焊接順序和焊接結(jié)構(gòu)對(duì)振搗座殘余應(yīng)力的影響

房元斌，蹤雪梅，張華清，殷咸青，張林杰

（1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇徐州221004；2.徐工集團(tuán)道路機(jī)械分公司，江蘇徐州221004；3.西安交通大學(xué)，陜西西安710049）

焊接順序和焊接結(jié)構(gòu)對(duì)振搗座殘余應(yīng)力的影響

房元斌1，蹤雪梅1，張華清2，殷咸青3，張林杰3

（1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇徐州221004；2.徐工集團(tuán)道路機(jī)械分公司，江蘇徐州221004；3.西安交通大學(xué)，陜西西安710049）

焊接殘余應(yīng)力大小影響整機(jī)的性能和使用壽命，研究振搗座的殘余應(yīng)力分布有著重要的工程意義。利用焊接數(shù)值模擬手段，對(duì)整機(jī)振搗座的不同焊接結(jié)構(gòu)和多種焊接順序進(jìn)行優(yōu)化分析，獲得振搗座的焊接殘余應(yīng)力分布狀況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)手段，驗(yàn)證有限元模型的正確性和有效性。結(jié)果表明，采用對(duì)稱施焊得到的殘余拉應(yīng)力的峰值最小。改變焊接結(jié)構(gòu)形式，加強(qiáng)板在關(guān)注位置內(nèi)側(cè)殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)穩(wěn)定，而在外側(cè)趨勢(shì)變化較大，且峰值增大。該研究為優(yōu)化生產(chǎn)工藝，為后續(xù)控制焊接殘余應(yīng)力提供理論依據(jù)。

振搗座；焊接結(jié)構(gòu)；殘余應(yīng)力分布；數(shù)值模擬

0 前言

一直以來(lái)，人們對(duì)焊接殘余應(yīng)力做了大量的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究[1]。對(duì)于典型T接頭和平板對(duì)接，國(guó)內(nèi)外學(xué)者更是深入剖析其機(jī)理，總結(jié)出很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)[2]，但對(duì)于工程問(wèn)題的研究甚少，尤其是考慮焊接結(jié)構(gòu)和焊接順序交互作用方面。

工程應(yīng)用問(wèn)題關(guān)注的往往是實(shí)際結(jié)構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力問(wèn)題，對(duì)其簡(jiǎn)單接頭的分布趨勢(shì)和機(jī)理信任程度低，加之復(fù)雜因素的影響，大型結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布更多表現(xiàn)為無(wú)規(guī)則分布趨勢(shì)。本研究避免對(duì)整體結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布分析，只研究其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的關(guān)注位置的殘余應(yīng)力分布。整機(jī)振搗座結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，同時(shí)，該位置結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量要求較高，其殘余應(yīng)力分布也直接影響著整機(jī)性能和疲勞壽命[3]。對(duì)于已成熟的焊接工藝，設(shè)計(jì)合理的焊接結(jié)構(gòu)，選擇合理的焊接順序[4-5]，有利于提高振搗座使用壽命。

在工程機(jī)械領(lǐng)域的焊接數(shù)值模擬計(jì)算中，有限元方法主要應(yīng)用于解決焊接變形問(wèn)題的焊接順序優(yōu)化；對(duì)于整機(jī)焊接殘余應(yīng)力分布的模擬計(jì)算，受限于軟硬件水平，有限元模型是建立在網(wǎng)格質(zhì)量差、殼單元、等效拘束條件等假設(shè)條件下[6]，這種假設(shè)條件必然造成獲得殘余應(yīng)力分布結(jié)果誤差較大，以至于無(wú)法獲得局部關(guān)鍵位置殘余應(yīng)力的真實(shí)分布情況。本研究主要是從焊接結(jié)構(gòu)和焊接順序兩個(gè)方面，利用焊接數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)整機(jī)關(guān)鍵位置振搗座的殘余應(yīng)力分布情況進(jìn)行局部?jī)?yōu)化分析。

