單雙面焊接結構的溫度場

李 青，王巖松，趙禮輝，劉寧寧

（1.上海工程技術大學汽車工程學院，上海201620；2.上海理工大學機械工程學院，上海200093）

單雙面焊接結構的溫度場

李 青1，王巖松1，趙禮輝2，劉寧寧1

（1.上海工程技術大學汽車工程學院，上海201620；2.上海理工大學機械工程學院，上海200093）

針對T型板單、雙面兩種焊接結構的焊接溫度場分布的異同問題，建立了兩種焊接結構的有限元模型，利用焊接熱過程分析理論，通過SYSWELD分析比較兩者的溫度場云圖和焊趾線上溫度熱循環曲線。結果表明，焊接過程中雙面焊熔池的最高溫度比單面焊熔池的最高溫度高約150℃。單面焊焊趾線上選取點的最高溫度達到1 460℃～1 500℃；對于雙面焊，由于第一道焊縫焊接時對第二道焊縫的預熱作用，使得在第二道焊縫未焊接時E2～H2點的最高溫度就達到約550℃，且選取點的最高溫度為1 700℃～1 750℃。此研究結果可指導實際生產中焊接結構的選擇。

T型板；焊接結構；溫度場；熱循環曲線

0 前言

T型板常應用于汽車制造業、橋梁建造、現代造船工程等的焊接結構中。焊接過程是一個非常復雜的物理化學冶金過程，其溫度場直接決定了焊縫、殘余應力和變形[1]。焊接過程模擬時，一般僅考慮溫度場與應力場的單向耦合，即只考慮溫度場對應力場的作用，而忽略應力場對溫度場的影響[2]。國內外學者對焊接溫度場的影響因素進行了大量研究，熱源模型能否準確表達焊接熱能特征及其在焊件上的分布決定了焊接過程溫度場有限元計算結果的準確性[3]。目前高斯表面熱源、雙橢球熱源、體熱源、組合熱源是常用的幾種熱源模型；針對同一熱源，焊接電流的增加會使等溫面變寬變長、熔池區擴大，焊接速度的增加會使等溫面長寬比增加，熔池區長度加長，寬度縮小[4]；U型坡口的焊縫最高溫度高于V型坡口，且其熱影響區域比V型坡口寬[5]。另外，焊接接頭、焊件厚度、焊接方法等對焊接溫度場也有顯著影響。

針對T型板單、雙面兩種焊接結構的焊接溫度場分布的異同問題，利用焊接熱過程分析理論，建立了兩種焊接結構的有限元模型，通過SYSWELD分析兩者溫度場云圖并提取溫度熱循環曲線，比較兩者焊縫上的溫度變化。

1 分析理論和模型建立

1.1 分析理論

1.1.1 焊接熱過程分析理論

焊接時隨著熱源的不斷移動，溫度場在時間和空間上持續發生劇烈變化。因此，對焊接溫度場的分析屬于典型的非線性瞬態熱傳導問題。假設材料是各向同性，則溫度場的控制方程為

式中ρ、c和λ分別為材料的密度、比熱容和熱導率，均是溫度T的函數為內熱源強度。

導熱時通常分為三類邊界條件：①已知邊界上的溫度值，即Ts=T（x，y，z，t）；②已知邊界上的熱流分布，即③已知邊界上物體與周圍介質間的熱交換，即特殊情況下，邊界與外界無熱交換，即絕熱邊界條件其中，n為邊界表面外法線方向；qs為單位面積上的外部輸入熱流；α為表面換熱系數；Ta為周圍介質溫度。1.1.2雙橢球熱源

雙橢球熱源一般用于常規弧焊，其熱流密度分布在橢球體內，可準確反映出沿厚度方向焊接束流對焊件加熱的影響，進而精確地模擬焊接溫度場[6]。因此，研究采用適用于CO2氣體保護焊的雙橢球熱源模型模擬溫度場。雙橢球體熱源作用區域由前、后兩部分組成，分別用兩個不同軸長的橢球體的四分之一表示，如圖1所示。

圖1 雙橢球熱源Fig.1Double ellipsoid heat source

前半部分橢球內熱源分布函數

后半部分橢球內熱源分布函數

式中af、ar、b、c分別為雙橢球體的形狀參數，與熔池的形狀有關；Q0=ηUI，η為電弧熱效率，U為電弧電壓，I為焊接電流；ff、fr分別為前、后部分所占總輸入量的比例，其中

