T形接頭多熱源焊接變形有限元分析

劉鑫，劉錢，劉寶輝，羅雄，陳慶城

廣船國際有限公司 廣東廣州 511462

1 序言

目前，船體結構縱骨是一種長T形接頭結構，為減少焊接時間，提高施工進度，在實際生產過程中往往采用多臺焊機同時焊接。但焊接過程中存在劇烈的局部溫度變化，產生瞬態熱變形，焊接結束冷卻至室溫后會導致工件產生塑性殘余變形，在一定程度上會對工件尤其是薄板構件的安全性造成影響[1]。同時降低了結構精度，導致結構在后道工序無法裝配，使生產成本提高。因此，需要科學地改變薄板構件焊接順序，從而降低焊接變形對工件造成的影響[2]。

多焊機同時焊接，焊接方向是影響焊接變形的重要因素之一，合理控制焊接方向可以有效地控制焊接變形的大小[2]。由于實際工程中焊縫布置較為復雜，通過試驗的方法來測量焊接變形是比較困難的，但隨著有限元數值模擬在工業應用中逐漸成熟，可以采用有限元數值模擬方法來計算不同的焊接方向對焊接變形的影響[3]。許多學者對T形接頭焊接過程進行數值模擬，并取得了良好的效果[4-6]，但針對高強鋼薄板多熱源深熔焊的研究較少。本文采用ABAQUS軟件對T形接頭采用多焊機在一條焊縫上同時焊接，且其相鄰兩臺焊機焊接方向不同進行有限元分析試驗，通過研究焊接變形的趨勢，分析焊接變形的規律，優化T形接頭焊接變形的控制方案，數值模擬的結果可以為實際生產提供理論依據。

2 有限元分析準備

2.1 焊接材料

試驗材料選用船舶生產常用高強鋼A H36，其熱物理性能參數見表1[7，8]。角接焊縫底板尺寸為1080m m×300m m×6m m，腹板尺寸為1080mm×100mm×6mm，腹板與底板的裝配角度為90°，焊腳尺寸為4mm，如圖1所示。

圖1 有限元分析模型

表1 AH36鋼的熱物理性能參數

2.2 焊接參數

氣體保護焊采用雙橢球熱源模型計算精度高，因此本次試驗均采用雙橢球熱源模型[9]。共分為3種試驗方案，模擬多臺焊機中的相鄰2臺角焊小車的深熔焊模式，為保證焊接過程的一致性，焊接參數均保持一致，見表2。

表2 焊接參數

2.3 焊接方向

為驗證焊接方向對變形的影響，3種方案的兩臺焊接小車同時焊接，但焊接方向均不同，焊接時雙熱源均有獨立的焊縫區，無重復焊接的區域。1#為相同方向焊接，2#為相反方向焊接，3#為相對方向焊接。

2.4 網格劃分

在焊接過程中，焊縫及熱影響區的網格活動劇烈，遠離焊縫的網格活動平緩[10]。為增加有限元分析速率，同時不改變分析精度，焊縫及熱影響區的網格劃分比較密集，其余區域采用均勻過渡式網格劃分法，遠離焊縫區域的網格經過兩次過渡將網格尺寸增加而數量降低。有限元分析最小網格尺寸為1m m×1m m×2m m，一次過渡網格尺寸為1m m×2m m×6m m，二次過渡網格尺寸為1m m×6m m×18m m，最大網格尺寸為1mm×18mm×18mm，總網格數量為32400個，網格類型為8節點6面體單元，如圖2所示。

圖2 網格劃分

2.5 邊界條件設置

在焊接有限元分析過程中，為保證數值模擬的正常運行，選擇腹板頂部作為固定面，此固定面在整個試驗過程中對試驗結果影響較小，如圖3所示。定義空氣熱對流系數10，熱輻射率0.8，絕對零度－273.15℃，波爾茲曼常數5.67×10－8，固相線溫度1450℃，液相線溫度1500℃，熔化潛熱270kJ/kg，試板初始溫度20℃。

