焊接工藝參數(shù)對焊接變形及殘余應(yīng)力的影響

鄧賢輝

(海軍駐上海江南 (造船)集團有限責(zé)任公司 軍事代表室，上海 201913)

焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海領(lǐng)域，尤其在船舶工業(yè)中，無論在船舶建造階段，還是在船舶維修換板階段，都需要使用焊接技術(shù)將外板、縱骨等鋼質(zhì)船體構(gòu)件連接在一起，而在焊接過程結(jié)束后，焊接結(jié)構(gòu)不可避免的會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力的存在嚴重影響船體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，所以對焊接殘余應(yīng)力的預(yù)報極為重要。隨著計算機計算水平的提高，焊接過程的數(shù)值模擬方法得到了迅速的發(fā)展，李良碧等［1］基于有限元分析軟件ANSYS，利用其APDL語言開發(fā)了相應(yīng)的焊接程序，對高強鋼錐柱結(jié)合殼模型凸錐處環(huán)焊縫的焊接過程進行模擬，得到焊接殘余應(yīng)力的大小和分布;趙秋等［2］通過數(shù)值模擬和實驗方法對U肋加勁板焊接殘余應(yīng)力進行了估算和分析，建立了三維熱彈塑性有限元模型，采用生死單元法模擬焊縫填充和焊接熱輸入過程，實現(xiàn)了整個焊接過程中的動態(tài)應(yīng)力和變形變化，得到了U肋加勁板的焊接溫度場和應(yīng)力場，分析了U肋加勁板的焊接殘余應(yīng)力分布;魏康等［3］針對轉(zhuǎn)向架十字焊接接頭進行有限元建模，應(yīng)用有限元軟件ABAQUS計算不同焊趾傾角、焊趾過渡圓弧半徑下接頭焊趾處的應(yīng)力集中系數(shù)，并通過Origin軟件建立應(yīng)力集中系數(shù)與幾何參數(shù)(焊趾傾角、焊趾過渡圓弧半徑)的關(guān)系方程式。劉玉君等［4］利用非線性有限元方法，分別對單、雙、三、四個筋板的底板結(jié)構(gòu)的焊接變形進行了數(shù)值模擬分析，采用8節(jié)點六面體單元建立了疏密過渡的有限元模型，使用隨溫度變化的材料熱－力參量，運用了精度較高的雙橢球熱源模型以及生死單元的方法，模擬得到了不同焊接順序下多筋板底板結(jié)構(gòu)焊接橫向變形情況。

MSC.Marc是大型通用有限元軟件之一，其基于位移法的有限元程序，在非線性方面具有強大的功能。擁有能夠真實反應(yīng)材料加工過程的本構(gòu)模型，能夠進行焊接過程和材料加工過程的計算，具有強大的接觸處理功能來模擬金屬與模具、結(jié)構(gòu)與卡具之間的接觸問題，具備處理焊縫金屬填充問題的能力，并提供多種焊接熱源模型，可以靈活、準確的處理復(fù)雜材料加工過程中的應(yīng)力傳遞問題，本文將基于MSC.Marc非線性有限元求解程序，以文獻［5］中平板對接焊焊接熱過程模擬為例，研究外界環(huán)境溫度、熱源功率等焊接工藝參數(shù)對焊接橫向變形及縱向殘余應(yīng)力的影響。

1 焊接熱過程的數(shù)值模擬

1.1 問題的描述

平板對接焊焊接實例如圖1所示，將2塊100 mm×50 mm×10 mm的鋼板通過TIG焊接成一個平板，不開坡口，不填絲。建立對稱半模型，劃分3 750個網(wǎng)格。焊接的電壓為200 V，電流為20 A，焊接速率為2 mm/s。材料的楊氏模量、屈服強度、熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)等物理性能隨溫度的變化關(guān)系如圖2所示。

