房元斌，蹤雪梅，張華清，殷咸青，張林杰

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

焊接順序和焊接結構對振搗座殘余應力的影響

房元斌1，蹤雪梅1，張華清2，殷咸青3，張林杰3

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

焊接殘余應力大小影響整機的性能和使用壽命，研究振搗座的殘余應力分布有著重要的工程意義。利用焊接數值模擬手段，對整機振搗座的不同焊接結構和多種焊接順序進行優(yōu)化分析，獲得振搗座的焊接殘余應力分布狀況，結合實驗手段，驗證有限元模型的正確性和有效性。結果表明，采用對稱施焊得到的殘余拉應力的峰值最小。改變焊接結構形式，加強板在關注位置內側殘余應力分布趨勢穩(wěn)定，而在外側趨勢變化較大，且峰值增大。該研究為優(yōu)化生產工藝，為后續(xù)控制焊接殘余應力提供理論依據。

振搗座；焊接結構；殘余應力分布；數值模擬

0 前言

一直以來，人們對焊接殘余應力做了大量的計算和實驗研究[1]。對于典型T接頭和平板對接，國內外學者更是深入剖析其機理，總結出很多寶貴的經驗[2]，但對于工程問題的研究甚少，尤其是考慮焊接結構和焊接順序交互作用方面。

工程應用問題關注的往往是實際結構件的焊接殘余應力問題，對其簡單接頭的分布趨勢和機理信任程度低，加之復雜因素的影響，大型結構件的殘余應力分布更多表現為無規(guī)則分布趨勢。本研究避免對整體結構件的殘余應力分布分析，只研究其關鍵結構件的關注位置的殘余應力分布。整機振搗座結構形式復雜，同時，該位置結構件的焊接質量要求較高，其殘余應力分布也直接影響著整機性能和疲勞壽命[3]。對于已成熟的焊接工藝，設計合理的焊接結構，選擇合理的焊接順序[4-5]，有利于提高振搗座使用壽命。

在工程機械領域的焊接數值模擬計算中，有限元方法主要應用于解決焊接變形問題的焊接順序優(yōu)化；對于整機焊接殘余應力分布的模擬計算，受限于軟硬件水平，有限元模型是建立在網格質量差、殼單元、等效拘束條件等假設條件下[6]，這種假設條件必然造成獲得殘余應力分布結果誤差較大，以至于無法獲得局部關鍵位置殘余應力的真實分布情況。本研究主要是從焊接結構和焊接順序兩個方面，利用焊接數值模擬，結合實驗驗證，對整機關鍵位置振搗座的殘余應力分布情況進行局部優(yōu)化分析。

以工程機械整機產品振搗座焊接為例，在有限元軟件分析焊接殘余應力分布的基礎上，針對不同結構形式，兼顧不同焊接順序的影響，研究應力場分布情況，最終獲得振搗座合理的結構形式和焊接順序。

1 有限元模型

1.1 模型的建立

工程機械結構件一般尺寸較大，關鍵位置的結構形式復雜。振搗座實體模型如圖1所示。一般采用過渡網格形式劃分，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力梯度。為了真實反映焊后殘余應力分布，同時隨著計算機計算能力不斷提升，對整體結構進行模塊化處理，采用并行技術分析計算。為保證應力場求解精度，在模型網格劃分過程中，局部模型采用全細化網格。網格最小尺寸為1 mm，獲得振搗座網格模型單元總數484325，節(jié)點數555 879。

圖1 振搗座實體模型Fig.1Solid model of vibrator

振搗座彎板內部兩塊加強板間距大小直接影響彎板與連接板焊縫位置殘余應力分布。設計原始模型、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構性能的基礎上，分析該位置殘余應力分布情況，獲得不同結構形式的振搗座網格，如圖2所示。

圖2 網格模型Fig.2Mesh model

1.2 振搗座材料及焊接工藝參數

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

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

表1 Q460焊接工藝參數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①MSC.Marc User's Manual，Volume A，Chapter6.，使用靜單元模擬焊接過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流散熱，散熱系數設為0.02，焊接周圍環(huán)境溫度設為20℃。

振搗座是在自由焊接過程中完成的，沒有外加的拘束，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力等效釋放；連接板和加強板沿焊縫方向在添加位移約束，用來限制縱向位移，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

在振搗座的焊接過程中，總共有10條焊縫，對其進行編號。圖1連接板2與彎板外側x向焊縫為編號1，內側為編號2，z向焊縫為編號3；連接板1與彎板外側x向焊縫為編號4，內側為編號5，z向焊縫為編號6；加強板4與彎板外側x向焊縫為編號7，內側為編號8，對應另一塊加強板為編號9，編號10。

兼顧現場工藝經驗，考慮加強板焊接順序改變對局部模型殘余應力分布的影響，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應4種方案，依次編號。

表2 幾種焊接方案Tab.2Several welding schemes

2 焊接結構和順序對殘余應力影響

影響振搗座的應力場主要是焊接殘余應力和工作應力。應力分布和峰值區(qū)域是裂紋產生的關鍵因素。焊接殘余應力作為初始應力，對振搗座工作性能起重要作用。在問題出現較多的位置，即連接板2與彎板焊縫編號4和連接板1與彎板焊縫編號1，通過模擬分析，有效降低其峰值和均勻化殘余應力分布，達到優(yōu)化殘余應力的目的。

