焊接順序?qū)型接頭角焊縫殘余變形的影響

王 浩，李 莉

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473009；2.河南省科學(xué)技術(shù)館，河南鄭州450008）

焊接順序?qū)型接頭角焊縫殘余變形的影響

王 浩1，李 莉2

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473009；2.河南省科學(xué)技術(shù)館，河南鄭州450008）

為研究焊接順序?qū)型接頭角焊縫殘余變形的影響，對平對接接頭的焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬和焊接實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證焊接模擬的合理性；建立T型接頭雙面角焊縫的有限元模型，采用生死單元技術(shù)和熱結(jié)構(gòu)耦合的方法對T型接頭焊接過程中的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析4種焊接順序?qū)ζ錃堄嘧冃蔚挠绊憽＝Y(jié)果表明，模擬結(jié)果與殘余應(yīng)力測試結(jié)果吻合良好，說明焊接模擬過程合理有效。T型接頭在焊后發(fā)生了撓曲變形，焊接順序2的殘余變形最小，變形量為0.61 mm，采用從兩側(cè)向中間的焊接順序能夠減小T型接頭的殘余變形。

焊接順序；T型接頭；溫度場；應(yīng)力場；數(shù)值模擬

0 前言

T型接頭角焊縫是造船、橋梁、車輛、建筑中最常見的一種結(jié)構(gòu)形式[1]，作為重要的承載和支撐構(gòu)件，焊接殘余應(yīng)力的存在嚴(yán)重影響了T型接頭的承載能力和結(jié)構(gòu)壽命[2]。在焊接過程中，由于溫度場的局部性和不均勻性[3]，不可避免地會(huì)造成焊接變形，而T型接頭的殘余變形情況更為復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，采用數(shù)值模擬技術(shù)研究焊接過程中的溫度場和應(yīng)力變化[4]已經(jīng)是一種研究焊接變形的主要手段。

首先對平對接接頭的焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和焊接實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證焊接模擬的合理性，然后建立T型接頭雙面角焊縫的有限元模型，采用生死單元技術(shù)和熱結(jié)構(gòu)耦合對T型接頭焊接過程中的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析4種焊接順序?qū)ζ?/p>

殘余變形的影響，進(jìn)而優(yōu)化焊接工藝，對生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

1 有限元模型的建立

1.1 材料選擇

T型接頭材料為Q345，為了提高計(jì)算精度，需要考慮導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、線膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的變化情況[5]，Q345的物理性能和力學(xué)性能參數(shù)隨溫度變化情況如表1所示。在計(jì)算過程中，使焊縫單元與母材具有相同的熱物性參數(shù)。

表1 Q345在高溫下的物理性能和力學(xué)性能參數(shù)Tab.1Physical properties and mechanical performance parameters of Q345 in high temperature

1.2 有限元模型

平對接接頭尺寸為300 mm×100 mm×2 mm，兩塊平板采用I型坡口進(jìn)行對接，其網(wǎng)格劃分如圖1所示，模型中共有6 840個(gè)單元，14 036個(gè)結(jié)點(diǎn)。

圖1 對接接頭網(wǎng)格劃分Fig.1Finite element mesh in butt joint

建立的T型接頭翼板和腹板尺寸均為300mm× 150 mm×6 mm。為提高計(jì)算效率且保證計(jì)算精度，采用映射方式對T型接頭劃分網(wǎng)格，在焊縫區(qū)域和焊縫附近區(qū)域采用較細(xì)的網(wǎng)格尺寸，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域采用較粗的網(wǎng)格尺寸，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示，焊接方向?yàn)锳NSYS坐標(biāo)系中的z軸方向，有限元模型中的單元總數(shù)為6 240，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為9 394。

圖2 T型接頭網(wǎng)格劃分Fig.2Finite element mesh in T joint

1.3 計(jì)算方案

實(shí)驗(yàn)中焊接速度為400 mm/min，采用單元生死技術(shù)模擬焊縫單元的依次生成和熱源的移動(dòng)[4]，選用熱-結(jié)構(gòu)耦合的方法對焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬，即先進(jìn)行溫度場分析，然后讀取溫度場結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力場的分析。焊接溫度場分析采用SOLID70單元，初

始溫度20℃。焊接熱源采用內(nèi)生熱源，即模擬過程中對焊縫單元施加2 000℃，對流換熱系數(shù)30 W/（m2·℃）。溫度場計(jì)算結(jié)束后，將熱單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元，采用SOLID185結(jié)構(gòu)分析單元分析焊接應(yīng)力場。加載位移邊界條件既要防止在計(jì)算過程中產(chǎn)生剛體位移，又不能阻礙焊接過程中的應(yīng)力自由釋放和自由變形。對接接頭和T型接頭的約束條件如圖3所示。

圖3 約束條件Fig.3Constraint condition

分別采用4種焊接順序?qū)型接頭的殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行數(shù)值模擬，焊接順序如圖4所示。

圖4 焊接順序Fig.4Welding sequence

1.4 理論方程

焊接溫度場的分布是一個(gè)高度非線性的過程，其熱傳導(dǎo)的微分方程[6]為：

式中Q為內(nèi)熱源強(qiáng)度；ρ為密度；c為比熱容；T為焊接過程中的溫度場函數(shù)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；t為傳熱的時(shí)間。c、λ都隨溫度而變化。

為獲得溫度場的定解，需給出邊界和初始條件，設(shè)S∈R3為求解域V的邊界，并有S=S1∪S2∪S3，其中S1為溫度邊界，S2為熱流邊界，S3為對流輻射邊界。

