焊接順序對T形接頭焊接殘余應力場的影響研究

（公主嶺鉆探機械廠，吉林 公主嶺 136100）

焊接順序對T形接頭焊接殘余應力場的影響研究

李勇

（公主嶺鉆探機械廠，吉林 公主嶺 136100）

明確焊接順序對T形接頭焊接殘余應力場的影響對于保證焊接質量以及焊件的加工效率具有重要意義。本文主要探討了焊接順序對T形接頭焊接殘余應力場的影響，在具體分析中主要從分段焊、多道焊、多層焊對T形接頭焊接殘余應力場的影響等方面進行分析。

焊接順利；T形接頭焊接殘余應力場；影響分析

T形接頭焊接殘余應力場可對焊件的加工質量以及加工效率產生較大影響，不同的焊接順序造成了焊件加工過程中的加工工藝存在差異，相應的對T形接頭焊接殘余應力場也會產生影響，間接的對焊接質量造成不利影響。JMatPro材料性能模擬軟件以及ANSYS單元生死技術使用，使得T形接頭焊接殘余應力場的分析更加準確和可靠。本文結合筆者經驗以及相關文獻，就焊接順序對T形接頭焊接殘余應力場的影響研究分析如下。

1 物理模型以及數值模型分析

T形接頭在焊接過程中要求焊接的電流處于110～130A，同時電壓處于22～25V，焊接速度控制在2.5mm/s，焊接過程中的有效功率系數能夠達到0.65，在研究焊接順序對T形接頭焊接殘余應力場的影響過程中需要通過建立一定的物理模型進行有限元分析。在物理模型完成后還應該建立有效的數值模型，在數值模型方面，常用的計算模型多采用Visual-mesh軟件，并建立三維有限元模型和網格，由于實際焊接中，焊縫和鄰近位置的溫度場以及應力場變化較大，在建立模型過程中需要對網格進行加密處理。對于距離焊縫較遠的位置，則網格可適當的放大，也不需要進行加密處理，從分析精度的角度分析，網格的數量應盡可能地少。在熱源方面，采用的熱源模型主要是按照Goldak提出的雙橢球熱源模型，這樣可通過相關參數控制實際的焊縫尺寸；焊接過程中由于涉及到熱量變化，存在著一定的相變，因而應考慮相變潛熱；在焊縫填充過程中需要借助單元生死技術完成有限元分析中的模擬，也就是在模擬開始前，將所有的焊縫單元進行“殺死”處理，即讓熱熔、單元格的質量以及應變等處于零狀態，具體分析計算中，沒有被激活的單元格與計算無關。在焊縫單元被激活后，原本的“殺死”逐漸成為“生”狀態，對應的參數值在施加對應的荷載后，可參與后續的有限元分析計算。

2 分段焊對T形接頭焊接殘余應力場的影響分析

2.1 建立有限元模型

分段焊模型網格劃分示意圖如圖1所示，為保證整個模型整體的剛度要求，在模型中增設兩個支撐板，劃分完成后包含單元20711個，包含節點21075個。綜合考慮計算精度以及計算周期要求，將焊縫以及焊縫周邊區域的網格劃分較為細致，在遠離焊縫的位置則劃分的較為粗略。采用的焊板參數如下：焊板厚度在4～30mm，高度為165mm，焊縫長度為150mm，過渡圓角半徑為15mm。

圖1 分段焊模型網格劃分示意圖

2.2 模型相關參數的確定

模型材料采用的是馬氏體不銹鋼1Cr12NiWMoNb，通過增大有效熱傳導系數方法考慮熔池內流體流動過程中對溫度場的影響，有助于保證計算結果的準確性。焊接方法采用的是融化極氣體保護焊，設置好相關參數，電壓為30V、電流為240A、焊接速度為5mm/s。

