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基于MSC


现代制造技术与装备

2007 第 2 期 总第 177 期

基于 MS C.Ma rc 的多道焊数值模拟
徐 琳 罗 安 严仁军
( 武汉理工大学交通学院 , 武汉 430063) 摘 要: 桥梁和船舶制造业一直受到焊接残余应力和变形所导致的生产费用提高、 误工期问题的 延

困扰, 研究焊接残余

应力和变形具有重要的工程实际意义。本文利用有限元分析软件 MSC.Marc 对平板对 接多道焊进行了实时三维数值模拟, 得到了焊接温度场、 焊后残余应力分布以及变形 , 并对模拟计算结果 进行了定性分析。 关键词: 对接焊 多道焊 数值模拟 MSC.Marc

Numer ical Simulation of Multipass Welding Based on MSC.Mar c
XU Lin, LUO An, YAN Renjun
( Wuhan University of Technology's Key Laboratory of High Speed Ship Engineering,

Ministry of Education, Wuhan, 430063) Abstr act: Bridge and ship manufactures have always been troubled by welding residual stresses and distortion that result in operating costs rising and production delays. Study on welding stresses and distortions has important meaning for practical engineering. A real time 3D analysis has been executed to a multi butt weld process of two flats using MSC.Marc FE code in this paper. Computed results such as welding temperature field, residual stress and distortion are exhibited and qualitatively analyzed. Key wor ds: butt weld, multi weld, numerical simulation, MSC.Marc

引言 计算机技术的飞速发展给各个领域带来了深刻 的影响, 结合数值计算方法和技术的不断改进, 工程 和科学中越来越多的问题都可以采用计算机数值模 拟的方法进行研究。在焊接领域, 与传统经验方法和 实验方法相比, 基于有限单元法的焊接数值模拟方 法具有以下优点: 可以深入理解焊接现象的本质, 弄 清焊接过程中传热、 冶金和力学的相互影响和作用; 可以优化结构设计和工艺设计, 从而减少实验工作 量, 缩短生产周期, 提高焊接质量, 降低工艺成本。 度成高度非线性变化, 尤其是在熔池附近, 材料的弹 性模量和屈服强度降低为很小的值, 这使数值计算 方程的 系 数 矩 阵 奇 异 性 增 加 , 导 致 求 解 难 以 收 敛 。 在焊接过程中, 材料物理性能和力学性能随温

焊后残余应力以及变形计算结 拟, 并对焊接温度场、 果进行分析说明。

1 物理模型
平板对接多道焊的剖口形式见图 1 。 两块平板的 尺寸均为 120mm×100mm×8mm, 焊件材料为 16Mn 钢。焊接规范为: 第一道焊电流 65A, 电压 20V, 焊速 2.5mm/s; 第 二 道 焊 电 流 135A, 电 压 22V, 焊 速 1.6mm/s。第一、 二道焊缝间隔 180s 施焊。
60°


图 1 平板对接焊剖口形状

MSC.Marc 是基于位移法的有限元程序, 在非线性方 面具有强大的功能。它采用的求解器 MSC.Marc 功能
齐全, 分析采用具有高度数值稳定性、 高精度和快速 收敛的高度非线性问题求解技术。本文用 MSC.Marc 软件对平板对接多道焊进行了实时动态三维数值模
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2 数值模拟
焊接是个热力耦合的过程, 但由于焊接应力应 变对温度的影响相对于焊接过程的温度来说是十分 微弱的, 故一般只考虑温度对应力应变的单向耦合。 用 MSC.Marc 计算焊接温度和应力场, 有两种处理方





工艺与装备
法, 一种是首先进行热传导分析, 得到焊接过程中焊 件和焊缝处的温度场分布, 再将求得的节点温度作 为载荷施加在应力分析的相同几何模型上; 另一种 是直接进行耦合分析, 此时采用的单元具有温度和 位移两种自由度, 分析计算完成后同时得到温度场 和应力应变场的分布。本文算例采用后一种方法。