圖1 平板對接焊焊接實例

圖2 物理性能隨溫度的變化關(guān)系

1.2 模型的前處理

本例為不填絲焊接，不需要定義焊接填充材料，焊接路徑為直線型，采用焊接首末端節(jié)點來設(shè)定。施加熱源模型為雙橢球熱源，熱源功率為4 000 W，效能0.7，寬度0.006 m，深度0.005 m，前端長度0.003 m，后端長度0.015 m，焊接速度為0.002 m/s。工件與外界環(huán)境的熱對流系數(shù)為40，外界環(huán)境溫度為20℃。對側(cè)面定義x、z方向的約束，對底面定義y方向的約束。采用熱－機耦合的方式進行溫度場和應(yīng)力場分析，整個求解過程分為焊接過程和冷卻過程，焊接時間為5 000 s，相對殘余應(yīng)力收斂容差為0.1，溫度允許的最大變化量為30，最大增量步數(shù)為500，初始時間步長為1，提交作業(yè)并運行時激活集中質(zhì)量和熱熔陣，提高計算速度。

1.3 后處理

圖3為各增量步的溫度場云圖，圖4為沿焊縫中心線上的溫度分布。由圖3、圖4可知，隨著熱源的移動，溫度峰值約為1 500℃，其均勻的由焊接前端向后端移動。焊接熱源前端溫度大于后端溫度，這是因為焊接瞬時前端溫升尚未降低，而熱源尚未傳遞到后端，與客觀事實相符。到最后一個增量步時，焊接末端溫升達到1 891.84℃，大于焊接過程溫度峰值，這是因為焊接后端直接與周圍空氣進行熱交換，其交換速度小于金屬之間的熱交換。

圖3 各增量步的溫度場云圖

圖5為縱向殘余應(yīng)力分布云圖，圖6為沿焊縫中心線上的縱向殘余應(yīng)力分布曲線。由圖5、圖6可知，焊接殘余應(yīng)力由焊縫中心向焊縫兩端逐漸減小。在0.002～0.024 m長度范圍內(nèi)，焊接殘余應(yīng)力為負值，表現(xiàn)為壓縮，其余位置為正，表現(xiàn)為拉伸。

圖4 沿焊縫中心線上的溫度分布

圖5 縱向殘余應(yīng)力分布云圖

圖6 沿焊縫中心線上的縱向殘余應(yīng)力分布

2 外界環(huán)境溫度的影響

保持模型的幾何參數(shù)、材料屬性和焊接熱源不變，將外界環(huán)境溫度分別設(shè)定為20℃、30℃、40℃，數(shù)值模擬過程完成后，不同外界環(huán)境溫度下平板橫向變形隨路徑節(jié)點坐標(biāo)的變化如圖7所示，不同路徑節(jié)點坐標(biāo)的縱向殘余應(yīng)力隨外界環(huán)境溫度的變化如圖8所示。

圖7 橫向變形隨路徑節(jié)點坐標(biāo)的變化

由圖7可知，焊接過程結(jié)束后，焊縫兩端變形為正，表現(xiàn)為收縮，焊縫中心變形為負，表現(xiàn)為膨脹。焊縫末端變形量大于焊縫前端，這是因為焊接過程結(jié)束后，末端溫度大于前端，與圖4吻合。對于焊縫中心線上任一點，橫向變形隨外界環(huán)境溫度的升高而減小，說明外界環(huán)境溫度越高，焊接效果越好。另外，相對于焊縫中點，外界環(huán)境溫度對焊縫兩端變形的影響更為顯著。

圖8 縱向殘余應(yīng)力隨外界環(huán)境溫度的變化

圖8(圖例為路徑節(jié)點坐標(biāo))表明對于焊接路徑上的任一點，其縱向殘余應(yīng)力隨外界環(huán)境溫度的增大而減小，兩者基本上呈線性關(guān)系。

3 熱源功率的影響

保持模型的幾何參數(shù)、材料屬性和外界環(huán)境溫度不變，將焊接熱源功率分別設(shè)置為3 500 W、4 000 W、4 500 W，數(shù)值模擬過程完成后，焊縫橫向變形和縱向殘余應(yīng)力隨熱源功率的變化分別如圖9和圖10所示。

圖9 橫向變形隨熱源功率的變化

由圖9可知，當(dāng)P為3 500 W或4 000 W時，沿焊縫長度方向0.03～0.07 m范圍內(nèi)，橫向變形為負，表現(xiàn)為膨脹，其余范圍內(nèi)橫向變形為正，表現(xiàn)為收縮，總體看來，收縮區(qū)域多于膨脹區(qū)域，且收縮區(qū)域的變形量普遍大于膨脹區(qū)域，所以焊接板整體表現(xiàn)為收縮。當(dāng)P=4 500 W時，橫向變形為負的區(qū)域為0.04～0.07 m，區(qū)域長度比P為3 500 W或4 000 W時減小了25%。