查閱相關資料可知，采用CO2保護焊時電弧電壓設為19 V，電流120～130 A，焊接速度5 mm/s，效率80％。選擇三組不同焊接電流下的工藝參數對雙面焊T型板進行仿真分析，通過討論焊接結束冷卻至室溫時T型板變形量大小來判斷焊接熱源的好壞。變形量越小，所選焊接熱源最合適，熱源模型參數如表1所示。

表1 熱源模型參數Table 1Parameters of heat source model

1.2 模型建立

T型板尺寸及材料如表2所示。由于焊件為薄板件，故無需開坡口。在鋼結構中要求焊腳尺寸K不小于最薄件厚度，在此K=3；合理的角焊縫尺寸規定：當K≤6 mm時，焊縫凸度C=0～1.5 mm[7]。合理的角焊縫規格如圖2所示，根據幾何計算得出焊縫尺寸如表3所示。

表2 T型板尺寸及材料Table 2T plate size and materials

表3 焊縫尺寸Table 3Weld size

單雙面焊的有限元模型分別如圖3所示。為獲得滿意的瞬態焊接溫度場，焊縫處的單元網格控制在2 mm以下[8]。焊縫及其附近區域網格劃分較細，網格寬度0.8 mm，以達到計算精度。遠離焊縫區，網格劃分相對較粗，網格寬度3 mm，以減少計算時間和計算量。圖4中裝夾點的位置選擇以及雙面焊的焊接順序主要是根據文獻[9-10]確定。選用的焊接工藝參數如表4所示。

圖2 合理的角焊縫規格Fig.2Reasonable fillet weld size

圖3 單雙面焊有限元模型Fig.3Finite element model of single and double sides welding

圖4 裝夾點的位置Fig.4Position of clamping point

表4 焊接工藝參數Table 4Parameters welding process

2 結果及分析

分析單、雙面焊T型板不同時刻的溫度場云圖，通過提取如圖5所示的選取點的溫度熱循環曲線，比較單雙面焊焊縫上的溫度變化。選取點位于焊趾線上，單焊縫T型板的焊趾線上取等距為20 mm的4個點，編號為A1～D1（見圖5a）；雙焊縫T型板的焊趾線上取等距為20 mm的8個點，編號為A2～D2和E2～H2（見圖5b）。

2.1 溫度場云圖

T型板單面焊和雙面焊不同時刻的焊接溫度場分布云圖如圖6、圖7所示。由圖6a、圖6b和圖7a可知，焊接開始后，熔池的溫度迅速升高，焊縫及其附近區域的溫度梯度較大，其他區域溫度梯度小；當焊接進行至20 s時，熱源中心開始離開焊件，對于單面焊，焊接完成，此時熔池最高溫度為2 687℃，而對于雙面焊，第一道焊縫焊接完成，熔池最高溫度為2 649℃；雙面焊的第二道焊縫即將焊接（t= 21.99 s），焊縫最高溫度冷卻至1 133℃，當t=23 s時，第二道焊縫焊接開始1 s內，熔池最高溫度達到2 397℃，高于第一道焊縫焊接開始1 s的熔池最高溫度（2 120℃），這是因為第二道焊縫受到第一道焊縫焊接熱循環的預熱作用，當t=42 s時，雙面焊第二道焊縫完成，熔池最高溫度達到2833℃；焊接結束后，T型板溫度下降，直到在空氣中冷卻到室溫。對于這兩種焊接結構，從開始焊接到冷卻至室溫，腹板沿厚度方向上的溫度梯度較小，這是因為腹板厚度小，能量能較好地從上表面傳遞到下表面，沿翼板橫向各點的溫度變化也較明顯，離焊縫越遠，溫度越低，這也符合文獻[11]所述。

圖5 焊趾線上選取點位置布局Fig.5Location layout of select point on the welding toe line

圖6 單面焊的不同時刻焊接溫度場分布云圖（單位：℃）Fig.6Temperature field cloud at different time of the single side welding（℃）

圖7 雙面焊的不同時刻焊接溫度場分布云圖（單位：℃）Fig.7Temperature field cloud at different time of the double sides welding（℃）

