板材厚度对焊接变形量的影响

总结了不同厚度板材的横向收缩量、纵向收缩量以及角变形的变化规律，为实际生产过程中现场工人们的施工提供了理论指导。

1模型的建立

1.1几何模型

船体板材尺寸：100mm×50mm×δmm，主要研究板材在厚度坐标系的建立如图1所示，坐标中心位于板材焊缝中心O处，x轴方向为焊缝的方向，y方向为板材的长度方向，z轴方向根据笛卡尔右手坐标系定则来确定。

要研究板材在厚度δ在6mm、8mm、10mm以及12mm时的不同情况，焊缝间隙统一为4mm，如图2所示。

1.2 有限单元模型

焊接过程是一个局部升温到最高温度然后快速冷却的过程，其温度的变化随时间和空间变化都比较大，尤其是在焊缝处的温度梯度变化更大，所以为了将这一部分计算准确，需要将焊缝及其附近区域的网格划分的比较细密，对于远离焊缝区的网格，由于其温度变化不是很大，对之后的计算结果影响不大，所以将远离焊缝区的部分的网格划分的比较细密；对于焊缝区网格的划分采用八节点六面体单元，其网格大小控制在了1mm，远离焊缝区的网格采用过度划分的方式进行处理，对于在板材厚度为6mm时，模型共有个6370节点，5100个3D单元。（其他板材厚度下网格做适度修改即可），划分好的有限元模型如图3所示。

1.3焊接热源模型

整个的焊接过程采用的是埋弧焊，由于其在熔深方向上作用很大，所以在这里采用的热源模型是双椭球热源模型，它可以较好的模拟此弧焊过程。双椭球热源模型如图4所示，可以看到双椭球热源模型是由两个1/4个不同的椭球结合形成的，前后不是对称的，这与实际焊接过程中电弧的加热过程也是相符的，前方的加热区域要比电弧后方的加热区域小。图中各工艺参数表示：af为前半轴长度，ar为后半轴长度，b为熔宽，c为熔深，q为材料内部的热源密度。

双椭球热源模型前、后两个半椭球的热流经验分布表达式为[6]：

其采用的焊接工艺参数为电流580A，电压32V，焊接速度的大小为5mm/s，焊接的热效率为0.8；这里对于焊缝进行说明，在软件中采用生死单元技术对焊缝间隙进行填充，由于焊缝中填充的金属与母材必须得是相容的材料，在计算过程中将焊缝填充金属与母材的材料设置为同一种材料进行模拟。将各参数输入到Sysweld的焊接校核模块中，得到较好的热源模型如图5所示。

1.4 选用的材料

焊接数值模拟计算所选用的材料是常用的低合金结构钢S355J2G3，其主要的材料的化学成分[7-9]如表1所示。

1.5 约束条件

在整个焊接过程中，模型是没有载荷和夹持约束的，是一个自由焊接的过程，所以在这里采用三点自由约束[10]，即在模型的三个角点分别施加xyz方向的刚性约束，yz方向的刚性约束以及z方向的刚性约束。具体的边界条件条件如图6所示。

2 数值模拟结果及分析

2.1 变形场结果

2.1.1 整体变形云图

冷却到室温后，取载荷步在2000s时的变形云图如图7所示。

由图7可以看到，焊接冷却后板材厚度在6mm、8mm、10mm、12mm整体变形的最大值分别是1.06189mm、0.887949mm、0.779117mm、0.650812mm，发现随着板材厚度的增加，其整体变形的变化量的最大值逐渐减小。

由于板材的整体变形是由于其横向收缩变形、纵向收缩变形以及角变形等综合作用的结果。在这里主要研究这3种主要变形。

2.1.2横向收缩变形

横向收缩变形量是取的焊接冷却后板材模型中节点位移的最大值作为考查值，如图8所示。

由图8可以看到，随着板材厚度的增加，其相应的板材的横向收缩变形是逐渐减小的；这是由于随着板材厚度的增加，其相应的材料的刚度也是逐渐增加的，刚度的增加抑制了板材横向收缩量的变化。

2.1.3 纵向收缩变形

纵向收缩变形量的比较方式也是取焊接完成后板材冷却到室温时的模型节点纵向位移的最大值作为比较值。如图9所示为不同板厚下板材纵向位移的最大值。

由图9可以看到，其板材纵向变形收缩量随板厚的增加而减小，这与横向收缩变形量随板材厚度增加而减小的规律是一致的，其主要的原因也是相同的，都是由于板材厚度的增加，其相应的材料的刚度也是逐渐增加的，刚度的增加抑制了板材纵向收缩量的变化的结果。

2.1.4 角变形

角变形量的考察值本文是用的板材焊接完成并冷却到室温时板材节点的最大垂向位置值来进行考量，其不同板材厚度下板材模型最大角变形量的变化如图10所示。

由图10可以看到，其板材角变形收缩量随板厚的增加而增加，这与横向收缩变形量随板材厚度增加而减小的规律以及是纵向收缩变形量随板材厚度增加而减小的规律使相反的，其主要的原因主要包含三个方面。

首先，由于板材厚度的增加使得板材的刚度是增大的，板材刚度的增大会抑制板材角变形的产生；其次，由于板材厚度的增加，使得焊缝填充的量也会增大，焊缝横截面积的增大会促进角变形的产生；第三方面，由于在同样的线能量下，随着板材厚度的增加其板材上下表面的温度差是逐渐增大的，这会促进角变形的产生。

由数值模拟结果的情况可以得到，焊缝横截面积增大以及表面温度差异综合作用的对角变形增大的促进效果要比由于板材厚度增加使得板材刚度增加从而抑制板材角变形增大的效果要大。所以呈现出其板材角变形收缩量随板厚的增加而增加这样一个规律。

3 结语

利用焊接专用分析软件Sysweld基于热弹塑性有限元理论方法对在不同的板材厚度下板材横向收缩变形、纵向收缩变形以及角变形的变化规律问题进行了数值模拟仿真，得出了随着板材厚度的增加，其相应的板材的横向收缩变形是逐渐减小的；随着板材厚度的增加，其相应的板材的纵向收缩变形是逐渐减小的；随着板材厚度的增加，其相应的板材的角变形是逐渐增大的；并有模拟结果得到焊缝横截面积增大以及表面温度差异综合作用的对角变形增大的促进效果要比由于板材厚度增加使得板材刚度增加从而抑制板材角变形增大的效果要大。

本文通过数值模拟研究工作得出的规律对于中小型船厂在焊接工作中在不同板厚下板材的对接焊工作以及对于之后的板材成形加工提供了一定的理论指导，具有一定的实际工程意义。

参考文献：

[1] 徐琳，严仁军.T形焊接接头残余应力与变形的三维数值模拟[J].江苏船舶.2007（1）：5-8.

[2] 周宏，罗宇，蒋志勇.船舶板材边界条件对高频感应弯板成形的影响[J].船海工程.2009（5）：19-23.

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