在3種熱源功率下，橫向變形最大值均出現(xiàn)在焊接末端，其值分別為23.64E～20 m，2.30E～20 m，2.21E～20 m，可見，焊接橫向變形隨熱源功率的增大而減小。當(dāng)P為3 500 W時，最大變形遠大于P為4 000 W和P為4 500 W的情況，可見在焊接工藝中，熱源功率不得小于4 000 W。

圖10 縱向殘余應(yīng)力隨熱源功率對的變化

由圖10可知，當(dāng)P為3 500 W時，沿焊縫方向20%(0.05～0.07 m)的區(qū)域焊接殘余應(yīng)力為正值，表現(xiàn)為拉伸，其余位置焊接殘余應(yīng)力為負值，表現(xiàn)為壓縮;當(dāng)P為4 000 W時，沿焊縫長度方向90%的區(qū)域焊接殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉伸應(yīng)力，僅在0.01～0.02 m長度范圍內(nèi)表現(xiàn)為壓縮應(yīng)力;當(dāng)P為4 500 W時，表現(xiàn)為壓縮應(yīng)力的位置僅出現(xiàn)在焊縫近末端0.09 m處。可見，對于焊縫前端，熱源功率越大，焊接殘余應(yīng)力越容易表現(xiàn)為拉伸，熱源功率越小，焊接殘余應(yīng)力越容易表現(xiàn)為壓縮;對于焊縫中段，無論焊接熱源功率大小，焊接殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為拉伸。

當(dāng)P為3 500 W時，焊接殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在z為0.02 m 處，為－1.80×109Pa; 當(dāng)P為4 000 W時，焊接殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在z為0.06 m處，為－1.80×109Pa;當(dāng)P為4 500 W時，焊接殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在z為0.02 m處，為1.73×109Pa。可見，焊接熱源功率對焊接殘余應(yīng)力絕對值的影響不大，只是改變了最大焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)的位置。

4 結(jié)束語

本文以平板對接焊為例，對焊接過程進行了數(shù)值模擬，研究了外界環(huán)境溫度和焊接熱源功率對焊縫變形和焊接殘余應(yīng)力的影響，得到如下結(jié)論。

1)對于焊縫中心線上任一點，橫向變形隨外界環(huán)境溫度的升高而減小，說明外界環(huán)境溫度越高，焊接效果越好。另外，相對于焊縫中點，外界環(huán)境溫度對焊縫兩端變形的影響更為顯著。

2)對于焊接路徑上的任一點，其縱向殘余應(yīng)力隨外界環(huán)境溫度的增大而減小，兩者基本上呈線性關(guān)系。

3)在3種熱源功率下，最大橫向變形均出現(xiàn)在焊接末端，其值隨熱源功率的增大而減小。

4)對于焊縫前端，熱源功率越大，焊接殘余應(yīng)力越容易表現(xiàn)為拉伸，熱源功率越小，焊接殘余應(yīng)力越容易表現(xiàn)為壓縮;對于焊縫中段，無論焊接熱源功率大小，焊接殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為拉伸。

5)焊接熱源功率對焊接殘余應(yīng)力絕對值的影響不大，只是改變了最大焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)的位置。

［1］李良碧，潘廣善，萬正權(quán)，等.高強鋼錐柱結(jié)合殼焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬和試驗研究 ［J］.船舶力學(xué)，2010，14(10):1143－1150.

［2］趙秋，吳沖.U肋加勁板焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬分析［J］.工程力學(xué)，2012，29(8):262－268.

［3］魏康，何柏林.基于ABAQUS的轉(zhuǎn)向架十字焊接接頭應(yīng)力集中系數(shù)分析兵器［J］.材料科學(xué)與工程，2016，39(1):41－44.

［4］劉玉君，豐軍華，李瑞，等.焊接順序?qū)Φ装褰Y(jié)構(gòu)變形影響的數(shù)值研究 ［J］.熱加工工藝，2013，42(11):189－191.

［5］董志波，劉雪麗，馬瑞，等.MSC.Marc工程實例詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2014.