多參數對T型焊接接頭殘余應力的影響研究*

楊 磊，江克斌，邵 飛，馬 超

（解放軍理工大學 野戰工程學院，南京210007）

多參數對T型焊接接頭殘余應力的影響研究*

楊 磊，江克斌，邵 飛，馬 超

（解放軍理工大學 野戰工程學院，南京210007）

為了研究多參數對T型焊接接頭殘余應力的影響，運用ANSYS有限元分析軟件對手工電弧焊T型焊接接頭進行焊接數值模擬，分析不同參數變化對于接頭殘余應力的影響規律。研究結果表明：焊接結構的殘余拉應力隨焊縫長度的增加而增加，隨腹板厚度、底板厚度的增加而減小；焊接速度對于焊接結構殘余應力也有較大影響，在靠近焊縫中心位置，焊接速度越快產生的殘余拉應力峰值越小。

焊接；T型接頭；ANSYS；殘余應力

近年來，數值模擬技術應用廣泛，在各種焊接過程中的能量傳遞、組織相變、應力應變、焊接缺陷以及焊接接頭力學性能等的分析中均有應用[1]。接頭焊接殘余應力分布規律對于焊接結構的承載能力有較大影響，而在焊接結構中，T型焊接接頭有一定的代表性[2-3]。ANSYS有限元分析軟件有強大的熱結構耦合及瞬態、非線性分析能力，已經在焊接模擬中有較成熟的應用[4-6]。本研究主要通過ANSYS軟件分析研究不同幾何參數（底板厚度、腹板厚度、焊縫長度、焊接速度等）對T型焊接接頭殘余應力的影響規律，對于T型焊接接頭在工程中的應用提供指導。

1 高斯熱源模型

通過相關文獻可知，對于手工電弧焊，采用高斯熱源可得到較好的結果[7]，因此本研究采用高斯熱源模型。設引弧點的坐標為0（x0，y0），則熱源的分布函數[8]為

η—焊接熱效率；

U—電弧電壓；

I—焊接電流；

v—焊接速度；

r—焊接電弧有效半徑。

其中，焊接電弧有效半徑應滿足

2 T型焊接數值模擬

2.1 建模程序設計

在焊接過程中，溫度場對應力場的影響比較大，而應力場對溫度場的影響較小，可以忽略不計，所以本研究不考慮溫度場和應力場的耦合影響[9]。先對有限元模型進行熱分析，然后將熱分析的載荷步結果作為載荷施加到結構應力分析中去，采用ANSYS軟件內嵌的APDL語言編程實現。

2.2 T型焊接接頭構件的有限元模型

研究多參數變化對T型焊接接頭殘余應力的影響規律，會產生多個有限元模型。T型焊接接頭有限元模型如圖1所示，材料為Q235鋼。用于分析的焊接工藝參數為：環境溫度26℃，焊接電流200 A，焊接電壓28 V，焊接速度5 mm/s，焊接效率0.75。

物聯網作為我國戰略新興產業，在國民經濟中有著舉足輕重的地位。在新的經濟背景下，物流網也迎來了前所未有的發展良機。同時，也面臨了諸多的挑戰。在新的歷史條件下，要通過完善發展規劃和產業技術標準體系，加強物聯網核心技術的研發、推動技術創新，建立物聯網安全保障體系，加大物聯網產業財政投入力度，從而促使物聯網產業實現平穩健康發展。

2.3 材料熱物理性能參數

T型焊接接頭以Q235鋼為例，Q235鋼的物理參數和力學性能參數[10]見表1。

圖1 T型接頭有限元模型

表1 Q235鋼性能參數

3 多參數對T型焊接接頭殘余應力的影響

3.1 焊縫長度的影響

將焊縫長度作為殘余應力的影響因素進行研究，不同焊縫長度對殘余應力的影響結果如圖2和圖3所示。焊縫長度分別取30mm，40mm，50 mm和60 mm。

圖2 不同焊縫長度對垂直焊縫方向殘余應力的影響

圖3 不同焊縫長度對沿底板焊趾方向殘余應力的影響

從圖2可以看出，沿著垂直于焊縫方向，隨著焊縫長度的增加，縱向殘余應力中拉應力區的范圍在增大，橫向殘余應力在靠近焊縫中心線處，拉應力和壓應力區基本相等，但隨著離焊縫中心距離的增加，拉應力區隨焊縫長度的增加有所減小，焊縫長度越長，拉應力區越小且變化越緩和。原因是焊縫長度較短時，焊縫始端和焊縫末端較近，應力變化明顯，引起焊接變形較大，在約束作用下產生的應力較大。隨著焊縫長度的增加，應力區范圍增大，應力變化平緩。

從圖3可以看出，沿著底板焊趾方向，不同焊縫長度縱向殘余應力在靠近焊縫中心處有較大拉應力，隨距離的增加，拉應力平緩減少。橫向殘余應力在焊縫始端和焊縫末端是壓應力，焊縫中間為拉應力區，不同焊縫長度應力變化趨勢類似。通過分析可知，焊接結構的殘余拉應力隨焊縫長度的增加而增加。