2.2 溫度熱循環曲線

為了觀察焊縫區溫度的具體數值，提取焊趾線上的溫度熱循環曲線，如圖8、圖9所示。無論是單面焊還是雙面焊，選取點的溫度熱循環曲線形狀基本相同，且溫度上升過程中曲線梯度較大，升溫速度快，溫度下降過程中曲線梯度較小，降溫速度較緩，由于雙面焊有兩條焊縫，故選取點的溫度熱循環曲線有兩個波峰。對于單面焊，熱源經過時，溫度變化較小，出現了圖8a中選取點的溫度在達到波峰前短暫時間內較緩的上升狀態，A1點的最高溫度達到1 460℃，由于熱傳導，后焊的點達到的最高溫度比先焊的點高約15℃；對于雙面焊，第一道焊縫從開始焊到結束的時間段內，A2～D2點的溫度變化同于A1～D1點，這是因為第一道焊縫焊接時對第二道焊縫有預熱作用，使得在第二道焊縫還沒有焊接時E2～H2點的最高溫度就已達到約550℃，第二道焊縫開始焊接后由于熱傳導，在熱源經過時，圖9b中選取點的溫度在達到波峰后短暫時間內呈較緩的下降狀態。E2點的最高溫度達到1 700℃，F2～H2點的最高溫度比它們各自相鄰的先焊點高約10℃，A2～D2點的溫度從400℃（第一道焊縫焊完冷卻的最低溫度）升至約850℃；焊接結束后，所有選取點的溫度逐漸降至室溫。

圖8 單面焊焊趾線上選取點的焊接熱循環曲線Fig.8Welding thermal cycle curves of the selected points on the toe line of the single sidewelding

圖9 雙面焊焊趾線上選取點的焊接熱循環曲線Fig.9Welding thermal cycle curves of the selected points on the toe line of the double sides welding

3 結論

（1）對于單面焊，焊接結束時熔池的最高溫度達到2687℃；對于雙面焊，第一道焊縫焊接完成時，熔池的最高溫度為2649℃，第二道焊縫焊接結束時，熔池的最高溫度達到2 833℃。

（2）單面焊焊趾線上的選取點的最高溫度達到1 460℃～1 500℃；對于雙面焊，第一道焊縫從開始焊到結束的時間段內，A2～D2點的溫度變化同于A1～ D1點，因第一道焊縫焊接時對第二道焊縫有預熱作用，使得在第二道焊縫未焊接時E2～H2點的最高溫度就已達到約550℃，第二道焊縫開始焊接后，E2點的最高溫度達1 700℃。

[1]Feng Z.A computational analysis of thermal and mechanical conditions for weld metal solidification cracking[J]. Welding Research Abroad，1996，42（1）：34-41.

[2]王蓉.轉向架構架T型接頭焊接溫度場與應力場數值模擬[D].吉林：吉林大學，2012.

[3]張建勛，劉川.焊接應力變形有限元計算及其工程應用[M].北京：科學出版社，2015.

[4]楊磊，江克斌，邵飛，等.多參數對T型焊接接頭溫度場的影響分析[J].鋼結構，2015，3（9）：68-73.

[5]桑瑋瑋，杜景楊.坡口形式對不銹鋼焊接溫度場影響的分析[J].現代制造技術與裝備，2016，3（2）：10-12.

[6]莫春立，錢百年.焊接熱源計算模式的研究進展[J].焊接學報，2001，22（3）：93-96.

[7]顧紀清.焊接技術要領[M].上海：上海科學技術出版社，2013.

[8]汪建華.焊接數值模擬技術及其應用[M].上海：上海交通大學出版社，1999.

[9]黎超文，王勇，韓濤.焊接順序對T接頭殘余應力和變形的影響[J].焊接學報，2011，32（10）：37-40.

[10]張書權.基于SYSWELD的T型接頭焊接溫度場和應力應變場的數值模擬[D].安徽：安徽工程大學，2011.

[11]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊：第3卷.焊接結構[M].北京：機械工業出版社，2005.

Temperature field of single and double sides welding structure

LI Qing1，WANG Yansong1，ZHAO Lihui2，LIU Ningning1
（1.School of Automotive Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China；2.School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Two welding structures finite element model are established and their temperature field and thermal cycling curve of welding toe are analyzed by SYSWELD which is based on the welding thermal process analysis theory in this paper，aiming at the problems of similarities and differences of the temperature field of single and double side welding structure of the T plate.Results show that the maximum temperature of the weld pool of the one side welding is about 150℃higher than the double side welding during the welding process.The maximum temperature of the selected points on the toe line of the single side welding is up to 1 460℃～1 500℃.For the double side welding structure welding，the highest temperature of the point E2～H2on the second weld line is 550℃before welded because of preheating effect.And the maximum temperature of the selected points is up to 1 700℃～1 750℃.The results in this study can be used to guide the choosing of welding structure in practical production.

T plate；welding structure；temperature field；thermal cycling curve

TG457.1

A

1001－2303（2017）01－0080-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.15

獻

李青，王巖松，趙禮輝，等.單雙面焊接結構的溫度場[J].電焊機，2017，47（1）：80-85.

2016-07-20

國家自然科學基金資助項目（51575335）

李青（1990—），女，安徽六安人，碩士，主要從事焊接殘余應力與變形的研究。