成利強(qiáng)，王天琪，李亮玉，鄭 佳

(天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津工業(yè)大學(xué))，天津300387)

Q235具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性以及較好的可焊性，成本低廉，而且焊接時(shí)一般不需要進(jìn)行預(yù)熱、控制層間溫度、后期熱處理等工序，具備良好的焊接特性，因此被廣泛應(yīng)用于工程中。多層多道焊接方式具有熱輸入量小、有效降低缺陷概率等優(yōu)點(diǎn)［1－2］，在中厚板焊接結(jié)構(gòu)件中得到了廣泛應(yīng)用.但中厚板多層多道焊接過(guò)程是一個(gè)涉及傳熱、力學(xué)、冶金等多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜過(guò)程［3－5］，在其焊接過(guò)程中，母材和焊縫金屬均會(huì)經(jīng)歷多次焊接熱循環(huán)，使得每道焊縫的溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)的分布變得非常復(fù)雜.同時(shí)，在多層多道焊接過(guò)程中，由于層－層、道－道、層－道等之間相互影響，導(dǎo)致工件形成極大的溫度梯度，從而產(chǎn)生極不均勻的焊接熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力，使得工件發(fā)生較大的角變形，最終影響構(gòu)件裝配和使用［6－7］.

為減小中厚板多層多道焊接過(guò)程中的角變形，揭示焊接角變形機(jī)理，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)針對(duì)焊接過(guò)程中溫度－應(yīng)力、溫度－流場(chǎng)以及溫度－應(yīng)力－流場(chǎng)等相關(guān)物理場(chǎng)開(kāi)展了耦合場(chǎng)數(shù)值計(jì)算研究［8－9］.Chong 等［10］模擬了多層多道焊接過(guò)程中引起的初始應(yīng)力對(duì)焊接過(guò)程中殘余應(yīng)力對(duì)焊接質(zhì)量的影響;杜寶帥等［11］通過(guò)考慮坡口形式對(duì)熱輸入分布的影響以及焊縫橫斷面形狀的特征分布，利用ANSYS軟件對(duì)超細(xì)晶鋼多層多道焊溫度和殘余應(yīng)力模擬運(yùn)算.Von-mises等效應(yīng)力在起弧及熄弧端較大，達(dá)到屈服強(qiáng)度，其余位置均小于屈服強(qiáng)度.但關(guān)于溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)對(duì)工件角變形方面的研究鮮有報(bào)道［12］.

文中采用COMSOL建立了溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)模型，研究了溫度和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)對(duì)角變形的影響規(guī)律，為后續(xù)控制、調(diào)整和減少工件的焊接角變形提供理論依據(jù)，具有非常重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)用意義［13－14］.

1 溫度和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)模擬

1.1 熱源模型及工藝參數(shù)

在中厚板V型坡口多層多道焊接過(guò)程中，電弧的加熱區(qū)域會(huì)同時(shí)覆蓋到V型坡口的兩側(cè)區(qū)域，電弧熱流分布模式符合體積熱源特征，因此文中熱源模型選擇雙橢球體熱源模型.假設(shè)前后半橢球的熱輸入份額分別為ff和fr，且ff+fr=2，其熱源模型公式為:

前半橢球:

后半橢球:

式中:qf、qr分別是前后半橢球的熱流密度的體積分布;a、b、cf、cr是熱流的體積分布參數(shù);Q為焊接熱輸入的有效功率;x方向?yàn)楹附忧斑M(jìn)法線(xiàn)方向;y方向?yàn)楹附忧斑M(jìn)方向;z方向?yàn)楹缚p厚度方向.

其熱源移動(dòng)方程為:

式中:V(t)為方波方程;M(t)為方波函數(shù);h為熱源距工件上表面距離.

實(shí)驗(yàn)采用的工件材料型號(hào)為Q235，焊絲材料型號(hào)為ER50－6.采用多層多道焊焊接方法，焊接過(guò)程中，環(huán)境溫度設(shè)定為295.15 K，焊件熔點(diǎn)1 825.15 K，焊絲熔點(diǎn)575.15 K，有效傳熱率(η)為0.65.其余焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Technological parameter of welding

1.2 平板V型坡口模型的建立

待焊工件選用長(zhǎng) 150 mm、寬 65 mm、厚15 mm的單邊V型坡口，兩板對(duì)接所構(gòu)成的V型坡口角度為90°，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 待焊工件示意圖(mm)Fig.1 Schematic of the work piece to be welded

依據(jù)中厚板多層多道焊V型坡口型式及焊道位置和數(shù)量，建立待焊工件的幾何模型.焊接過(guò)程中分5層填滿(mǎn)坡口，其實(shí)際焊道焊接示意圖如圖2(a)所示.為便于焊接順序的分析和仿真模型的建立，根據(jù)多層多道焊路徑自動(dòng)規(guī)劃對(duì)V型坡口焊縫填充焊道截面進(jìn)行一定的優(yōu)化簡(jiǎn)化［15］.將第1層焊道簡(jiǎn)化成三角形，將其余4層簡(jiǎn)化成矩形和直角梯形，簡(jiǎn)化后的V型坡口焊縫填充焊道截面示意圖如圖2(b)所示.

