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摘 要 驴头是常规式游梁式抽油机的重要焊接零件，采用传统的手工电弧焊，由于零件尺寸较大，焊缝错边，间隙变化等问题突出，可靠性不高，焊接质量不稳定。文章采用非线性有限元法，模拟焊接过程的温度场和应力场，对其温度场和变形进行研究。
关键词 焊接变形；温度场；数值模拟；残余应力
中图分类号：TG15 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）16-0065-02
驴头作为常规游梁式抽油机的重要焊接部件，其可靠性直接影响抽油机的使用寿命和采油效率，近年来驴头因开裂导致坠落的事件屡见不鲜。本文采用非线性有限元法，模拟分析驴头焊接过程的温度场和应力场，为改进驴头焊接工艺，提高焊接质量的可靠性提供一定的理论数据。
1 焊接热效应概述
1.1 焊接热效应分析理论基础
焊接过程中，焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。焊接区材料受热膨胀，受周围较冷区域的约束造成热应力。存在焊接残余应力时，会产生焊接变形，称为“收缩”，“变形”或“翘曲”。
根据热力学第一定律热能和机械能平衡，总能量守恒，以及热场和力学场耦合可得：弹性-粘塑性连续介质的热力基本方程为（为偏应力张量）
其中为单位时间的储热，为提供或带走的热，为单位时间释放或消耗的热，，分别为弹性-粘塑性变形率能，为损失系数（≤1）。由于焊接热输入来源外部，耦合项（含变形量的项）可忽略，可直接求解温度场。
微分形式的有限元分析方法，总应变，由弹性应变，通常的塑性应变，相变塑性引起的塑性应变，热应变，以及相变应变组成。
（i，j=1，2，3）由此式可分析力學场。
热弹塑性连续介质本构方程矩阵形式为：
各张量的六分量汇总为列矢量，，，和。瞬时热塑性应变应力矩阵[D]和系数和取决于温度相关的材料特征值及等效应力，包括显微组织变化。由此本构方程就能对焊接件进行网格划分，单元求解。
本研究采用热结构耦合分析，先进行非线性瞬态热分析，再进行线性应力分析，结合驴头结构特点定义单元类型为Soild226。在焊缝附近驴头划分单元细化，为节省计算机内存和计算时间远离焊缝区单元较大。总共单元数为8363个。网格划分如图1。
1.2 材料性能
焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题，随着热源的移动整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化。
材料的物理性能参数和力学性能参数是数值模拟过程中重要的物理量，对精度和准确性有重要影响。
1.3 热源及其边界条件
本文使用高斯移动热源，将焊接热输人量转化为热生成，在焊缝中心的热生成最大，周围单元热生成载荷按高斯分布依次取值。
温度边界条件施加对流边界条件和辐射边界条件，参考温度30℃，位移边界条件定义驴头侧面Z方向上的位移约束。焊缝初始温度为800℃。由于驴头焊接有两条焊缝，必须选择焊区，杀死一个焊区（初始状态焊缝不存在），对另一个初始化加载激活后求解，后采取同的办法进行第二次求解。
2 数值模拟结果及分析
2.1 焊接合位移计算结果
图2分别是焊接过程30 s，250 s时的动态三维变形的情况来看，焊缝附近的温度场在焊接过程中随时间发生变化，在刚开始时，驴头材料Q235温度T≥600℃，由于高温屈服极限降低，材料几乎处于无应力的状态，各部分变形收缩较均匀，产生压缩塑性区，随后因冷却热收缩形成拉伸塑性区，由压缩状态进入拉伸状态为弹性卸载窄带所分离，进入永久变形。
2.2 单一节点位移随时间变化关系
取靠近焊缝的单元（1318 NODE）分析UX，UY向位移与时间的关系如图3、图4所示。
3 热分析误差估计
任何产生不连续的热流区域的有限元模型都是有误差的，本文主要评估网格划分误差，在本研究中发现节点温度比实际要低，通过网格加密，能使节点温度升高更加接近实际值，但加密到达一定程度后效果不是很明显。ANSYS提供了误差分析的工具，其计算方法如下：
4 结论
在焊接过程中，温度场直接影响焊件的应力和变形场，同时变形产生的变形热又反作用于温度场。在冷却过程中驴头侧板受力为压应力，x向最大变形为-3.45 mm，y向变形为-1.4 mm，而驴头腹板和焊缝附近的侧板节点受力则是拉力，x向最大位移达到4.28 mm，y向最大位移为6.28 mm。整个驴头焊接件的残余应力不均匀，焊缝附近60mm的区域内应力较大，侧板远端基本不受应力。
参考文献
[1][德]D.拉达伊.焊接热效应[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2]商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京：清华大学出版社，2005.