在S1邊界上，已知邊界上的溫度值，滿足一類邊界條件

在S2邊界上，已知邊界上的熱流密度，滿足二類邊界條件

在S3邊界上，已知物體與周圍介質(zhì)間的換熱，滿足三類邊界條件

初始條件的溫度分布

對于Q345其彈塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：材料的屈服服從von-Mises屈服準(zhǔn)則，塑性區(qū)符合流變法則，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系公式為

式中｛C｝為與溫度有關(guān)的向量；[D]為彈性或塑性矩陣。

1.5 殘余應(yīng)力測試

采用鉆孔法測試對接接頭殘余應(yīng)力，如圖5所示。在被測點(diǎn)貼上120 Ω/45°應(yīng)變花，采用DZDL-1型鉆孔裝置在測點(diǎn)上鉆一小孔，使測點(diǎn)的應(yīng)力得到

部分或全部釋放，并由事先貼在小孔周圍的ASM2-3-X靜態(tài)電阻應(yīng)變計(jì)測得釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力，通過該方法得到測試點(diǎn)的第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力。

圖5 焊接殘余應(yīng)力測試Fig.5Test of welding residual stress

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 對接接頭結(jié)果及分析

對接接頭的模擬結(jié)果和殘余應(yīng)力測試結(jié)果如圖6所示。其中圖6a為36 s時(shí)刻的溫度場分布；圖6b為焊縫上不同結(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線；圖6c為焊接殘余應(yīng)力分布，沿著焊縫方向定義路徑P1；圖6d為P1路徑上殘余應(yīng)力的模擬結(jié)果和測試結(jié)果的對比。

圖6 模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6Results of simulation and experiment

由圖6可知，焊接過程中的溫度場呈準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分布，靠近焊縫中心的溫度梯度較大，遠(yuǎn)離焊縫中心的溫度梯度較小，焊縫上的結(jié)點(diǎn)經(jīng)歷了較強(qiáng)的熱循環(huán)作用。最大殘余應(yīng)力位于焊縫的末端處，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域殘余應(yīng)力較小，殘余應(yīng)力模擬結(jié)果與測試結(jié)果吻合較好，說明本研究中對焊接模擬過程是合理有效的。

2.2 T型接頭結(jié)果及分析

T型接頭在不同焊接順序的殘余變形分布如圖7所示。沿T型接頭底邊定義一條路徑P2，不同焊接順序下的焊接變形和殘余應(yīng)力如圖8所示。

圖7 殘余變形分布（20×）Fig.7Residual deformation distribution（20×）

圖8 P2路徑上的撓曲變形和殘余應(yīng)力Fig.8Bending deformation and residual stress of P2path

由圖7可知，焊接順序4的殘余變形最大，最大變形量0.91 mm，位于焊縫的末端處；焊接順序1的最大殘余變形量為0.76 mm；焊接順序3的最大殘余變形量為0.66 mm；焊接順序2的殘余變形最小，最大變形量為0.61mm。其中焊接順序1、焊接順序3和焊接順序4沿垂直焊縫的方向和平行焊縫方向均發(fā)生了撓曲變形，這是因?yàn)橛诤缚p發(fā)生嚴(yán)重的橫向收縮，而焊接順序2只是在垂直焊縫的方向上發(fā)生撓曲變形，焊縫發(fā)生了微量的橫向收縮。

由圖8可知，焊接順序1的撓曲變形量最大，焊接順序3的撓曲變形量次之，焊接順序2的撓曲變形量較小，焊接順序4的撓曲變形量最小，但是焊接順序4在沿焊縫方向發(fā)生了較大的撓曲變形，因此焊接順序2得到的焊接變形量最小。焊接順序3的殘余應(yīng)力最大，焊接順序1和焊接順序2的殘余應(yīng)力分布近似，焊接順序的殘余應(yīng)力最小。

3 結(jié)論

（1）采用生死單元技術(shù)和熱結(jié)構(gòu)耦合的方法對平對接接頭的焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與殘余應(yīng)力測試結(jié)果吻合較好。

（2）由于焊縫的橫向收縮，T型接頭在垂直焊縫和平行焊縫的方向上均發(fā)生了撓曲變形。

（3）不同的焊接順序?qū)型接頭的殘余變形影響很大，采用從兩側(cè)向中間對稱的焊接順序能夠有效地減少殘余變形。

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[4]王蘋，王強(qiáng)，劉雪松，等.基于FEM的高速列車地板結(jié)構(gòu)焊接順序優(yōu)化[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，33（8）：45-48.

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The effect of welding sequence on residual distortions in T-joint fillet weld

WANG Hao1，LI Li2
（1.He'nan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，China；2.He'nan Science and Technology Museum，Zhengzhou 450008，China）

The numberical simulation and welding experiment of welding process had been taken out to study the effection of welding sequence on residual distortion in T-joint fillet weld.The finite element model of T-joint welding was created.The temperature field and residual stress field were numberical simulated with the technology of element life and death and thermal-structure coupling in T-joint weldingprocess，analyzed four kinds ofthe influence ofweldingsequence on the residual deformation.The result ofresidual stress filed was more consistented with experiment which showed that the simulation of the welding process was reasonable and effective.Deflection occurred in T-joint after welding.The residual distortion of welding sequence 2 was minimal which was 0.61 mm.Use the welding sequence fromeither side tothe middle can reduce the residual deformation ofT-joint.

welding sequence；T-joint welding；temperature filed；residual stress filed；numerical simulation

TG404

A

1001-2303（2016）10-0090-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.19

獻(xiàn)

王浩，李莉.焊接順序?qū)型接頭角焊縫殘余變形的影響[J].電焊機(jī)，2016，46（10）：90-95.

2015-04-23；

2016-09-07

河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目（2014 GGJS-165）

王浩（1979—），男，河南鎮(zhèn)平人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及數(shù)值分析的研究工作。