以工程機(jī)械整機(jī)產(chǎn)品振搗座焊接為例，在有限元軟件分析焊接殘余應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式，兼顧不同焊接順序的影響，研究應(yīng)力場(chǎng)分布情況，最終獲得振搗座合理的結(jié)構(gòu)形式和焊接順序。

1 有限元模型

1.1 模型的建立

工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件一般尺寸較大，關(guān)鍵位置的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。振搗座實(shí)體模型如圖1所示。一般采用過(guò)渡網(wǎng)格形式劃分，由于振搗座焊縫交叉，在焊縫和焊縫周圍位置有很高的溫度和應(yīng)力梯度。為了真實(shí)反映焊后殘余應(yīng)力分布，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力不斷提升，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化處理，采用并行技術(shù)分析計(jì)算。為保證應(yīng)力場(chǎng)求解精度，在模型網(wǎng)格劃分過(guò)程中，局部模型采用全細(xì)化網(wǎng)格。網(wǎng)格最小尺寸為1 mm，獲得振搗座網(wǎng)格模型單元總數(shù)484325，節(jié)點(diǎn)數(shù)555 879。

圖1 振搗座實(shí)體模型Fig.1Solid model of vibrator

振搗座彎板內(nèi)部?jī)蓧K加強(qiáng)板間距大小直接影響彎板與連接板焊縫位置殘余應(yīng)力分布。設(shè)計(jì)原始模型、小間距模型、大間距模型，間距變化為12 mm。在三種間距大小均能保證結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上，分析該位置殘余應(yīng)力分布情況，獲得不同結(jié)構(gòu)形式的振搗座網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型Fig.2Mesh model

1.2 振搗座材料及焊接工藝參數(shù)

振搗座材料選用寶鋼Q460，根據(jù)廠家提供的材料成分，獲得相應(yīng)的材料性能參數(shù)[7]如圖3所示。振搗座的焊接方法采用CO2氣體保護(hù)焊，焊機(jī)選用林肯500，焊絲采用ER50-6 φ1.2，焊接效率0.8，鋼板不開(kāi)坡口，焊接工藝參數(shù)如表1所示。

圖3 Q460熱-力參量與溫度的關(guān)系Fig.3Relationship between thermo-mechanical parameters and temperature of Q460

表1 Q460焊接工藝參數(shù)Tab.1Process parameters welding of Q460

1.3 焊接熱源及邊界條件

焊接熱源選Goldak提出的雙橢球熱源模型①M(fèi)SC.Marc User's Manual，Volume A，Chapter6.，使用靜單元模擬焊接過(guò)程中焊縫金屬的填充。由于熱交換方式熱輻射影響程度較小，故只考慮工件表面的對(duì)流散熱，散熱系數(shù)設(shè)為0.02，焊接周圍環(huán)境溫度設(shè)為20℃。

振搗座是在自由焊接過(guò)程中完成的，沒(méi)有外加的拘束，故整體模型只添加保證模型整體剛度的拘束條件，盡量模擬自由焊接工況。在彎板邊界施加彈簧約束，以模擬局部模型的自由變形與應(yīng)力等效釋放；連接板和加強(qiáng)板沿焊縫方向在添加位移約束，用來(lái)限制縱向位移，而不影響縱向收縮變形，從而模擬其自由焊接工況。

1.4 焊接順序方案

在振搗座的焊接過(guò)程中，總共有10條焊縫，對(duì)其進(jìn)行編號(hào)。圖1連接板2與彎板外側(cè)x向焊縫為編號(hào)1，內(nèi)側(cè)為編號(hào)2，z向焊縫為編號(hào)3；連接板1與彎板外側(cè)x向焊縫為編號(hào)4，內(nèi)側(cè)為編號(hào)5，z向焊縫為編號(hào)6；加強(qiáng)板4與彎板外側(cè)x向焊縫為編號(hào)7，內(nèi)側(cè)為編號(hào)8，對(duì)應(yīng)另一塊加強(qiáng)板為編號(hào)9，編號(hào)10。

