（公主嶺鉆探機械廠，吉林 公主嶺 136100）

焊接順序?qū)形接頭焊接殘余應(yīng)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?qū)形接頭焊接殘余應(yīng)力場的影響對于保證焊接質(zhì)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?qū)形接頭焊接殘余應(yīng)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(yīng)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(yīng)力場；影響分析

T形接頭焊接殘余應(yīng)力場可對焊件的加工質(zhì)量以及加工效率產(chǎn)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(yīng)的對T形接頭焊接殘余應(yīng)力場也會產(chǎn)生影響，間接的對焊接質(zhì)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(shù)使用，使得T形接頭焊接殘余應(yīng)力場的分析更加準確和可靠。本文結(jié)合筆者經(jīng)驗以及相關(guān)文獻，就焊接順序?qū)形接頭焊接殘余應(yīng)力場的影響研究分析如下。

1 物理模型以及數(shù)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(shù)能夠達到0.65，在研究焊接順序?qū)形接頭焊接殘余應(yīng)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(yīng)該建立有效的數(shù)值模型，在數(shù)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(wǎng)格，由于實際焊接中，焊縫和鄰近位置的溫度場以及應(yīng)力場變化較大，在建立模型過程中需要對網(wǎng)格進行加密處理。對于距離焊縫較遠的位置，則網(wǎng)格可適當?shù)姆糯?，也不需要進行加密處理，從分析精度的角度分析，網(wǎng)格的數(shù)量應(yīng)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(guān)參數(shù)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(yīng)考慮相變潛熱；在焊縫填充過程中需要借助單元生死技術(shù)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(zhì)量以及應(yīng)變等處于零狀態(tài)，具體分析計算中，沒有被激活的單元格與計算無關(guān)。在焊縫單元被激活后，原本的“殺死”逐漸成為“生”狀態(tài)，對應(yīng)的參數(shù)值在施加對應(yīng)的荷載后，可參與后續(xù)的有限元分析計算。

2 分段焊對T形接頭焊接殘余應(yīng)力場的影響分析

2.1 建立有限元模型

分段焊模型網(wǎng)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(shè)兩個支撐板，劃分完成后包含單元20711個，包含節(jié)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(qū)域的網(wǎng)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(shù)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(wǎng)格劃分示意圖

2.2 模型相關(guān)參數(shù)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(dǎo)系數(shù)方法考慮熔池內(nèi)流體流動過程中對溫度場的影響，有助于保證計算結(jié)果的準確性。焊接方法采用的是融化極氣體保護焊，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，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(jù)建立的模型，橢球形移動源就是焊接熱源，對應(yīng)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(guān)參數(shù)，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(diào)動，實現(xiàn)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(qū)域劃分為三部分，通過設(shè)計不同的焊接順利完成對焊接順序?qū)堄鄳?yīng)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(yīng)力場分析

采用單元死活技術(shù)對確定的多種方案進行分析，結(jié)果顯示，多種方案處理中焊接完成后的溫度場和應(yīng)力場分布情況具有一致性，也就是說多種方案的模擬結(jié)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(yīng)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(qū)域內(nèi)分段焊以殘余拉應(yīng)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(yīng)力為主，其中殘余拉應(yīng)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(yīng)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(shè)兩個支撐板，由于在后期實際模擬分析中，單元數(shù)量以及計算周期之間的聯(lián)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(yīng)力場以及溫度場變化情況應(yīng)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(qū)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(shè)置好相關(guān)參數(shù)，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?qū)Χ嗟篮笐?yīng)力場的影響，對于不同焊段則應(yīng)采用不同的焊接方案。

3.3 多道焊焊接殘余應(yīng)力場

根據(jù)確定的方案以及模擬過程可知，在焊板縱向殘余應(yīng)力場分布方面，焊縫以及焊縫周邊區(qū)域?qū)儆谥饕獨堄嗬瓚?yīng)力，焊接縱向殘余壓應(yīng)力以距離焊縫較遠的區(qū)域為主。

4 多層焊對T形接頭焊接殘余應(yīng)力場的影響分析

4.1 有限元模型建立

多層焊模型結(jié)構(gòu)將其劃分為八節(jié)點六面體單元，總數(shù)量為26038個，節(jié)點數(shù)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(shù)、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(shè)置不同方案用于研究不同焊接順序?qū)形接頭焊接殘余應(yīng)力場的影響。

4.3 焊接殘余應(yīng)力分析

多層焊對T形接頭焊接殘余應(yīng)力場的影響與多段焊以及多道焊較為接近。

5 結(jié)語

不同焊接工藝中焊接順序?qū)形接頭焊接殘余應(yīng)力場影響具有相似性，根據(jù)研究結(jié)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(yīng)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(yīng)力，提高焊接質(zhì)量。

[1]張尚林,郭素娟,朱明亮.25Cr2Ni2MoV鋼焊接接頭循環(huán)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(yīng)力的有限元模擬[J].機械工程材料，2016(9).

TG44

A

1671-0711（2017）04（上）-0159-02