速度9 m/h，电弧电压18 V，材料为Q345，环境温度20℃，重力方向的矢量坐标为x，y，z（0，0，-1）。焊接轨迹trajectory的设置：角焊缝的焊脚尺寸按JB/T10213-2000设置，焊接方向的矢量坐标为x，y，z（-1，0，0），焊条与水平焊件夹角的矢量坐标为x，y，z（0，1，1），焊条与焊接方向的矢量坐标为x，y，z（-0.364，0，1）。求解器类型为Multifrontal Direc Sparse Solver，导入Simufact Welding中的模型如图2（焊件不完全外拘束）、图3（焊件完全外拘束）所示。为便于描述定义：焊接时焊件不完全外拘束为方法1，焊接时焊件完全外拘束为方法2。

图2 方法1的焊接模型Fig.2Welding model of method 1

4 结果与分析

4.1 焊接过程中的总变形和平均主应力

由于焊件长度为150 mm，焊接速度为9 m/h，焊接结束时（第60 s）方法1和方法2焊缝处采样点的总变形曲线如图4、图5所示，由图可知，方法1

中焊缝处未焊部位采样点的变形较大并趋于逐渐增大趋势，未焊部位采样点的变形是非瞬态的，这是由焊接热传递热量的累积引起的；方法2中焊缝处未焊部位采样点的变形较小，只有在热源到达时焊缝处采样点会发生瞬态变形，方法2中前一半焊缝未焊部位采样点的变形趋势比方法1略小，但后一半焊缝未焊部位采样点的变形比方法1略大，这是由于在两种外拘束方法下进行T形焊件平角焊焊接时，引弧、运条和收弧工况下焊件焊缝处采样点的总变形也不一样。

图3 方法2的焊接模型Fig.3Welding model of method 2

图4 方法1的变形曲线（0～60 s）Fig.4Distortion curve of method 1 in 0～60 s

图5 方法2的变形曲线（0～60 s）Fig.5Distortion curve of method 2 in 0～60 s

方法1和方法2焊缝处采样点的平均主应力曲线如图6和图7所示。在焊接过程中，采用方法2进行焊接时焊缝处采样点的平均主拉应力和平均主压应力比采用方法1进行焊接时普遍要显著，因此采用方法2进行焊接时应采取合理的焊接方法，焊接时适当降低焊件的刚度，先焊收缩量大的焊缝，同时在焊件的适当部位进行局部预热。

图6 方法1的平均主应力曲线（0～60 s）Fig.6Average principal stress curve of method 1 in 0～60 s

图7 方法2的平均主应力曲线（0～60 s）Fig.7 Average principal stress curve of method 2 in 0～60 s

4.2 焊接结束后的总变形和平均主应力

焊接结束后（60～300 s）采用方法1和方法2进行焊接时，已焊焊缝处采样点的总变形曲线如图8、图9所示。采用方法1进行焊接时焊缝处已焊部位采样点的变形比采用方法1进行焊接时焊缝处已焊部位采样点的变形略小，焊缝处先焊采样点的变形有减小趋势，同时焊缝处后焊采样点的变形有先变小后增大且增大趋势比较显著。采用方法2进行

焊接时，焊缝处已焊部位采样点的变形较大，只有在热源到达时焊缝处采样点会发生瞬态变形。

图8 方法1的变形曲线（60～300 s）Fig.8Distortion curve of method 1 in 60～300 s

图9 方法2的变形曲线（60～300 s）Fig.9Distortion curve of method 2 in 60～300 s

采用方法1和方法2进行焊接时焊缝处的平均主应力曲线如图10和图11所示，此结果类似于焊接过程中的平均主应力。

图10 方法1的平均主应力曲线（60～300 s）Fig.10Average principal stress curve of method 1 in 60～300 s

图11 方法2的平均主应力曲线（60～300 s）Fig.11Average principal stress curve of method 2 in 60～300 s

5 结论

本研究运用Simufact-Welding软件对焊件T形接头平角焊接进行仿真，对比分析焊件采用完全外拘束和不完全外拘束两种方法下，在焊条电弧焊焊接过程中和焊接后焊缝处采样点的变形和平均主应力，得到以下结论：

（1）在其他参数不变的情况下，不同的焊件外拘束方法得到不同结果的变形和平均主应力。

（2）不论在焊接过程中还是焊接结束后，焊件不完全外拘束方法下焊缝处采样点的变形是非瞬态的，焊件完全外拘束方法下焊缝处采样点的变形是瞬态变形。

（3）不论在焊接过程中还是焊接结束后，焊件完全外拘束方法下进行焊接时，焊缝处采样点的平均主拉应力和平均主压应力比焊件不完全外拘束方法下进行焊接时普遍要显著，因此焊件采用完全外拘束方法下进行焊接时应采取合理的焊接方法，焊接时适当降低焊件的刚度，先焊收缩量大的焊缝，同时在焊件的适当部位进行局部预热。

本仿真有助于深入了解焊件不同的外拘束方法对焊条电弧焊焊接变形和平均主应力的影响，通过优化焊接工艺，降低制造成本，有助于了解变形和平均主应力产生和存在的规律，有利于提高焊件

的焊接质量和使用性能，减少因焊接引起的破坏性事故；简化焊条电弧焊焊接的实验过程，为探索焊条电弧焊提供了一种新方法[8-11]。有必要进行深入研究合理地选择焊接方法、焊接材料和焊接顺序等，本仿真还有待于进一步的试验验证。

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（3）本热源算法程序核心是采用了数组矢量操作，这种算法只需一重循环完成热流值分布的计算和加载工作，此算法可以推广到多丝焊接热源计算。

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T-shaped flat fillet weld simulation of Q345 steel under outside constraint based on Simufact

HUANG Ming，ZHANG Jian，GONG Mingsheng，HU Zhongjian
（Bijie Polytechnic School，Bijie 551700，China）

In order to improve the manufacturing quality，simplify welding experiment process of the welding rod arc welding，the T-shaped flat fillet welding simulation of Q345 steel was constructed in this essay by using Simufact-Welding software，comparative analysis of the deformation and stress of the welding seam under nonholonomic constraint and holonomic constraint method，the simulation results showed that different constraint method of weldment had different deformation and stress parameters with the other parameters were same，the deformation of the welding seam was non-transient under weldment nonholonomic constraint method，on the contrary，the deformation of the welding seam was transient under weldment holonomic constraint method，the average principal tensile stress and average principal compressive stress under weldment holonomic constraint method were significant than the average principal tensile stress and average principal compressive stress under weldment nonholonomic constraint method.The reasonable welding method and the reducing the stiffness and the local preheating were taken under weldment holonomic constraint method.

simufact；arc welding；T-shaped flat fillet weld simulation；nonholonomic constraint；holonomic constraint

TG444+.1

A

1001－2303（2016）07－0028-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.07

2015-10-23；

2016-03-20

毕节市科学技术资助项目（毕科合字[2013]03）

黄明（1962—），男，贵州纳雍人，高级讲师，学士，主要从事农业机械化方面的研究工作。