兼顧現(xiàn)場(chǎng)工藝經(jīng)驗(yàn)，考慮加強(qiáng)板焊接順序改變對(duì)局部模型殘余應(yīng)力分布的影響，將焊接順序分為連接板與彎板焊接5種、加強(qiáng)板與彎板焊接4種，制定焊接方案如表2所示，每種連接板與彎板焊接對(duì)應(yīng)4種方案，依次編號(hào)。

表2 幾種焊接方案Tab.2Several welding schemes

2 焊接結(jié)構(gòu)和順序?qū)堄鄳?yīng)力影響

影響振搗座的應(yīng)力場(chǎng)主要是焊接殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力。應(yīng)力分布和峰值區(qū)域是裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。焊接殘余應(yīng)力作為初始應(yīng)力，對(duì)振搗座工作性能起重要作用。在問(wèn)題出現(xiàn)較多的位置，即連接板2與彎板焊縫編號(hào)4和連接板1與彎板焊縫編號(hào)1，通過(guò)模擬分析，有效降低其峰值和均勻化殘余應(yīng)力分布，達(dá)到優(yōu)化殘余應(yīng)力的目的。

2.1 連接板與加強(qiáng)板焊接對(duì)殘余應(yīng)力分布影響

在相同的約束條件下，通過(guò)模擬不同焊接順序和焊接結(jié)構(gòu)形式，研究分析殘余應(yīng)力分布情況。上述幾種焊接方案的殘余拉應(yīng)力分布對(duì)比如圖4所示。通過(guò)曲線變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)整加強(qiáng)板與連接板焊接的四種方案對(duì)焊接殘余應(yīng)力整體變化曲線的前130 mm分布趨勢(shì)變化影響較大。從理論上分析，背部焊縫加強(qiáng)板與彎板焊接順序影響其分布形式；后65 mm曲線變化較小，受背部焊縫的影響程度較小，主要受連接板與彎板焊接不同方案的影響。

2.2 不同間距焊接順序改變對(duì)殘余應(yīng)力峰值影響

由小間距模型殘余應(yīng)力分布分析可知（見(jiàn)圖4a），方案4得到的殘余拉應(yīng)力峰值最小，為340.987 MPa，即加強(qiáng)板與彎板焊接方案8、9、7、10，采用由內(nèi)向外對(duì)稱施焊的方法得到的殘余拉應(yīng)力的峰值最小。整體變化曲線呈現(xiàn)正態(tài)或馬鞍形分布，這與經(jīng)典T型接頭和平板對(duì)接規(guī)律是一致的[8]。

由大間距模型殘余應(yīng)力分布分析可知（見(jiàn)圖4b），方案14得到的殘余拉應(yīng)力峰值最小，為376.766MPa，即加強(qiáng)板與彎板焊接方案7、9、8、10，采用由內(nèi)向外同側(cè)施焊的方法得到的殘余拉應(yīng)力的峰值最小。連接板與彎板焊接方案3、6、1、4、2、5，先焊接3和6，相當(dāng)于在后續(xù)的1、4、2、5焊接中增加模型整體剛度，弱化對(duì)稱焊接的效果。

2.3 加強(qiáng)板焊接結(jié)構(gòu)對(duì)殘余應(yīng)力分布影響

通過(guò)調(diào)整加強(qiáng)板間距大小，改變焊接結(jié)構(gòu)形式，由圖4可知，加強(qiáng)板在關(guān)注位置內(nèi)側(cè)殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)穩(wěn)定，而在關(guān)注位置外側(cè)殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)變化較大，且峰值增大。

從理論上分析，大間距模型的加強(qiáng)板位于外側(cè)，在關(guān)注位置焊縫連接板一側(cè)產(chǎn)生的力矩較大，而在彎板一側(cè)產(chǎn)生的力矩較小。從溫度場(chǎng)分析，其關(guān)注位置變形較小，相對(duì)應(yīng)力值較大，而彎板一側(cè)變形大，應(yīng)力值小。因而，大間距模型應(yīng)力分布最大。相對(duì)應(yīng)小間距模型，加強(qiáng)板位于內(nèi)側(cè)，在彎板一側(cè)產(chǎn)生力矩較大，關(guān)注位置形成殘余應(yīng)力值小。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真結(jié)果分析

