典型結構焊接溫度和殘余變形研究

賈曉丹，朱元偉

(武昌船舶重工有限責任公司，湖北 武漢 430060)

0 引言

在船舶、橋梁、汽車、航天航空等工程領域，結構不僅十分復雜，而且結構之間均采用焊接方式進行連接［1］。在焊接過程中，焊接溫度場和焊接殘余變形是影響焊接質量和生產率的重要因素［2］。長期以來，很多專家學者在研究焊接溫度場和焊接殘余變形的定量計算以及焊接變形的控制、消除等方面做了大量工作。但由于結構復雜多樣，以及焊接工藝過程的復雜性，在實際焊接工程應用過程中，仍存在許多典型結構的焊接溫度和殘余變形有待研究［3－5］。

本文選擇不同板厚的典型對接和角接結構進行焊接試驗，測量焊接過程中焊接溫度和焊接殘余變形的大小，并采用熱彈塑性計算方法研究焊接溫度和殘余變形規律，為解決實際工程應用中的焊接問題提供理論依據。

1 試驗材料與方法

試驗選用某船用鋼材，采用半自動CO2焊接方法進行典型對接和角接結構焊接試驗，其中對接結構尺寸為:10 mm×200 mm×500 mm和7 mm×200 mm×500 mm;角接結構尺寸為:面板10 mm×200 mm×500 mm和腹板8 mm×200 mm×500 mm。焊接工藝參數為:電壓27～30 V，電流180～220 A，焊接速度3～6 mm/s。焊接溫度變化歷程的測量采用CENTER309溫度測量計和熱電偶，焊接變形的測量采用應力應變儀和百分表，百分表和熱電偶的安裝位置如圖1所示，其中點T1和T2為熱電偶安裝位置，即焊接溫度測點;點1～點8為百分表安裝位置，即焊接殘余變形測點。

圖1 焊接溫度和變形測點布置Fig.1 Disposal picture of measured points for welding temperature and deformation

2 試驗結果與分析

2.1 焊接溫度

圖2為對接結構和角接結構的焊接溫度變化曲線圖。由圖2(a)可知，測點T1和T2的焊接溫度變化趨勢相同，且峰值溫度和到達峰值溫度的時間相近。當焊接熱源遠離測點時，測點的溫度上升比較平緩，溫度保持在40℃左右，這是由于試板和墊板的初始溫度較低(室溫)，焊接過程中熱源傳輸的熱量很快被散失掉造成的;當焊接熱源逐步靠近測點時，測點的溫度開始逐漸上升;當熱源接近測點時，測點的焊接溫度并未達到峰值，這是由于熱源與前端焊縫傳給測點的熱量之和仍然大于其散失熱量造成的;當焊接熱源逐漸遠離測點時，測點的焊接溫度逐漸達到峰值284℃左右，隨后焊接溫度開始緩慢降低。由此可知，測點經歷了加熱－峰值－冷卻過程，且測點焊接溫度在到達峰值溫度的時間上存在嚴重滯后現象。對比圖2(a)和(b)可知，對接結構和角接結構的測點焊接溫度曲線趨勢一致。

2.2 焊接殘余變形

表1為對接和角接結構的焊接殘余變形測量結果，其中對接結構的結果為左右面板焊接殘余變形平均值。由表1可知，對接和角接結構的焊接殘余變形相比，對接結構的角變形較小，橫向收縮變形較大，而角接結構的角變形相對較大，橫向收縮變形相對較小。這是因為對接焊縫的電弧熱輸入量相對較大，且在試板厚度方向上差別不明顯，而單道角焊縫的電弧熱輸入量相對較小，且在面板厚度方向上存在明顯差別，故產生該焊接變形結果。

圖2 焊接溫度曲線Fig.2 The curves of welding temperature

表1 焊接殘余變形結果Tab.1 The result of welding residual deformation

3 數值仿真與分析

3.1 數值仿真

為進一步了解對接和角接結構的焊接溫度和殘余變形情況，使用有限元軟件Abaqus進行幾何建模，設定材料的熱物理和熱力學性能參數，焊縫及其附近區域的網格細化，遠場區域的網格適當加粗，熱源選用雙橢球熱源模型，采用熱彈塑性方法進行仿真計算。

3.2 仿真結果分析

通過熱彈塑性仿真計算，完整地模擬了對接和角接結構的焊接過程，得出每一時刻的焊接溫度和殘余變形，如圖3所示。由圖3(a)和(c)可知，對接和角接焊縫的熱源附近溫度較高，如對接焊縫的熱源中心溫度高達1 500℃，角接焊縫的熱源中心溫度高達1 400℃，且熱源附近的溫度梯度較大。由圖3(b)可知，對接結構的試板中間部分橫向收縮量較大。另外，由于左右試板厚度不同，導致左右兩邊的橫向收縮變形不對稱。由圖3(d)可知，角接結構的左右面板沿焊接方向的垂向變形分布較為均勻。

圖3 仿真云圖Fig.3 The pictures of simulation

3.3 數值仿真結果驗證

為驗證仿真結果的正確性，將計算和試驗結果進行對比(見圖4)可知，數值仿真結果和試驗結果基本上是吻合的，這表明該數值仿真計算是正確的，計算結果可以反映對接和角接結構的焊接溫度和殘余變形情況。在數值計算過程中，由于難以保證邊界條件、熱源形式等要素與實際情況完全吻合，因此計算和試驗結果存在略微差異。

圖4 仿真與試驗結果對比Fig.4 The result comparison of simulation and experiment

4 結語

1)對接和角接結構的測點焊接溫度變化趨勢相同，均經歷加熱—峰值—冷卻過程，且到達峰值溫度的時間上存在嚴重滯后現象。

2)對接結構的焊接角變形較小，橫向收縮變形較大;角接結構的焊接角變形相對較大，橫向收縮變形相對較小。

3)對接結構的左右兩邊橫向收縮變形不對稱，角接結構的左右面板沿焊接方向的垂向變形分布較為均勻。

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