2.1 计算模型和材料特性
平板对接焊物理模型具有对称性, 为了降低计 算量, 缩短计算时间, 有限元模型可以只取一半对称 结构进行计算。图 2 是采用前处理器 mentat 建立的 对接焊有限元模型。采用实体单元划分网格, 接近焊 缝处温度梯度逐渐增大, 网格划分相应加密。网格采 用 8 节点六面体全积分等参单元, 单元号为 7 。 7 号 单元既可以用于应力分析, 也可以用于热力耦合分 析。为避免全积分单元的不可压缩性导致体积闭锁, 选用 constant dialatation 参数以改进积分方法。同时, 为了提高低阶单元的热应力的准确度, 选用 constant

图 4 比热随温度变化曲线

图 5 弹性模量随温度变化曲线

temperature 参数。

2.2 焊接热源模型 MSC.Marc2005 焊接模块中缺省的热源模型一种 是 Goldark 圆形面热源, 可以用来定义二维线热源和 三维面热源。另一种是 Goldark 双椭球体热源, 用来
定义二维或三维体热源。圆形面热源适用于平板堆 焊和熔深不大的对接焊, 而双椭球体热源适用于开 剖口或大熔深的焊缝, 其热源分布形式为: 前半部分椭球热源表达式:

x2 y2 ( z- vt) 2 q x, y, z, t) = 6! 3 Qf1 exp - 3 2 + 2 + ( a b c2 1 abc1π!π

$"

# % # %

后半部分椭球热源表达式:
图 2 平板对接焊有限元计算模型

16Mn 钢 随 温 度 变 化 的 部 分 物 性 参 数 和 力 学 参
数见图 3~ 图 5[1]。无法从现有资料获知的高温部分 数据, 根据相关文献, 可以综合考虑计算精度和计算 效率人为设定 [2]。考虑相变潜热影响的传统方法是修 正 比 热 法 和 热 焓 法 , 在 MSC.Marc2005 中 , 可 以 通 过

x2 y2 ( z- vt) 2 q x, y, z, t) = 6 ! 3 Qf2 exp - 3 2 + 2 + ( a b c2 2 abc2π !π f2 式中, f1、 为 热 流 密 度 分 布 系 数 , Q 为 输 入 热 源 b c c 功率, v 为焊速, a、 、1、2 为定义椭球形状的参数[3]。 2.3 焊道与焊缝金属填充的设置 MSC.Marc2005 提供了两种方法处理焊缝金属的

$&

mentat 面板直接输入固、 液相变温度和潜热值来计算
固液相变潜热的作用。 固相线温度 1480℃, 液相线温 度 1520℃ , 相变潜热 277 000J/Kg。故固相变潜热的 影响相对较小, 此处未作考虑。

逐步填充。一种是静态单元法。焊接前, 给填充单元 的材料参数赋小值, 使其几乎不传热也不传力。随着 热源的移动, 被激活的填充单元应力应变重置为 0 , 同时恢复到常规材料特性。静态单元法允许单元随 着模型移动, 特别适合大变形情况。但是, 使用这种 单元容易产生病态矩阵, 不利于收敛。另一种方法是 单元生死法, 即通过改变单元的死活处理焊缝金属 的填充过程。焊接过程中, 未被激活的焊缝单元不参 与分析计算, 在后处理文件中不出现。采用生死技术 的单元不能随着模型的其他部分移动, 在大变形问 题中, 可能导致单元扭曲。考虑到本算例中的模型不

图 3 导热系数随温度变化曲线

会发生较大位移, 为了得到较好的收敛效果, 笔者采
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现代制造技术与装备