3.2 腹板厚度的影響

將腹板厚度作為殘余應力的影響因素進行研究，不同腹板厚度對殘余應力的影響結果如圖4和圖5所示。腹板厚度分別取5 mm，8 mm，10 mm和12 mm。

圖4 不同腹板厚度對垂直焊縫方向殘余應力的影響

圖5 不同腹板厚度對沿底板焊趾方向殘余應力的影響

從圖4可以看出，在垂直于焊縫方向，不同腹板厚度橫向殘余應力和縱向殘余應力變化曲線基本相同。腹板厚度為5 mm時，由于腹板厚度較小，殘余拉應力受板厚的影響較大，故殘余拉應力區域較大，隨腹板厚度的增加，殘余拉應力區域逐漸減少。

從圖5可以看出，在沿著底板焊趾方向，腹板越薄縱向殘余應力區越大，但橫向殘余應力受腹板厚度影響較小，不同腹板厚度殘余應力區變化不大。通過分析可知，焊接結構的殘余拉應力隨腹板厚度的增加而減小。

3.3 底板厚度的影響

將底板厚度作為殘余應力的影響因素進行研究，不同底板厚度對于殘余應力的影響結果如圖6和圖7所示。底板厚度分別取5 mm，8 mm，10 mm和12 mm。

圖6 不同底板厚度對垂直焊縫方向殘余應力的影響

圖7 不同底板厚度對沿底板焊趾方向殘余應力的影響

從圖6和圖7可以看出，在垂直于焊縫方向上，不同底板厚度對殘余應力的影響較小。但在沿著底板焊趾方向上，不同底板厚度對橫向殘余應力和縱向殘余應力影響較大，尤其在焊縫始端和末端，不同底板厚度橫向殘余應力和縱向殘余應力變化明顯。在焊縫始端，底板厚度越小縱向殘余應力越大。對于此方向上的橫向殘余應力，在焊縫始端和末端附近均為壓應力區，中間為拉應力區。底板厚度越小，拉應力區越大。通過分析可知，焊接結構的殘余拉應力隨底板厚度的增加而減小。

3.4 焊接速度的影響

將焊接速度作為殘余應力的影響因素進行研究，不同路徑上不同焊接速度對于殘余應力的影響結果如圖8和圖9所示。焊接速度分別取5 mm/s，8 mm/s和 10 mm/s。從圖8可以看出，在垂直于焊縫方向，靠近焊縫中心線位置，焊接速度越快，焊接殘余拉應力峰值越小。從圖9可以看出，在沿著底板焊趾方向，不同焊接速度在焊縫始端和末端焊接殘余應力變化顯著，在焊縫中段焊接殘余應力變化平緩。

圖8 不同焊接速度對垂直焊縫方向殘余應力的影響

圖9 不同焊接速度對沿底板焊趾方向殘余應力的影響

4 結 論

（1）橫向殘余應力在焊縫始端和末端是壓應力，焊縫中間為拉應力區，不同焊縫長度，應力變化趨勢類似。焊接結構的殘余拉應力隨焊縫長度的增加而增加。

（2）焊接結構的殘余拉應力隨腹板厚度、底板厚度的增加而減小。

（3）焊接速度對于焊接結構殘余應力也有較大影響，在靠近焊縫中心位置，焊接速度越快產生的殘余拉應力峰值越小。

［1］趙明，羅德通，王海燕，等.CO2氣體保護焊溫度場與焊縫成形的有限元分析[J].機械工程學報，2013，49（14）： 80-85.

［2］黃小葉.基于ANSYS的T型焊接接頭溫度場數值模擬[J].鑄造技術， 2009（3）： 1-6.

［3］肖馮，米彩盈.T型角接頭焊接熱源模型研究[J].電焊機， 2010， 40（6）： 41-45.

［4］楊凱朝，李春福，王雁群，等.ANSYS有限元法在焊接溫度場分析中的應用[J].鑄造技術，2012，33（6）：718-720.

［5］毛衛平，寧吉平，劉貴維，等.不銹鋼薄板激光對接焊有限元仿真分析[J].熱加工工藝，2009，38（19）：122-125.

［6］高耀東，何雪.基于ANSYS單元生死技術的焊接模擬[J].熱加工工藝， 2010， 39（7）:120-122.

［7］孫盼，李文，姬慶玲.分體式搗鎬的焊接有限元模擬[J].機械， 2013， 40（11）： 39-42.

［8］WEI Y H，LIU R P，DONG Z J.Software package for simulation and prediction of welding solidification cracks[J].Science and technology of Welding and Joining,2003， 8（5）:325-333.

［9］李冬林.焊接應力和變形的數值模擬[D].武漢:武漢理工大學，2003:3.

［10］《機械工程材料性能數據手冊》編委會.機械工程材料性能數據手冊[M].北京：機械工業出版社,1995.

Influence of Multiple Parameters on T-joint Welding Residual Stress

YANG Lei,JIANG Kebin,SHAO Fei,MA Chao
（The Field Engineering College,PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China）

In order to study the influence of multiple parameters on T-joint welding residual stress,it used ANSYS finite element software to carry out numerical simulation for T-joint of arc welding,and analyzed the influence rule of different parameter change on welded joints residual stress.The results indicated that the residual stress of weldment will increase with the increase of weld length,when the thickness of web and bottom slab increases,the residual stress of weldment decreases.The welding velocity also has a significant impact on the residual stress of weldment,when the welding velocity increases,the residual stress peak decreases on the location of weld center.

welding;T-joint;ANSYS;residual stress

TG407

A

1001－3938（2015）10-0014-05

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目（2014CB046801）。

楊 磊（1989—），男，漢族，陜西興平人，在讀博士，主要研究方向為焊接工藝。

2015-05-10

黃蔚莉