圖3 腹板頂部固定位置

3 試驗結果與分析

3.1 焊接溫度場

焊接溫度場分布云圖如圖4所示，3種方案均記錄焊接時間為20s和50s的溫度場分布，將1500℃以上的溫度定義為熔池。試驗方案采用相同的焊接參數，熔池最高溫度均為2400～2500℃，熱影響區的溫度均為1377～1500℃。

圖4 焊接溫度場分布云圖

焊縫截面熔池溫度場分布云圖如圖5所示，試驗模擬角焊小車的深熔焊模式，3種方案均采用相同的焊接參數，其熔池尺寸均保持一致，以1#方案為例，圖中灰色區域表示液態熔池，在焊接過程中焊縫區的能量集中，整個焊腳截面均被熔透，且熔池深度已熔至接頭根部，底板與腹板均有熔深，但板材并未熔透，溫度場的分布梯度較大，在遠離焊縫的區域溫度迅速降低。焊縫熔池最高溫度2400～2500℃，在鋼的熔點溫度1500℃與氣化溫度2750℃之間，焊接過程穩定進行。

圖5 焊縫熔池截面溫度場分布云圖

為進一步探究試板溫度場的變化情況，3種方案的焊接參數一致，以1#方案為例，選擇焊接時間在40s后的焊縫截面，在底板厚度方向選擇A1～E1共5個點，寬度方向選擇A2～E2共5個點，其中A1與A2位置相同，位于焊腳截面的中間位置，B1位于焊腳底部中間位置，B1與C1的距離為1mm，C1與D1的距離為2mm，D1與E1的距離為3mm；B2位于焊腳的邊緣位置，B2與C2的距離為3mm，C2與D2的距離為6mm，D2與E2的距離為18mm，如圖6所示。

圖6 溫度場測量點

底板溫度隨時間變化曲線如圖7所示。通過A1或A2曲線可知，約40s時焊接熱源行至測溫點，焊縫溫度升高，在1s內溫度驟升至2400～2500℃，液態熔池形成；焊后熔池溫度急劇下降，在0.5s內焊縫溫度降至1500℃左右，此時熔池凝固，溫度曲線下降趨勢減緩，在10s內溫度下降至500℃左右，之后焊縫溫度逐漸降至室溫狀態。B1～E1測溫點的最高溫度分別為2150℃、1800℃、800℃、600℃，B2～E2測溫點的最高溫度分別為1400℃、400℃、350℃、200℃。碳素鋼材料的溫度在200℃以上時，會形成中心壓縮塑性區，由此可知，在焊接過程中，底板厚度方向6mm，以及在焊縫區以外、底板寬度方向27mm以內的區域，均會產生中心壓縮塑性區，當板材冷卻至室溫狀態時，焊接試板整體會產生焊后殘余應力變形。

圖7 底板溫度隨時間變化曲線

3.2 焊接變形

（1）橫向收縮變形 焊接橫向收縮變形分布云圖如圖8所示。由圖8可知，3種方案的橫向收縮變形量均比較小，對板材變形的影響小，且最大變形量均集中在焊縫位置。1#～3#方案焊接底板的橫向收縮最大變形量分別為0.19～0.23mm、0.14～0.17mm、0.15～0.18mm，因此橫向收縮變形量可忽略不計。

圖8 橫向收縮變形分布云圖

（2）縱向收縮變形 焊接縱向收縮變形分布云圖如圖9所示。由圖9可知，3種方案的縱向收縮變形量也比較小，最大變形量同樣位于焊縫的位置，1#～3#方案焊接底板縱向收縮最大變形量分別為0.11～0.14mm、0.04～0.09mm、0.03～0.06mm，因此縱向收縮變形量可忽略不計。