2.1 連接板與加強板焊接對殘余應力分布影響

在相同的約束條件下，通過模擬不同焊接順序和焊接結構形式，研究分析殘余應力分布情況。上述幾種焊接方案的殘余拉應力分布對比如圖4所示。通過曲線變化規(guī)律可以發(fā)現，調整加強板與連接板焊接的四種方案對焊接殘余應力整體變化曲線的前130 mm分布趨勢變化影響較大。從理論上分析，背部焊縫加強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殘余應力峰值影響

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

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

2.3 加強板焊接結構對殘余應力分布影響

通過調整加強板間距大小，改變焊接結構形式，由圖4可知，加強板在關注位置內側殘余應力分布趨勢穩(wěn)定，而在關注位置外側殘余應力分布趨勢變化較大，且峰值增大。

從理論上分析，大間距模型的加強板位于外側，在關注位置焊縫連接板一側產生的力矩較大，而在彎板一側產生的力矩較小。從溫度場分析，其關注位置變形較小，相對應力值較大，而彎板一側變形大，應力值小。因而，大間距模型應力分布最大。相對應小間距模型，加強板位于內側，在彎板一側產生力矩較大，關注位置形成殘余應力值小。

3 試驗驗證

3.1 仿真結果分析

通過分析焊接結構和焊接順序對關注位置殘余應力分布結果可知，大間距殘余應力峰值較高，且整體應力值較大，故排除該試驗方案。選擇原始模型現有工藝方案和小間距模型最佳方案，進行試驗驗證和對比試驗。

3.2 試驗驗證

為保證試驗模型與仿真模型更加接近，在板材的下料過程中，選用同一批次的鋼材，且均矯形工藝，拼焊后結構件的尺寸精度高，保證振搗座結構件焊接是建立在相同基準下進行的驗證試驗。測量獲得殘余應力結果，如圖5所示。

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

考慮到盲孔法殘余應力測量[9]精度，選擇間隔30 mm測量，后50 mm仿真模擬結果變化較大，而實際測量只能測量兩點，故存在一定的誤差。由圖5可知，仿真殘余應力的結果在數值和分布上與試驗結果較為吻合，驗證了建立有限元模型的正確性和有效性。

圖5 殘余應力分布Fig.5Residual stress distribution

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

4 結論

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

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

（3）改變焊接結構形式，加強板在關注位置內側殘余應力分布趨勢穩(wěn)定，而在關注位置外側殘余應力分布趨勢變化較大，且峰值增大。

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

[1]任維佳，吳愛萍，趙海燕，等.大型電機轉子焊接殘余應力的數值分析[J].焊接學報，2002，23（2）：92-96.

[2]張利國，姬書得，方洪淵，等.分段焊的焊接順序對T形接頭殘余應力場的影響[J].焊接學報，2006，27（12）：109-112.

[3]姬書得.水輪機轉輪焊接殘余應力調控措施的虛擬優(yōu)化[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學，2006.

[4]李春梓.基于數值模擬的轉向架側梁焊接順序優(yōu)化設計[J].電焊機，2015，45（1）：70-74.

[5]徐榮政，王浩.列車轉向架側梁焊接應力場數值模擬[J].電焊機，2014，44（4）：128-132.

[6]鄧德安，清島祥一.焊接順序對厚板焊接殘余應力分布的影響[J].焊接學報，2011，33（12）：55-58.

[7]梁濤，李恒燦.CO2氣體保護焊焊接Q460C鋼中厚板的工藝研究[J].電焊機，2014，44（6）：126-129.

[8]田錫唐.焊接結構[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[9]李興華，崔國明，翟德梅，等.高強鋼20MnTiB焊接接頭殘余應力分布規(guī)律研究[J].電焊機，2013，43（7）：76-79.

Page 61

Braze Repair of Gas TurbineBladesandVanes-AReview[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，TransactionsoftheASME，2012，134（1）：17.

[7]Shan J G，Ren J L，Khorunov V F.Repairing of the defects of the engine vanes of an aeroplane by light beam brazing[J]. Journal of Materials Processing Technology，2002，121（1）：23-26.

[8]潘輝，孫計生，劉校方.渦輪發(fā)動機葉片釬焊修復研究[J].材料科學與工藝，1999（增刊）：209-212.

[9]王剛，張秉剛，馮吉才.鎳基高溫合金葉片焊接修復技術的研究進展[J].焊接，2008（01）：20-23.

[10]孔令有，于萍.航空發(fā)動機高壓渦輪葉片葉尖裂紋修復工藝研究][J].航空發(fā)動機，2007，33（1）：49-50.

[11]《中國航空材料手冊》編委會.中國航空材料手冊（第2版）第2卷——變形高溫合金、鑄造高溫合金[M].北京：中國標準出版社，2001.

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，主要從事焊接數值模擬仿真及焊接工藝技術的研究。