作者简介
张磊（1985-），男，克拉玛依市特种设备安全检验所，助理工程师。
关键词 焊接变形；温度场；数值模拟；残余应力
中图分类号：TG15 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）16-0065-02
驴头作为常规游梁式抽油机的重要焊接部件，其可靠性直接影响抽油机的使用寿命和采油效率，近年来驴头因开裂导致坠落的事件屡见不鲜。本文采用非线性有限元法，模拟分析驴头焊接过程的温度场和应力场，为改进驴头焊接工艺，提高焊接质量的可靠性提供一定的理论数据。
1 焊接热效应概述
1.1 焊接热效应分析理论基础
焊接过程中，焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热，并局部熔化。焊接区材料受热膨胀，受周围较冷区域的约束造成热应力。存在焊接残余应力时，会产生焊接变形，称为“收缩”，“变形”或“翘曲”。
根据热力学第一定律热能和机械能平衡，总能量守恒，以及热场和力学场耦合可得：弹性-粘塑性连续介质的热力基本方程为（为偏应力张量）
其中为单位时间的储热，为提供或带走的热，为单位时间释放或消耗的热，，分别为弹性-粘塑性变形率能，为损失系数（≤1）。由于焊接热输入来源外部，耦合项（含变形量的项）可忽略，可直接求解温度场。
微分形式的有限元分析方法，总应变，由弹性应变，通常的塑性应变，相变塑性引起的塑性应变，热应变，以及相变应变组成。
（i，j=1，2，3）由此式可分析力學场。
热弹塑性连续介质本构方程矩阵形式为：
各张量的六分量汇总为列矢量，，，和。瞬时热塑性应变应力矩阵[D]和系数和取决于温度相关的材料特征值及等效应力，包括显微组织变化。由此本构方程就能对焊接件进行网格划分，单元求解。
本研究采用热结构耦合分析，先进行非线性瞬态热分析，再进行线性应力分析，结合驴头结构特点定义单元类型为Soild226。在焊缝附近驴头划分单元细化，为节省计算机内存和计算时间远离焊缝区单元较大。总共单元数为8363个。网格划分如图1。
1.2 材料性能
焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题，随着热源的移动整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化。
材料的物理性能参数和力学性能参数是数值模拟过程中重要的物理量，对精度和准确性有重要影响。
1.3 热源及其边界条件
本文使用高斯移动热源，将焊接热输人量转化为热生成，在焊缝中心的热生成最大，周围单元热生成载荷按高斯分布依次取值。
温度边界条件施加对流边界条件和辐射边界条件，参考温度30℃，位移边界条件定义驴头侧面Z方向上的位移约束。焊缝初始温度为800℃。由于驴头焊接有两条焊缝，必须选择焊区，杀死一个焊区（初始状态焊缝不存在），对另一个初始化加载激活后求解，后采取同的办法进行第二次求解。
2 数值模拟结果及分析
2.1 焊接合位移计算结果
图2分别是焊接过程30 s，250 s时的动态三维变形的情况来看，焊缝附近的温度场在焊接过程中随时间发生变化，在刚开始时，驴头材料Q235温度T≥600℃，由于高温屈服极限降低，材料几乎处于无应力的状态，各部分变形收缩较均匀，产生压缩塑性区，随后因冷却热收缩形成拉伸塑性区，由压缩状态进入拉伸状态为弹性卸载窄带所分离，进入永久变形。
2.2 单一节点位移随时间变化关系
取靠近焊缝的单元（1318 NODE）分析UX，UY向位移与时间的关系如图3、图4所示。
3 热分析误差估计
任何产生不连续的热流区域的有限元模型都是有误差的，本文主要评估网格划分误差，在本研究中发现节点温度比实际要低，通过网格加密，能使节点温度升高更加接近实际值，但加密到达一定程度后效果不是很明显。ANSYS提供了误差分析的工具，其计算方法如下：
4 结论
在焊接过程中，温度场直接影响焊件的应力和变形场，同时变形产生的变形热又反作用于温度场。在冷却过程中驴头侧板受力为压应力，x向最大变形为-3.45 mm，y向变形为-1.4 mm，而驴头腹板和焊缝附近的侧板节点受力则是拉力，x向最大位移达到4.28 mm，y向最大位移为6.28 mm。整个驴头焊接件的残余应力不均匀，焊缝附近60mm的区域内应力较大，侧板远端基本不受应力。
参考文献
[1][德]D.拉达伊.焊接热效应[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2]商跃进.有限元原理与ANSYS应用指南[M].北京：清华大学出版社，2005.
作者简介
张磊（1985-），男，克拉玛依市特种设备安全检验所，助理工程师。