圖9 縱向收縮變形分布云圖

（3）焊接角變形 焊接角變形分布云圖如圖10所示。由圖10可知，1#～3#方案焊接最大變形量分別為4.05mm、4.24mm、4.16mm，3種方案的最大變形位置均集中在底板側邊位置，且變形量較大的紅色區域分布不均勻。同時，結合3種方案雙熱源的焊接方向，均是按照從引弧至熄弧底板側邊焊接變形逐漸增大。

由圖8～圖10可知，對T形接頭焊接變形影響最大的是底板角變形，為進一步研究雙熱源不同焊接方向的底板變形狀態，需繪制底板角變形特性曲線，其路徑選擇如圖11所示，沿著T形接頭底板邊緣長度方向設定路徑1。

圖10 焊接角變形分布云圖

圖11 路徑選擇

焊接底板角變形特性曲線如圖12所示。由圖12可知，3種方案的角變形曲線不同，但三者的變形趨勢均是按照從焊接引弧位置至熄弧位置逐漸升高。

圖12 焊接底板角變形特性曲線

1#方案為雙熱源同方向焊接，前一個熱源從焊縫的端頭引弧，在焊接底板側邊焊縫端頭的引弧位置出現最小的變形量約3.40mm，在焊接熱源前進過程中，焊接變形逐漸升高，在靠近焊接熄弧位置處出現此熱源最大的焊接變形量約3.72mm；后一個熱源從焊縫的中間位置引弧，即后一個熱源的引弧位置為前一個熱源的熄弧位置，引弧點的焊接變形被增加，最小變形位置向后移動，變形量約3.51mm，之后隨著焊接的進行在焊縫另一端頭的熄弧位置出現1#方案的最大變形量約4.05mm。焊縫中間位置的焊接變形量差值約0.21mm，焊接最大變形與最小變形量差值約0.65mm。

2#方案為雙熱源相反方向焊接，兩個熱源的引弧位置均在焊縫的中間，分別向兩端頭行走。在焊接的引弧位置存在兩個熔池，其焊接底板的最小變形量增大，約3.52mm，比1#方案的最小變形量大0.1mm。隨著雙熱源沿著相反方向行走，以焊縫的中間位置為中線，焊接底板呈現出對稱增加的趨勢，在兩端頭處出現最大變形量約4.25mm，焊接最大變形與最小變形量差值約0.73mm。

3#方案為雙熱源相對方向焊接，兩個熱源的引弧位置分別在焊縫的兩端頭，至焊縫中間熄弧，在兩端頭位置出現最小變形量約3.40mm，與1#方案的最小變形量基本相同，變形趨勢與2#方案相反。以焊縫的中間位置為中線，焊接底板呈現從焊縫兩端頭至焊縫中間位置對稱增加，在雙熱源熄弧位置出現的最大變形量約4.15mm，焊接最大變形與最小變形量差值為0.75mm。

4 結束語

本文開展了針對T形接頭的多焊機在一條焊縫上同時焊接，其相鄰兩臺焊機設定不同焊接方向的有限元分析試驗。通過分析焊接變形的趨勢，總結焊接變形的規律，優化T形接頭的焊接變形，得出了以下結論。

1）焊接時，對T形接頭焊接變形影響最大的是底板厚度方向的角變形，焊接變形遵循從焊接引弧位置至熄弧位置逐漸增加的趨勢。

2）1#方案雙熱源引弧與熄弧均不在同一位置，焊接最小變形量約3.40mm，最大焊接變形量約4.05mm，兩者的差值為0.65mm，在焊縫的中間位置，焊縫收縮變形量差值約0.21mm；2#方案雙熱源在焊縫中間位置同時引弧，最小焊接變形量約3.52mm，熄弧位置的焊接最大變形量約4.25mm，兩者差值約0.73mm；3#方案雙熱源在焊縫中間位置同時熄弧，焊接最小變形量約3.40mm，焊接最大變形量約4.15mm，兩者差值0.75mm。

3）在實際焊接過程中，多臺焊機在一條角焊縫上同時焊接，焊機的布置應按照均勻分布方案，多焊機同方向焊接，結構件變形量小、平整度最高。