2007 第 2 期 总第 177 期

用了单元生死技术来模拟焊缝金属的逐步填充。

屈服强度。 拉应力向两端逐渐减小, 端部处近似为 0 。

2.4 计算工况与增量控制参数设置
整个焊接过程分为四个计算工况, 先后依次为: 第一道焊缝施焊、 却 、 二 道 焊 缝 施 焊 、 却 至 室 冷 第 冷 温。 四个工况均采用自适应时间增量步计算方案。 为 了兼顾计算效率和计算精度, 划分温度区间并设置 不同的增量控制准则。在相变温度附近, 每个增量步 始末温度变化容许值设置得相对较小, 以更好地考 虑相变潜热的影响。 既然焊接是一个典型的瞬态高温过程, 为了避 免集中热源突然作用于系统时产生热振荡, 在计算 时采用集中质量矩阵和集中热源矩阵。同时激活大 位移大应变塑性分析选项。
图 7 节点温度历程曲线

3 计算结果
施焊过程中, 随着热源的移动, 焊缝单元逐步在 模型中出现且温度急剧上升。从第二道焊缝施焊过 ( 程中的温度云图 图 6) 可以看出, 热源前方的等温色 带变化较密集, 热源后方的等温色带变化随着距离 逐渐趋缓, 这说明热源前方温度梯度高于后方的温 度梯度。第一道焊缝焊完后冷却 180s, 焊缝温度降至 约 100℃ , 然后进行第二道焊缝施焊模拟。第二次冷 却过程中, 系统最高温度急剧下降, 等温色带逐渐散 开。焊接结束后, 模型最终冷却至室温。
2.911e+003 2.626e+003 2.341e+003 2.056e+003 1.771e+003 1.486e+003 1.201e+003 9.158e+003 6.307e+002 3.457e+002 6.063e+001 y x z

图 8 面板距焊缝边缘 2mm 处横、 纵向应力分布曲线 ( 单位: P a)

图 9 为冷却至室温时, 焊缝中点横截面处, 母材 面板上表面节点的纵向应力分布曲线。横轴为节点 距对称面的距离。横截面上近缝区处的纵向应力为 拉应力 , 其值达 到 屈 服 强 度 , 较 远 处 为 压 应 力 , 板 边 缘处应力近似为 0 。

图 6 第二道焊缝施焊温度云图

图 7 是平板上表面焊缝附近某个节点的温度历 程曲线。当热源接近时, 该节点的温度迅速上升, 热 源离开后, 温度缓 慢 下 降 ; 第 二 道 焊 缝 施 焊 过 程 中 , 当热源再次接近时, 节点温度再次迅速达到另一个 峰值, 且此峰值温度远高于前一个峰值温度。第二次 冷却过程中, 温度下降速度趋缓。 图 8 为冷却至室温时, 母材面板上表面距焊缝 单元边缘约 2mm 的纵向路径上的应力分布。横向应 力 Comp 11 of Stress 垂直于焊缝方向) 的分布趋势是 ( 两端为压应力, 中间为拉应力, 拉应力与压应力在整 个纵向路径上近于平衡。纵向应力 Comp 33 of Stress ( 平行于焊缝方向) 在 焊 道 中 间 为 拉 应 力 , 其 值 达 到
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图 9 焊道中间横截面处纵向应力分布 单位: P a) (

平板对接焊后, 发生了较为明显的横向收缩变 形和角变形。由于该算例中焊缝较短, 纵向收缩变形 很小。图 10 是平板对接焊后的变形图 变形效果放 ( 大 5 倍) 以及变形前的轮廓线。

工艺与装备
及材料高温特性系数等都与实际焊接情况存在一定 偏差, 这些因素均会影响模拟计算结果的准确度。尽 管如此, 计算结果还是可以对焊接结构的分析提供 定性参考。
参考文献

[1] 马 庆 芳 , 实 用 热 物 理 性 质 手 册 , 中 国 农 业 机 械 出 版 社 , 1986.1
图 10 焊后变形图( 单位: m)

[2] Shi Q Y, Lu A L Zhao H Y, et al. Effect of material properties at high temperature on efficiency and precision in numerical simulation for welding process [A]. International conference on computational engineering science, 2000: 655- 660 [3] MSC.Marc User's Manual, Volume A,Chapter6 [4] 董 志 波 , 魏 艳 红 , 刘 仁 培 等 , 不 锈 钢 焊 接 温 度 场 的 三 维
数值模拟, 焊接学报, 2004 , 4 : 9- 14