2.3 確定能量邊界條件

根據建立的模型，橢球形移動源就是焊接熱源，對應的表達式為：

式中，v——焊接速度；

Q——熱輸入率；

?——焊接熱源滯后時間；

abc——橢球熱源相關參數，其中a=5mm，b=4.0mm，c=5.0mm。

通過在有限元分析軟件中對Rortran6.0的調動，實現對整個焊接過程的熱源加載。

2.4 焊接方案的確定

分段焊過程中將整個焊縫區域劃分為三部分，通過設計不同的焊接順利完成對焊接順序對殘余應力的影響，具體的可有八種焊接方案：（1）按照123，從左向右順序焊接；（2）按照132的順序從左往右焊接；（3）按照從左往右對12焊接，然后按照從右向左對3焊接；（4）從左向右焊接1，從右向左焊接32；（5）從右向左焊接321；（6）從左向右焊接13.從右向左焊接2；（7）從左向右焊接1.從右向左焊接32；（8）從左向右焊接1.從右向左焊接23。其焊接示意圖如圖2所示。

圖2 分段焊焊接方案示意圖

2.5 分段焊接殘余應力場分析

采用單元死活技術對確定的多種方案進行分析，結果顯示，多種方案處理中焊接完成后的溫度場和應力場分布情況具有一致性，也就是說多種方案的模擬結果也是一致的，而該方案在日常焊接中較為常用，因而在此以方案為例進行模擬，模擬后顯示在焊接過程中溫度場分布和應力場分布保持一致，在進一步對模型模擬分析后顯示，焊縫以及焊縫較近的區域內分段焊以殘余拉應力為主，在距離焊縫較遠的位置以及每一焊段的兩端以殘余壓應力為主，其中殘余拉應力的最大值處于焊縫中間位置。

3 多道焊對T形接頭焊接殘余應力場的影響分析

3.1 有限元模型建立

模型建立過程中，為保證整個模型整體的剛度要求，可在模型中增設兩個支撐板，由于在后期實際模擬分析中，單元數量以及計算周期之間的聯系較為緊密，對此可在支撐板單元劃分過程中進行粗分。

焊接期間，為保證模擬計算的準確性，對于焊縫以及焊縫周邊的應力場以及溫度場變化情況應重點考慮，同時在劃分單元的時候也要求較為精細，但是從計算周期角度考慮，距離焊縫區域較遠的可不必細分。材料模型中采用的材料為1Cr12NiWMoNb，焊接方法采用的是融化極氣體保護焊，設置好相關參數，電壓為30V、電流為240A、焊接速度為5mm/s。

3.2 焊接方案的確定

整個焊縫可分三個段落進行焊接，想要明確焊接方向對多道焊應力場的影響，對于不同焊段則應采用不同的焊接方案。

3.3 多道焊焊接殘余應力場

根據確定的方案以及模擬過程可知，在焊板縱向殘余應力場分布方面，焊縫以及焊縫周邊區域屬于主要殘余拉應力，焊接縱向殘余壓應力以距離焊縫較遠的區域為主。

4 多層焊對T形接頭焊接殘余應力場的影響分析

4.1 有限元模型建立

多層焊模型結構將其劃分為八節點六面體單元，總數量為26038個，節點數量為23744個，過渡圓角半徑為45mm，模擬過程中采用的模型材料、材料參數、熱源模型以及焊接熱源模型等均相同。

4.2 多層焊接方案的確定

同樣的設置不同方案用于研究不同焊接順序對T形接頭焊接殘余應力場的影響。

4.3 焊接殘余應力分析

多層焊對T形接頭焊接殘余應力場的影響與多段焊以及多道焊較為接近。

5 結語

不同焊接工藝中焊接順序對T形接頭焊接殘余應力場影響具有相似性，根據研究結果，對于分段焊可采用先兩端后中間的方法進行焊接，對于多道焊焊接過程中應保持首尾相接，對于多層焊接則需要使用對稱施焊方法，這樣能夠降低焊接過程中的殘余拉應力，提高焊接質量。

[1]張尚林,郭素娟,朱明亮.25Cr2Ni2MoV鋼焊接接頭循環變形行為的有限元模擬與分析[J].壓力容器，2014(5).

[2]房元斌,張貴芝,張立平.Q890D高強鋼中厚板焊接接頭殘余應力的有限元模擬[J].機械工程材料，2016(9).

TG44

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1671-0711（2017）04（上）-0159-02