焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响

焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响

张辉

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摘要：焊接残余应力的复杂性导致难以通过试验、检测等手段获得残余应力分布规律，精度难以保证。在计算机高速发展的今天，大多采用数值模拟方法。因此结合存在的实际问题，以箱体结构为研究对象，利用Simufactwelding专用焊接软件优化工艺设计，提出合理的施焊方案，控制残余应力以满足结构的使用要求。

关键词：T型接头，有限元模拟，焊接顺序，残余应力

1前言

明确焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响，对于保证焊接质量以及焊件的加工效率具有重要意义。本文选用5种不同的焊接顺序，模拟不同焊接顺序对T型焊缝残余应力场的影响，得到最优焊接顺序。

2物理模型以及数值模型分析

T形接头在焊接过程中要求焊接的电流处于110～130A，同时电压处于22～25V，焊接速度控制在2.5mm/s，焊接过程中的有效功率系数能够达到0.65，在研究焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响过程中需要通过建立一定的物理模型进行有限元分析。在物理模型完成后还应该建立有效的数值模型，在数值模型方面，常用的计算模型多采用Visual-mesh软件，并建立三维有限元模型和网格，由于实际焊接中，焊缝和邻近位置的温度场以及应力场变化较大，在建立模型过程中需要对网格进行加密处理。对于距离焊缝较远的位置，则网格可适当的放大，也不需要进行加密处理，从分析精度的角度分析，网格的数量应尽可能地少。在热源方面，采用的热源模型主要是按照Goldak提出的双椭球热源模型，这样可通过相关参数控制实际的焊缝尺寸；焊接过程中由于涉及到热量变化，存在着一定的相变，因而应考虑相变潜热；在焊缝填充过程中需要借助单元生死技术完成有限元分析中的模拟，也就是在模拟开始前，将所有的焊缝单元进行“杀死”处理，即让热熔、单元格的质量以及应变等处于零状态，具体分析计算中，没有被激活的单元格与计算无关。在焊缝单元被激活后，原本的“杀死”逐渐成为“生”状态，对应的参数值在施加对应的荷载后，可参与后续的有限元分析计算。

3有限元模型建立

3.1模型建立

工程机械的部分焊接结构件为典型的箱体结构，由顶底板、两侧板和焊缝组成，实际结构尺寸较大，取实际结构的一部分建立简化模型，底板和侧板尺寸为150mmx450mmx8mm，如图1所示。

图1简化模型

3.2网格划分

为提高计算效率并保证计算精度，在温度梯度较大的焊缝及热影响区划分网格较密，而远离焊缝和热影响区的区域网格较粗，本网格有限元模型采用六面体和四面体混合网格，网格划分结果为9090个节点，5800个单元。

3.3材料特性

模拟选用材料为16MnCr5，其热物理参数和力学性能参数随着温度的变化而变化，如图2所示。

图216MnCr5的物理参数

3.4热源模型和工艺参数选取

由文献[1]可知，对于气体保护焊，采用双椭球热源模型计算精度较高，因此选用双椭球移动热源。为便于对比分析模拟结果，采用不同的焊接顺序，热输入量保持不变，相关参数根据实际生产中的焊接工艺参数确定。模拟选择的电流290A，电压3lV，热效率0.85。

3.5边界条件

进行温度场分析时，室温设为20℃。焊接过程中构件与周围环境通过对流与辐射进行热交换，将辐射换热的影响耦合到对流换热中。

分析应力场时，为防止焊件产生刚体位移，在对称面上施加位移边界条件，如图3所示，其中在底边约束平动自由度，侧板约束所有方向的自由度。

图45种焊接方式示意图

4.1T型接头温度场、应力应变场分布云图及变化曲线

在焊接过程中模型的应力和应变场的分布情况基本上一致，因此下面仅以方案1为例进行介绍，为研究焊接过程中焊件在不同位置焊接温度场、应力和变形变化规律，沿垂直于焊缝方向距焊缝中心距离为0、20mm、40mm、60mm、80mm、100mm取6个节点。根据模拟结果得到，焊后温度场、残余应力和变形量分布云图及分布曲线，如图5所示：

图5温度场分布云图集及变化曲线

峰值温度主要分布于焊缝区域，各节点位置温度随着热源的移动不断升高并达到峰值2707℃，然后随着热源的离开，温度逐渐降低，加热时升温较快，冷却时则较为缓慢，其原因是热源接近时，熔池周围温度迅速达到焊丝熔点，虽然随着热源的离开，节点的温度逐渐降低，但是其仍受到焊件热传导的作用。

最大残余应力主要分布在焊缝及热影响区，在0～18s，焊缝及热影响区20mm区域内，主要表现为残余拉应力；随着热源的接近，约在55s时，即焊缝温度达到最高时，焊缝及热影响区20mm区域内残余拉应力转变为压应力；随着热源的离开，其又转变为残余拉应力，而20mm以外区域转变为残余压应力。其原因是在热源到达焊接位置时，焊缝由于受热膨胀受到母材的刚性约束，产生较大的残余压应力，而远离焊缝及热影响区，受到较大残余拉应力，而未焊的焊缝区域，同样也约束焊接区域膨胀，即此时产生残余拉应力。随着热源的离开，焊缝区域发生收缩，产生较大的残余拉应力，而远离焊缝位置表现为残余压应力。变形量最大分布在焊件边缘，随着离焊缝位置距离增加，其焊接变形量逐渐增加，其原因是由于随着离焊缝距离增加，其所受约束越来越小，即残余应力由于约束减小致变形变大。

4.2焊接顺序对焊接残余应力和变形的影响

图6为5种焊接顺序T型接头残余应力和变形图，焊件顺序不仅影响焊接残余应力，而且还影响焊接变形，残余应力最大出现在方案4，为

556.14MPa，而最小出现在方案5，为461.01MPa；方案1变形量最大为2.44mm，方案3、方案4变形量最小为1.93mm。

图6不同焊接顺序残余应力及变形量

综合模拟结果知，焊接应力和变形具有相反的变化趋势，这是因为在自由约束条件下，不同焊接顺序焊接温度场分布的差异性，造成不同的焊接残余应力和变形，焊接应力通过变形得到释放，因此较大变形的工件拥有较小的残余应力。

综合考虑，方案5焊接顺序为最佳，即先焊两端后焊中间，既可有效控制残余应力，又可控制焊接变形，这是由于后焊部分可抵消先焊部分产生的压缩塑形变形，即可抵消先焊部分的残余应力和变形。

5结语

（1）由于焊缝的横向收缩，T型接头在垂直焊缝和平行焊缝的方向上均发生了挠曲变形。

（2）不同的焊接顺序对T型接头的残余变形影响很大，采用从两侧向中间对称的焊接顺序能够有效地减少残余变形。

参考文献：

[1]陈家权，削顷湖，杨新彦，等.焊接过程数值模拟热源模型的研究进展[J].装备制造技术，2005（3）.

[2]齐国红，陈进泽，蒋建献.焊接顺序对T型接头残余应力场的影响[J].电焊机，2018（2）.

[3]王志远.焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响[J].建筑工程技术与设计，2017（13）.