桥壳用高强度钢板390Q焊接应力场的数值模拟研究

【摘 要】本文以桥壳用钢390Q对接接头为研究对象，运用ANSYS有限元分析软件，对焊接过程的应力场使用计算机进行了三维实时动态数值模拟，得到了390Q钢板在不同焊接速度下焊缝区的瞬态应力场。提出了可行的三维焊接应力场的动态模拟分析方法， 为优化焊接结构工艺和焊接规范参数，提供了理论依据和指导。模拟计算结果表明：当取最佳焊接速度为5mm/s时，焊接应力值最小。

【关键词】桥壳用钢；390Q；数值模拟；焊接应力场

The numerical simulation on welding stress field of high strength steel for axle case steel 390Q

Abstract： This paper takes the butt joint of axle case steel as research object ，simulates the real-time three dimensional dynamics welding stress field by FEA software ANSYS and abtains the axle case steel 390Q’s transient stress field of weld zone at different welding speed.On that basis， proposes feasible dynamic simulation method of three dimendional stress welding field which provides theoretical basis and guidelines for optimizing welding technology and norming welding parameters. The result of welding stress simulation shows that the optimum welding speed is 5mm/s .

keywords：axle case steel， 390Q， numerical simulation， welding stress field

引 言

桥壳用高强度钢390Q中由于加入了铌、钛等合金元素，使其具有良好的屈服强度和抗拉强度，又因在轧制过程中采用了控轧控冷措施而获得了超细晶粒，使其具有高的综合力学性能，有望代替16MnL 钢成为制造中重型卡车桥壳的材料[1]。

作者针对高强度钢390Q采用有限元模拟软件ANSYS，对该种钢板的焊接工艺参数进行模拟，为实际生产提供了试验依据。

1、物理模型的建立

采用ANSYS软件建模，试件尺寸为100mm×70mm×10mm，材质为390Q钢板，电弧沿焊件中心移动，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，查得文献获得，给出了390Q钢在20 ℃～2000℃范围内的热物理性能参数。为了计算的收敛，可以适当的调整高温时的参数，在计算过程中对高温时的材料性能参数进行适当的调整，其差一般不大。

焊接过程是一个加热非常不均匀的过程，焊缝处温度梯度变化很大，其产生的应力分布也不均匀，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，采用相对稀疏的单元网格。总之，在保持精度的同时减少网格的数量。而具体到本课题的特点，如果继续采用温度场计算的网格大小（1mm），则使得计算时间过长，因此，为了缩短计算时间并保证计算精度，采用了相应的大网格划分，在焊缝及热影响区附近分别设置网格尺寸为1.75mm，2.5mm，2.85mm。

2、模拟结果及分析

根据钢板材质和板厚，选择其最合适的焊接参数：电弧电压u= 18V；焊接电流=140A；热效率η=0.7；电弧有效加热半径r=5mm。焊接速度分别为4mm/s 时，焊接时间为25s。

分别选取焊接速度为4mm/s、5mm/s、6mm/s，进行不同时间焊接应力场云图对比分析。

当焊接速度为4mm/s时，分析三个不同焊接时刻的应力云图可以看出：焊接时刻为3s时的应力分布为3059～273×109MPa，焊接时刻为13s时的应力分布为551213～446×109MPa，焊接时刻为24s时的应力分布为4457626～313×109MPa。

当焊接速度为5mm/s时，分析三个不同焊接时刻的应力云图可以看出：焊接时刻为5s时的应力分布为46978～391×109MPa，焊接时刻为10s时的应力分布为299547～424×109Mpa，焊接时刻为19s时的应力分布为396948～227×109Mpa。

当焊接速度为6mm/s时，分析三个不同焊接时刻的应力云图可以看出：焊接时刻为5s时的应力分布为35902MPa～3.73×108Mpa，焊接时刻为12s时的应力分布为616837MPa～3.98×108Mpa，焊接时刻为15S时的应力分布为396948MPa～2.27×108MPa。

在应力分布云图中可以看出当焊接过程刚开始的时候，工件的应力较小，当焊接过程进行到一半时，应力最大。当焊接过程即将结束时，应力又减小。

应力分布曲线表明在3个不同的焊接速度下，焊缝不同位置的应力变化趋势是一致的。图1为焊缝不同位置处的焊接速度与应力对比图，结果表明当焊接速度为5mm/s时，整个焊缝的应力值最小。

3、结论

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，在桥壳用高强度钢390Q的焊接过程中，选择焊接参数为：U=18V，I=140A，V=5mm/s。

参考文献

[1]于燕等.中重型卡车桥壳用390Q高强度钢的焊接性能.机械工程材料，2008，（8）：53～55

[2]Eager T W， Tsai N S. Temperture fields produced by traveling distributed heat sources[J].Welding Journal.1983，62（12）：346-355

[3]焊接手册，1992

[4]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西安：西北工业大学出版社，1～187，2000

作者简介

王立（1982-），女，吉林人，硕士研究生。