4 结论 ( 1) 本文用非线性有限元分析软件 MSC.Marc 对
平板对 接 多 道 焊 进 行 了 三 维 实 时 动 态 数 值 模 拟 , 并 介绍了模拟中涉及到的关键技术。 ( 2) 给出焊接的温度场、 应力场以及变形的典型 计算结果云图和曲线, 并进行分析说明。 ( 3) 在 焊 接 数 值 模 拟 中 , 热 源 模 型 、 热 系 数 以 散 ( 上接第 35 页) 焊接参数的焊接试板, 在试板拉伸、 冷弯结果方面, 均 达 到 合 格 , 且 数 据 无 明 显 差 异 , 均 满足工艺认可的要求。但从冲击试验结果看, 由于采 用不同的焊接程序, 数据的差异明显。从整个冲击值 数据看, 背面两组冲击试样的冲击值相差不大, 这主 要由于三组试板焊接时, 打底焊的方式及规范参数 几乎相同, 虽第二层焊缝焊接略有变化, 但对其影响 不大; 从正面焊缝的试样冲击数据看, 变化较为突 出。 ( 1) 从 1 号试样的试验结果看出: 尽管 A36 钢板 和 TWE—711 药芯焊丝在常温到此为止具有较好的 韧性 , 但按常规的 焊 接 方 法 焊 接 , 焊 缝 中 心 线 、 合 熔 线、 距熔合线 2 mm 处热影响区冲击值已达到 47J 的 要求, 但数值偏低。 ( 2) 2 号试样虽然增加了焊接层次, 减少了焊层 的厚度, 焊接热输入有所减少, 但由于仍然采用每层 单道焊, 冲击试验结果比 1 号试板要好, 但提高不是 太多。 ( 3) 3 号试样将每层单道焊改为每层 2 道或多道 焊后, 试样焊缝和热影响区相应部位 20℃ 冲击试验 值明显提高, 且远超过其它两组的数值。 综上所述, 决定采用表 4 中的第三组焊接工艺 参数。

[5] 刘兴龙, 曲仕尧, 邹增大等, 基于 ANSYS 的中厚板补焊
焊接温度场的数值模拟, 焊接技术, 2005 , 2 : 14- 16

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成分、 板厚、 焊接方法、 焊接材料及焊接工艺等。在母 材、 焊接方法和焊接材料选定后, 焊接工艺是影响焊 缝金属韧性的主要方面。当焊接热输入增加时, 会使 焊缝中形成粗大的晶界铁素体, 从而降低了焊缝金 属的韧性。

3.2 焊接热影响区金属的影响因素
焊接热影响区的韧性不像焊缝金属那样利用填 加微量元素的方法加以调整和改善, 而是母材本身 所回有的, 只能通过一些工艺措施在一定范围内得 到改善, 如采用焊接后热处理, 合理选择焊接工艺参 数等。线能量过大时, 会使焊接热影响区的晶粒粗 化, 形成粗大的奥氏体, 同时热影响区中存在温度很 高的过热区, 过热区温度接近于熔入, 过热的粗大的 奥氏体晶粒增大了这些难熔质点的稳定性, 使难熔 质点在冷却过程中来不及析出导致材料变脆, 从而 降低焊接热影响区的韧性。

4 结论 A36 高强度船体结构用钢焊接, 采用上述三种方
案均能满足焊接要求。但是, 要使焊接接头达到最佳 性能, 则应采用 多 层 多 道 焊 , 尽 可 能 的 减 小 线 能 量 , 从而保证焊缝及热影响区的韧性。如果焊接工艺采 用不当, 导致焊接输入过大时, 对焊缝及热影响区的 强度及弯曲性能影响不大, 但主要会造成焊缝及热 影响区的韧性降低。我们这套工艺经实施后, 焊缝质 量完全满足船级社的要求, 取得了较好的效果。

3 结果讨论: 3.1 焊缝金属韧性的影响因素
影响焊缝金属韧性的主要因素有: 母材的化学

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