基于 SYSWELD 的焊接工藝參數對多道焊焊接殘余應力的影響

蒼 松，馬思群，金 輝，聶春戈

（1.遼寧軌道交通職業學院 鐵道工程系，沈陽 110027；2.大連交通大學 交通運輸工程學院，大連 116028）

0 引言

目前，高速動車組普遍采用鋁合金車體，由輕型鋁合金擠壓型材縱向焊接而成一個整體承載筒形結構。而在焊接過程中，由于焊件的加熱和冷卻不均勻導致焊縫各點的熱循環曲線不同，由此會產生了焊接殘余應力。

研究鋁合金車體的焊接應力產生規律，不但可以指導焊接生產過程的焊接應力控制措施，更可以通過對焊接應力的定量研究，保證安全可靠性。從目前的研究來看，影響焊接殘余應力產生的主要因素有三方面：一是材料的影響；二是熱源的影響；三是焊接工藝參數的影響；其中焊接工藝參數（焊接速度和熱度等）的影響起重要作用。正因如此，采取有效措施，如通過改進焊接工藝，降低焊接構件的殘余拉應，進而提高產品的焊接質量，一直是復雜裝備產品制造過程中追求的目標。我國在焊接應力研究工作主要開展于20世紀80年代初，西安交通大學在單面焊終端裂紋的力學機制和焊接過程力學行為的數值模擬等進行了研究[1,2]。上海交通大學在焊接力學模擬方面進行了大量研究工作，研制了適合于各種焊接熱輸入條件下的焊接傳熱有限元分析方法和相應的計算機程序，解決了“震蕩”等問題，提高了計算精度[3～5]。本文基于SYSWELD專業焊接軟件對某型高速動車組鋁合金中間車KK端中T型焊接接頭進行數值仿真，分析了不同焊接預熱溫度、不同多道焊焊接速度對T型焊接接頭殘余應力的影響，有一定的實際意義。

1 熱源校核

建立熱源的步驟為建立網格，加載材料數據庫，定義工藝過程參數，求解檢查結果和保存熱源。本文采用雙橢球熱源模型，雙橢球熱源模型一般適用于手工電弧焊、MIG、MAG等焊接方法。施焊過程中，熱源沿著焊縫向前移動，由于焊接速度的影響，電弧前后兩部分能量分布是不對稱的，電弧后部的能量大于電弧前部的能量。雙橢球熱源模型將熱源分為前后兩個1/4橢球體,如圖1所示[6]。

圖1 雙橢球熱源模型

af、ar、bh和ch為熱源參數，bh影響熔寬，ch影響熔深，這些參數的確定需要一定的經驗同時也是非常耗時。假設ff、fr為前后橢球的熱量輸入，利用雙橢球式可以得出前后橢球的熱流分布為[x]：

前半部分的熱輸入為：

對于后半部分同理為：

由于：

所以：

第一道焊熱源模型的焊接速度為17.6mm/s，電流210A，電壓23.6V，效率為0.7，能量為3469.2J；第二道焊熱源模型的焊接速度為8.8mm/s，電流為200A，電壓為23.5V，效率為0.7，能量為3290J。利用雙橢球熱源模型校核熱源所得到的溫度場如圖2所示。

圖2 熱源校核溫度場云圖

2 焊接殘余應力結果與分析

焊接接頭包括熔合區和熱影響區兩部分金屬。在焊縫區最高溫度可達材料沸點，而離開熱源溫度急劇下降至室溫。而焊縫金屬是由熔池中的液態金屬迅速冷卻、凝固結晶而成。焊接熱應力產生正由于不均勻的熱輸入，所以正確的模擬焊接過程中的溫度場是得出殘余應力的前提條件。

為了觀察殘余應力的分布情況，選取兩條關鍵路徑Line1和Line2，Line1為焊縫中心表面上一條直線Line2為垂直于焊縫且通過焊縫中心點的一條線。如圖2所示。分別導出每條路徑上不同點的橫向殘余應力與縱向殘余應力分布。

