焊接順序對T型接頭殘余應力場的影響

（三一重工股份有限公司，湖南長沙410100）

0 前言

疲勞斷裂是焊接結構失效的一種主要形式，大量統計資料表明，由于疲勞而失效的焊接結構約占失效結構的90%。焊接結構的斷裂或破壞多發生在焊接殘余應力最大處，焊接接頭的抗疲勞性能關系著焊接結構的安全，因此改善和提高焊接接頭的疲勞性能具有潛在的經濟和社會效益[1]。而焊接殘余應力在焊接過程中幾乎無法避免且危害很大，盡量消除殘余應力的不利影響對于提高結構件的使用壽命具有重要意義。

焊接殘余應力的復雜性導致難以通過試驗、檢測等手段獲得殘余應力分布規律，精度難以保證。在計算機高速發展的今天，大多采用數值模擬方法[2]。因此結合公司存在的實際問題，以箱體結構為研究對象，利用Simufact welding專用焊接軟件優化工藝設計，提出合理的施焊方案，控制殘余應力以滿足結構的使用要求。

1 有限元模型建立

1.1 模型建立

工程機械的部分焊接結構件為典型的箱體結構，由頂底板、兩側板和焊縫組成，實際結構尺寸較大，取實際結構的一部分建立簡化模型，底板和側板尺寸為150 mm×450 mm×8 mm，如圖1所示。

1.2 網格劃分

為提高計算效率并保證計算精度，在溫度梯度較大的焊縫及熱影響區劃分網格較密，而遠離焊縫和熱影響區的區域網格較粗，本網格有限元模型采用六面體和四面體混合網格，網格劃分結果為9 090個節點，5 800個單元。

圖1 簡化模型

1.3 材料特性

模擬選用材料為16MnCr5，其熱物理參數和力學性能參數隨著溫度的變化而變化，如圖2所示。

1.4 熱源模型和工藝參數選取

由文獻[3]可知，對于氣體保護焊，采用雙橢球熱源模型計算精度較高，因此選用雙橢球移動熱源。為便于對比分析模擬結果，采用不同的焊接順序，熱輸入量保持不變，相關參數根據實際生產中的焊接工藝參數確定。模擬選擇的電流290A，電壓31V，熱效率0.85。

1.5 邊界條件

進行溫度場分析時，室溫設為20℃。焊接過程中構件與周圍環境通過對流與輻射進行熱交換，將輻射換熱的影響耦合到對流換熱中。

圖2 16MnCr5的物理參數

分析應力場時，為防止焊件產生剛體位移，在對稱面上施加位移邊界條件，如圖3所示，其中在底邊約束平動自由度，側板約束所有方向的自由度。

2 模擬結果分析

為了研究焊接順序對殘余應力的影響，對比5種焊接方案，如圖4所示。其中 1，2，3，4，5表示焊接順序，箭頭表示焊接方向。

圖3 約束邊界條件

圖4 5種焊接方案

2.1 溫度場分析

溫度場的數值模擬是應力應變場數值模擬的前提和基礎，同時溫度場分布對于應力應變場的分布規律有極大影響。在底板表面中心距焊縫20 mm處取一點，在5種不同焊接順序下的熱循環曲線如圖5所示。

由于在距焊縫20 mm處取點，熱源不直接加熱此處，而是通過熱傳導加熱，由圖5可知，5種焊接方案的溫度場分布可分兩種類型：方案1、2、5只經歷單次熱循環，峰值溫度較高；方案3、4經歷兩次熱循環，峰值溫度較低。這是因為單次熱循環中，熱源對此處單向集中加熱，峰值溫度較高；而兩次熱循環中，兩熱源依次對此處進行加熱，第一次熱循環對第二次熱循環進行預熱，所以第二次熱循環的峰值溫度高于第一次熱循環。

圖5 溫度場分布云圖集及變化曲線

2.2 應力場結果和分析

在焊接過程中模型的應力場分布情況基本一致，因此僅以方案1為例進行介紹。

焊縫冷卻500 s后，殘余應力分布云圖如圖6所示。由圖6可知，沿焊接方向，在焊縫起弧端和收弧端存在部分殘余壓應力，焊縫及熱影響區焊接殘余應力最大，且沿平行于焊接方向的焊接殘余應力較大，其他方向應力較小。因此重點研究沿焊接方向的殘余應力，即縱向殘余應力。

圖6 應力場分布云圖集及變化曲線

為研究焊件在不同焊接順序下不同位置的應力場分布規律，沿垂直于焊縫方向在底板和側板上距焊縫中心處 0、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm各取6個節點。根據模擬結果得到焊后殘余應力分布曲線如圖7所示。

由圖7可知，最大殘余應力處于兩側角焊縫焊趾部位，即該處為焊接結構最危險區域，隨著距焊縫距離的增加，其殘余拉應力逐漸減小，在距離焊縫22 mm處，殘余拉應力變為0，且隨著距離的逐漸增加，其殘余拉應力轉變為殘余壓應力。

焊接順序不僅影響殘余應力的大小，而且還對殘余應力的分布有較大影響。殘余拉應力最大值出現在第2焊接方案，第4方案殘余拉應力最小，即從中間往兩邊退焊法殘余拉應力最小。這是因為在自由約束條件下，不同焊接順序的焊接溫度場分布存在一定的差異。由圖7可知，兩次熱循環可降低單次循環的峰值溫度，有效降低焊接殘余應力，焊接方向不同，其降低殘余應力的效果也不同。方案4先焊兩端再焊中間，中間焊縫在焊接過程中受到的約束大于方案3先焊中間后焊兩端，因此相對于方案3，方案4殘余應力較大。綜上所述，對于長直焊縫，采用方案3即先焊中間后焊兩端可有效降低焊接結構的殘余應力。

圖7 不同焊接順序在不同點應力分布曲線

3 結論

（1）焊接順序不同，溫度場分布類型不同，對于同一直焊縫，同種方向焊接，其溫度場分布為單次熱循環，不同方向焊接，其溫度分布為兩次熱循環。

（2）焊接順序不僅影響殘余應力的大小，而且還對殘余應力的分布有較大影響，相對于單次熱循環，兩次熱循環峰值溫度較低，其殘余應力較小。

（3）相對于先焊兩端后焊中間，先焊中間后焊兩端約束較小，殘余應力較小。

[1]周張義，李芾.焊接殘余應力對鋼結構疲勞性能研究的影響[J].機車電傳動，2009（2）：24-29.

[2]宮大猛，雷毅.數值模擬在焊接中的應用分析[J].電焊機，2012，42（6）：58-62.

[3]陳家權，肖順湖，楊新彥，等.焊接過程數值模擬熱源模型的研究進展[J].裝備制造技術，2005（3）：10-14.