本文格式為Word版，下載可任意編輯——板材厚度對焊接變形量的影響

總結(jié)了不同厚度板材的橫向收縮量、縱向收縮量以及角變形的變化規(guī)律，為實際生產(chǎn)過程中現(xiàn)場工人們的施工供給了理論指導(dǎo)。

1模型的建立

1.1幾何模型

船體板材尺寸：100mm×50mm×δmm，主要研究板材在厚度坐標(biāo)系的建立如圖1所示，坐標(biāo)中心位于板材焊縫中心O處，x軸方向為焊縫的方向，y方向為板材的長度方向，z軸方向根據(jù)笛卡爾右手坐標(biāo)系定那么來確定。

要研究板材在厚度δ在6mm、8mm、10mm以及12mm時的不可憐況，焊縫間隙統(tǒng)一為4mm，如圖2所示。

1.2有限單元模型

焊接過程是一個局部升溫到最高溫度然后快速冷卻的過程，其溫度的變化隨時間和空間變化都對比大，尤其是在焊縫處的溫度梯度變化更大，所以為了將這一片面計算切實，需要將焊縫及其鄰近區(qū)域的網(wǎng)格劃分的對比細(xì)密，對于遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的網(wǎng)格，由于其溫度變化不是很大，對之后的計算結(jié)果影響不大，所以將遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的片面的網(wǎng)格劃分的對比細(xì)密；對于焊縫區(qū)網(wǎng)格的劃分采用八節(jié)點六面體單元，其網(wǎng)格大小操縱在了1mm，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的網(wǎng)格采用過度劃分的方式舉行處理，對于在板材厚度為6mm時，模型共有個6370節(jié)點，5100個3D單元。（其他板材厚度下網(wǎng)格做適度修改即可），劃分好的有限元模型如圖3所示。

1.3焊接熱源模型

整個的焊接過程采用的是埋弧焊，由于其在熔深方向上作用很大，所以在這里采用的熱源模型是雙橢球熱源模型，它可以較好的模擬此弧焊過程。雙橢球熱源模型如圖4所示，可以看到雙橢球熱源模型是由兩個1/4個不同的橢球結(jié)合形成的，前后不是對稱的，這與實際焊接過程中電弧的加熱過程也是相符的，前方的加熱區(qū)域要比電弧后面的加熱區(qū)域小。圖中各工藝參數(shù)表示：af為前半軸長度，ar為后半軸長度，b為熔寬，c為熔深，q為材料內(nèi)部的熱源密度。

雙橢球熱源模型前、后兩個半橢球的熱流閱歷分布表達(dá)式為[6]：

其采用的焊接工藝參數(shù)為電流580A，電壓32V，焊接速度的大小為5mm/s，焊接的熱效率為0.8；這里對于焊縫舉行說明，在軟件中采用生死單元技術(shù)對焊縫間隙舉行填充，由于焊縫中填充的金屬與母材務(wù)必得是相容的材料，在計算過程中將焊縫填充金屬與母材的材料設(shè)置為同一種材料舉行模擬。將各參數(shù)輸入到Sysweld的焊接校核模塊中，得到較好的熱源模型如圖5所示。

1.4選用的材料

焊接數(shù)值模擬計算所選用的材料是常用的低合金布局鋼S355J2G3，其主要的材料的化學(xué)成分[7-9]如表1所示。

1.5約束條件

在整個焊接過程中，模型是沒有載荷和夾持約束的，是一個自由焊接的過程，所以在這里采用三點自由約束[10]，即在模型的三個角點分別施加xyz方向的剛性約束，yz方向的剛性約束以及z方向的剛性約束。概括的邊界條件條件如圖6所示。

2數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1變形場結(jié)果

2.1.1整體變形云圖

冷卻到室溫后，取載荷步在2000s時的變形云圖如圖7所示。

由圖7可以看到，焊接冷卻后板材厚度在6mm、8mm、10mm、12mm整體變形的最大值分別是1.06189mm、0.887949mm、0.779117mm、0.650812mm，察覺隨著板材厚度的增加，其整體變形的變化量的最大值逐步減小。

由于板材的整體變形是由于其橫向收縮變形、縱向收縮變形以及角變形等綜合作用的結(jié)果。在這里主要研究這3種主要變形。

2.1.2橫向收縮變形

橫向收縮變形量是取的焊接冷卻后板材模型中節(jié)點位移的最大值作為測驗值，如圖8所示。

由圖8可以看到，隨著板材厚度的增加，其相應(yīng)的板材的橫向收縮變形是逐步減小的；這是由于隨著板材厚度的增加，其相應(yīng)的材料的剛度也是逐步增加的，剛度的增加抑制了板材橫向收縮量的變化。

2.1.3縱向收縮變形

縱向收縮變形量的對比方式也是取焊接完成后板材冷卻到室溫時的模型節(jié)點縱向位移的最大值作為對比值。如圖9所示為不同板厚下板材縱向位移的最大值。

由圖9可以看到，其板材縱向變形收縮量隨板厚的增加而減小，這與橫向收縮變形量隨板材厚度增加而減小的規(guī)律是一致的，其主要的理由也是一致的，都是由于板材厚度的增加，其相應(yīng)的材料的剛度也是逐步增加的，剛度的增加抑制了板材縱向收縮量的變化的結(jié)果。

2.1.4角變形

角變形量的考察值本文是用的板材焊接完成并冷卻到室溫時板材節(jié)點的最大垂向位置值來舉行考量，其不同板材厚度下板材模型最大角變形量的變化如圖10所示。

由圖10可以看到，其板材角變形收縮量隨板厚的增加而增加，這與橫向收縮變形量隨板材厚度增加而減小的規(guī)律以及是縱向收縮變形量隨板材厚度增加而減小的規(guī)律使相反的，其主要的理由主要包含三個方面。

首先，由于板材厚度的增加使得板材的剛度是增大的，板材剛度的增大會抑制板材角變形的產(chǎn)生；其次，由于板材厚度的增加，使得焊縫填充的量也會增大，焊縫橫截面積的增大會促進(jìn)角變形的產(chǎn)生；第三方面，由于在同樣的線能量下，隨著板材厚度的增加其板材上下外觀的溫度差是逐步增大的，這會促進(jìn)角變形的產(chǎn)生。

由數(shù)值模擬結(jié)果的處境可以得到，焊縫橫截面積增大以及外觀溫度差異綜合作用的對角變形增大的促進(jìn)效果要比由于板材厚度增加使得板材剛度增加從而抑制板材角變形增大的效果要大。所以呈現(xiàn)出其板材角變形收縮量隨板厚的增加而增加這樣一個規(guī)律。

3結(jié)語

利用焊接專用分析軟件Sysweld基于熱彈塑性有限元理論方法對在不同的板材厚度下板材橫向收縮變形、縱向收縮變形以及角變形的變化規(guī)律問題舉行了數(shù)值模擬仿真，得出了隨著板材厚度的增加，其相應(yīng)的板材的橫向收縮變形是逐步減小的；隨著板材厚度的增加，其相應(yīng)的板材的縱向收縮變形是逐步減小的；隨著板材厚度的增加，其相應(yīng)的板材的角變形是逐步增大的；并有模擬結(jié)果得到焊縫橫截面積增大以及外觀溫度差異綜合作用的對角變