合肥工业大学材料学院 汪迎春 李萌盛 谭明明

摘 要：本文借助于ANSYS有限元分析软件，采用半椭球热源模型与生死单元法对厚度为8mm的低碳钢平板对接熔化极气体保护焊焊接过程进行数值模拟，分别模拟了单面双道焊和双面焊两种不同工艺条件下焊接的温度场、应力场及焊接变形并进行比较。结果表明：单面双道焊的焊缝截面积较大且沿板厚不对称，施焊后焊件所产生的横向收缩量及翘曲变形较大。通过实际施焊及检测验证了模拟结果的准确性。

关键词：数值模拟；焊接变形；应力场；横向收缩；翘曲变形1 引 言

焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异，尺寸精度下降和承载能力降低，而且在工作载荷作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接结构疲劳强度降低的原因之一[1]。设计和施工时需要充分考虑焊接应力和变形的特点。利用ANSYS软件可预测焊接变形，并通过改变工艺参数研究焊接变形的影响因素，从而对焊接变形进行限制。

从上世纪50、60年代“有限元”诞生以来，有限元技术得到了快速的发展。我国焊接界数值模拟研究起步于80年代初，近年来，我国学者在焊接结构变形方面进行了广泛研究并取得了较大进展[2]，如清华大学的赵海燕、鹿安理对焊接结构CAE数值模拟技术的研究已应用于三峡1200t桥式起重机主梁焊接变形的控制和大型挖掘机的工艺设计中。

本文基于ANSYS平台对8mm厚度的低碳钢平板对接过程进行模拟，分别模拟了单面双道焊和双面焊两种不同工艺条件下焊接的温度场、应力场及焊接变形并进行比较，最后通过实验加以验证。

2 平板对接实验

焊件为150mm×60mm×8mm的低碳钢板一对，采用单面气体保护焊的试板开V型坡口，双面焊试板不开坡口。采用25%的Ar与75%的CO2混合气体保护焊。焊前对焊件进行定位焊，保证对合间隙为1~2mm，测量试板横向尺寸和平面平整度。焊后冷却到室温重新测量焊件的横向收缩量和平面度变形。实验采用的工艺参数见表1。

3 焊接温度场模拟

3.1 建立有限元模型

低碳钢板尺寸为150mm×60mm×8mm，模拟采用间接法来计算，其中温度场是作为应力场计算的加载条件。本文采用SOLID70单元，进行应力计算时转换为SOLID45。由于结构对称，采取一侧试板模型进行模拟，为了兼顾计算精度和时间的关系，采用不均匀网格划分方法，在靠近焊缝区网格划分的密一些，远离焊缝区域温度分布梯度相对较小，采用相对稀疏的单元。图1所示为两种焊接接头的几何模型。

低碳钢的材料性能参数如表2。设定试板的初始温度为20℃。