圖3 模型上所選取路徑Line1和Line2

為了研究焊接速度和預熱溫度對于焊接模擬的影響，本次研究的T型接頭焊接速度和溫度由如下方案構成：

1）焊接速度改變對殘余應力的影響

在預熱溫度（100℃）確定的情況下，改變焊接速度，分別為第一焊接速度V1（第一道焊接速度15.84mm/s，第二道焊接速度為7.92mm/s），第二焊接速度V2（第一道焊接速度17.6mm/s，第二道焊接速度為8.8mm/s），第三焊接速度V3（第一道焊接速度19.36mm/s，第二道焊接速度為9.68mm/s）。

分別從垂直焊縫的Line1路徑與沿焊縫方向的路徑Line2進行橫、縱向的分析。如圖4所示。

圖4 焊接速度改變對殘余應力的影響

由圖4(a)所示，路徑Line1沿焊縫方向橫向焊接殘余應力在第一焊接速度V1時最小，第二道焊接速度V2時其次，第三焊接速度V3時最大。沿焊縫方向縱向焊接殘余應力圖4(b)在第一焊接速度V1時最小，在第二道焊接速度V2時其次，在第三焊接速度V3時最大。Line2的試驗結果與Line1相同，如圖4(c)和3(d)所示。

2）預熱溫度改變對殘余應力的影響

為了研究預熱溫度對焊接殘余應力的影響，在焊接速度（第一道焊17.6mm/s，第二道焊8.8mm/s）確定的情況下，改變預熱溫度，分別為：T1(20℃)，T2(100℃)和T3(180℃)。

通過對模型重新加載、計算，計算結果由圖5所示，沿焊縫方向及垂直焊縫方向橫向焊接殘余應力在預熱溫度T1時最大，T2其次，T3時最小。沿焊縫方向及垂直焊縫方向縱向焊接殘余應力在預熱溫度為T1時最大，T2時其次，V3時最小。

圖5 預熱溫度改變對殘余應力的影響

從以上的分析結果來看，預熱能夠有效的降低焊接殘余應力，這是由于焊接過程中是局部迅速加熱的，焊縫區域溫度梯度較大，如果采用焊前預熱的方式就能減緩焊接區域的激熱，減小焊縫處的溫度梯度，從而降低了焊接殘余應力。但是也并非預熱溫度越高對結構越有利，已有的研究表明：鋁合金材料在高溫下，性能和熱處理狀態會受到不利的影響，同時會降低其抗腐蝕開裂的能力及抗拉強度[7]。

3 結論

本文使用焊接模擬軟件SYSWELD，針對不同焊接速度和預熱溫度下的T型接頭焊接多道焊進行了數值模擬仿真得出結論：

1）對比三種多道焊速度方案，計算得到T型焊縫焊接殘余應力，結果表明：在給定的預熱溫度前提下，在一定范圍內減小焊接速度，可降低焊縫殘余應力。

2）對比三種多道焊預熱溫度方案，結算結果表明：在一定范圍內，只改變焊接預熱溫度，會改變焊接殘余應力的值，預熱溫度越高，焊接殘余應力會有效的降低，但是不越高越好。

[1]唐慕堯,丁士亮,等.焊接過程力學行為的數值研究方法研究[M].焊接學報.1988,9(3):123-133.

[2]唐慕堯,樓志文,等.單面焊時終端裂紋的研究[J].焊接學報.1986,7(3):123-132.

[3]李永軍,孫丙河,等.CRH3型動車組鋁合金車體總組成焊接系統[J].大連交通大學學報,2009,30(2):106-108.

[4]汪建華.焊接數值模擬技術及其應用[J].上海交通大學出版社,2003.

[5]薛華.高速列車用A6N01S和A7N01S鋁合金焊接接頭疲勞裂紋擴展速率研究[D].天津:天津大學,2007.

[6]宋天民.焊接殘余應力的產生與消除[M].北京:中國石化出版社,2010:54-60.

[7]李永強,趙熹華,趙賀,等.預熱溫度對鋁合金搭接激光焊焊縫成形及組織的影響[J].吉林大學學報.2008,38(5):93-96.