通過(guò)分析焊接結(jié)構(gòu)和焊接順序?qū)﹃P(guān)注位置殘余應(yīng)力分布結(jié)果可知，大間距殘余應(yīng)力峰值較高，且整體應(yīng)力值較大，故排除該試驗(yàn)方案。選擇原始模型現(xiàn)有工藝方案和小間距模型最佳方案，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證和對(duì)比試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c仿真模型更加接近，在板材的下料過(guò)程中，選用同一批次的鋼材，且均矯形工藝，拼焊后結(jié)構(gòu)件的尺寸精度高，保證振搗座結(jié)構(gòu)件焊接是建立在相同基準(zhǔn)下進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn)。測(cè)量獲得殘余應(yīng)力結(jié)果，如圖5所示。

圖4 不同間距模型殘余應(yīng)力分布Fig.4Residual stress distribution

考慮到盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)量[9]精度，選擇間隔30 mm測(cè)量，后50 mm仿真模擬結(jié)果變化較大，而實(shí)際測(cè)量只能測(cè)量?jī)牲c(diǎn)，故存在一定的誤差。由圖5可知，仿真殘余應(yīng)力的結(jié)果在數(shù)值和分布上與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，驗(yàn)證了建立有限元模型的正確性和有效性。

圖5 殘余應(yīng)力分布Fig.5Residual stress distribution

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，小間距模型方案4應(yīng)力峰值低于原始工藝方案。從后續(xù)振動(dòng)時(shí)效、超聲沖擊等降低殘余應(yīng)力工藝考慮，方案4因其局部位置出現(xiàn)峰值，降低殘余應(yīng)力效果更好，因此，從實(shí)際工藝條件考慮，建議采用小間距方案4。

4 結(jié)論

（1）調(diào)整加強(qiáng)板與連接板焊接的對(duì)焊接殘余應(yīng)力整體變化曲線的前130 mm，分布趨勢(shì)變化影響較大；后65 mm曲線變化受調(diào)整加強(qiáng)板與連接板焊接影響程度較小。

（2）采用對(duì)稱施焊的方法獲得的殘余拉應(yīng)力的峰值最小。小間距模型方案4殘余拉應(yīng)力的峰值最小，即由內(nèi)向外對(duì)稱施焊。

（3）改變焊接結(jié)構(gòu)形式，加強(qiáng)板在關(guān)注位置內(nèi)側(cè)殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)穩(wěn)定，而在關(guān)注位置外側(cè)殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)變化較大，且峰值增大。

（4）驗(yàn)證建立有限元模型的正確性和有效性。從實(shí)際工藝條件考慮，建議采用小間距方案4。

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Influence of welding sequence and welding structure on residual stress of vibration seat

FANG Yuanbin1，ZONG Xuemei1，ZHANG Huaqing2，YIN Xianqing3，ZHANG Linjie3
（1.JiangsuXuzhouEngineeringMachineryResearchInstitute，Xuzhou221004，China；2.Xugong Group Road Machinery Corporation，Xuzhou 221004，China；3.Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

Welding residual stress affects the performance and service life of machine,studying the residual stress distribution of vibration seat has important engineering significance.By welding numerical simulation method，the different welding structures and various welding sequences of vibration seat are optimized and analyzed to obtain the welding residual stress distribution of vibration seat，and the correctness and validity of the finite element model are validated combining with the experimental method.The results show that the minimum peak of residual tensile stress is got by symmetry welding.Changing the welding structure，the residual stress distribution trend of reinforcing plate on the inside of concern location is stable，but the trend changes greatly in the outside of concern location and the peak increases.This research provides theoretical basis for optimization of production technology and subsequent control of welding residual stress.

vibration seat；welding structure；residual stress distribution；numerical simulation

TG404

A

1001－2303（2016）06－0075-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.15

2015-12-12；

2016-01-20

房元斌（1985—），男，山東威海人，工程師，碩士，主要從事焊接數(shù)值模擬仿真及焊接工藝技術(shù)的研究。