埋弧焊焊接及校正過程數值模擬

王軍 劉世忠 康峰

摘要：針對金屬結構在焊后易產生殘余應力和焊接變形的問題，以一種對焊鋼制梁為例，采用有限單元法模擬埋弧焊焊后的殘余應力和變形。結果表明，鋼制梁焊后存在較大的殘余應力，且縱向殘余應力大于橫向殘余應力。以焊接結果為初始條件，分析是否考慮殘余應力對校正后鋼制梁應力分布的影響，結果顯示校正后焊縫處仍存在較大的應力，因此焊接殘余應力不能忽略。

關鍵詞：埋弧焊;殘余應力;變形校正;應力分布;有限單元法

0? ? 前言

金屬結構在焊接過程中，由于結構各部分膨脹收縮程度不同或在膨脹收縮時受到限制等原因，在焊縫金屬和靠近焊縫的母材區域內會產生熱應力和殘余變形，影響結構的尺寸精度和受力特性。

焊接過程中的變形和殘余應力可通過固有應變法、熱塑性法和局部整體映射法進行理論計算[1]。由于復雜的焊接結構和焊接過程中的熱力非線性等原因，具體工程分析時可借助ANSYS、ABAQUS和MSC.MARC等通用有限元平臺進行二次開發[2-3]，或直接應用焊接專用軟件SYSWELD[4-5]和Quick Welder[6]計算。現有文獻多關注焊接過程的數值模擬，而對于焊接變形的校正關注較少。文獻[7-8]使用ANSYS對不同焊接結構進行了變形校正模擬，但均忽略了焊接結構的殘余應力。研究表明，有時殘余應力甚至會超過材料的屈服應力[9]，因此是否可以忽略焊接殘余應力有待商榷。

文中以一種對焊鋼制梁（以下簡稱梁）為例，首先使用有限元軟件ABAQUS（達索，2016）模擬埋弧焊焊接過程的殘余應力和變形，然后以焊接結果為初始條件，對比分析焊接殘余應力對校正后梁的應力分布的影響。

1 有限元分析

焊接過程是一個伴隨相變、熱傳導和結構變形的高度非線性的物理過程，校正過程則是一個使用外加載荷使結構發生彈（塑）性變形的過程，梁依次經歷加熱、冷卻和校正三個過程，對比分析不含殘余應力只包含變形的校正過程，如表1所示。

1.1 材料參數

梁的材料為Q345鋼材，在焊接過程中，金屬材料性能隨溫度急劇變化，因此需要考慮材料物理性能、力學性能與溫度的關系，但是由于試驗難以測定高溫下材料的熱物理特性和力學特性，故引用文獻[10]中的參數作為計算依據。

1.2 有限元模型

建立梁的幾何模型，對模型進行有限元網格劃分。加熱分析步的時間步長為0.1 s，防止出現“ 躍階 ”現象[11]。在冷卻分析步中，假設對梁經過較長時間冷卻達到穩態。對兩底面施加y向位移約束，對模型施加對流換熱和輻射換熱邊界條件，如表2所示。通過單元生死技術描述焊縫金屬的填充過程。建立的有限元模型如圖1所示。

對接焊接采用工藝性較好的自動埋弧焊。由于埋弧焊焊接熔池體積大、焊縫熔深大，焊接過程中熔池形狀為前大后小，因此假設焊點形狀為雙橢球分布模型，熱源前后1/4橢球的熱流分布分別為[12]：

式中 q1、q2分別為熱源前、后1/4橢球的熱流分布函數（單位：J/m·s）;A1、A2分別為前、后1/4橢球的x方向半軸長度（單位：mm）;B為y方向的半軸長度（單位：mm）;C為z方向的半軸長度（單位：mm）; f1和 f2分別為前、后1/4橢球能量分配系數，且 f1+ f2=2;Q為有效熱源功率（單位：W），在Q=ηUI中， η為熱源效率，為88%;I為焊接電流，范圍為290～330 A;U為電弧電壓，范圍為33～38 V。計算時電流和電壓取中間值。

2 結果及討論

實際生產中較少關注焊接結構的溫度變化，更關注焊接造成的殘余應力和變形，以便進行校正。故以下省略溫度結果，主要討論梁的殘余應力和變形。

2.1 焊接殘余應力和變形

焊縫金屬冷卻后，焊縫縱向收縮使得焊縫和近焊縫處產生較大的拉應力，查看Mises等效應力，最大值為304 MPa，接近母材的屈服強度345 MPa，因此不能忽略焊接造成的殘余應力（見圖2a），縱向殘余應力明顯大于橫向殘余應力（見圖2b、2c）。提取沿焊縫路徑焊接變形，y向最大位移為0.446 mm（見圖3），位于焊縫上第133號節點。

2.2 校正后的應力分布

若金屬結構在經過焊接加熱后產生的變形超過許用范圍，則需要對其進行校正。在校正過程中，校正載荷抵消或部分抵消殘余應力，結構發生復雜的彈塑性變形。在進行焊接校正分析時，只考慮焊接變形而忽略殘余應力則會導致結果相差較大。以下在彈性范圍內討論是否考慮殘余應力時，在校正后的應力分布。

首先需要獲得焊接變形后的幾何特征，新建立一個模型并將焊接變形后的幾何特征導入，此時的模型為孤立網格，只包含空間節點信息，需要重新定義梁的材料屬性。對模型定義2.1節的預應力場結果，得到包含焊接變形和殘余應力的有限元模型。在第133號節點上施加y向位移-0.446 mm，獲得經過校正后的應力分布。未包含殘余應力而只需要導入變形后的幾何特征，不定義預應力場，位移載荷相同。

對比圖2c，如考慮殘余應力，校正后一部分載荷用于抵消結構的殘余應力，應力仍然集中在焊縫區域但區域明顯減小，最大值由304 MPa減小到222 MPa （見圖4a）。而未考慮殘余應力只考慮焊接變形時，應力很小且分布較為分散（見圖4b）。

3 結論

采用通用有限元軟件ABAQUS模擬了一種對焊鋼制梁經過埋弧焊焊接后的殘余應力和變形，并以焊接結果為初始條件，對比分析是否考慮殘余應力時，梁經過校正后的應力分布，得到以下結論：（1）焊后，梁結構在焊縫和近焊縫處存在較大的殘余應力，已接近母材的屈服極限，校正分析時不能忽略。（2）以焊接結果為初始條件，對比分析是否考慮殘余應力時梁經過校正后的應力分布。考慮殘余應力時，載荷抵消了部分殘余應力，校正后應力仍集中在焊縫處，因此不能忽略。

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