圖2 焊道截面示意圖Fig.2 Schematic of weld cross section:(a)schematic diagram of actual welding section;(b)simplified schematic diagram of welding section

1.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件

試驗(yàn)過(guò)程中，母材和焊絲的熔化會(huì)形成熔池，進(jìn)而對(duì)焊縫進(jìn)行填充.COMSOL平臺(tái)無(wú)法真實(shí)描述焊絲和焊縫金屬填充焊縫的過(guò)程，因此，幾何建模時(shí)采用生死單元技術(shù)模擬焊接過(guò)程中焊絲與母材隨著焊槍的移動(dòng)而熔化形成熔池的過(guò)程.

仿真過(guò)程中需要對(duì)焊件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在距離焊縫和熱源比較近的區(qū)域，由于溫度梯度和應(yīng)力梯度變化幅度較大，需要將此部分區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)致劃分;而在距離焊縫和熱源比較遠(yuǎn)的區(qū)域，溫度梯度和應(yīng)力梯度的變化較小，這部分區(qū)域的網(wǎng)格應(yīng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)劃分.這樣不僅大大縮短了仿真計(jì)算時(shí)間，而且還使仿真結(jié)果更加貼近實(shí)際的焊接效果.網(wǎng)格劃分后模型如圖3所示.

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation

對(duì)于邊界條件，在焊件上下表面和周?chē)h(huán)境之間的熱交換過(guò)程中，距離焊縫和熱源較近的部分施加熱輻射和熱通量，距離兩者較遠(yuǎn)的部分施加熱對(duì)流.為防止工件移動(dòng)以及便于觀測(cè)工件在多層多道焊溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)作用下另一側(cè)縱向(焊接方向)、橫向(垂直于焊接方向)、厚度方向的角變形量，因此，只在工件的一側(cè)施加固定約束.

2 溫度和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)分析

基于COMSOL平臺(tái)對(duì)多層多道焊溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4，可知:溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)一一對(duì)應(yīng)，熱應(yīng)力隨著溫度升高而變大，且兩者保持一致的發(fā)展趨勢(shì)，角變形也隨著焊道增加而增大.

以第1、3、5層溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)以及角變形為例進(jìn)行分析.第1層焊縫為打底焊，為防止熱輸入過(guò)高將其熔透，故設(shè)置較小的電流、電壓，因此第1層焊縫表面溫度和熱應(yīng)力相對(duì)較低，溫度約為1 400 K，熱應(yīng)力約為500 MPa，但由于焊道處于角變形根部，因此角變形量較大;而在第3層和第5層焊接過(guò)程中，由于熱循環(huán)和焊接電流、電壓的增大，工件整體溫度和熱應(yīng)力都有所增加，同時(shí)第3層和第5層的熱循環(huán)影響區(qū)域相比于第1層變大，由于距離角變形根部較遠(yuǎn)，角變形量較小，但角變形量隨著焊道的增加而增大.

圖4(b)、(e)、(h)為第3層焊縫溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，由計(jì)算結(jié)果可知，第3層溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的熱循環(huán)影響范圍最大，在工件中靠近熱源的區(qū)域溫度達(dá)到峰值1 901 K，熱應(yīng)力達(dá)到峰值539 MPa，超過(guò)了工件的熔點(diǎn).而對(duì)于第5層焊道，如圖4(c)、(f)、(i)所示，雖然其溫度和熱應(yīng)力的峰值較高，但因其距下表面較遠(yuǎn)而距上表面較近，大部分熱循環(huán)影響區(qū)域在上表面和第3、4層焊道附近區(qū)域.故第5層焊道對(duì)上表面的熱循環(huán)影響區(qū)域較大，而對(duì)于第1、2層焊道熱循環(huán)影響較弱，因此，其對(duì)工件根部的角變形影響最小.

為探究溫度和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)對(duì)工件角變形量的影響，需要對(duì)工件橫向、縱向、厚度方向以及層－層間溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行研究.

圖5為第1層縱向(焊接方向)不同點(diǎn)處溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)熱循環(huán)曲線(xiàn).隨著焊接熱源的移動(dòng)，溫度和熱應(yīng)力隨時(shí)間不斷變化.在起始點(diǎn)的位置，溫度和熱應(yīng)力比較低，溫度約為1 035 K，熱應(yīng)力約為357 MPa，這主要是因?yàn)槠瘘c(diǎn)位置電弧不穩(wěn)定，焊接速度快而導(dǎo)致的;隨著熱源的移動(dòng)，焊縫截點(diǎn)處溫度和熱應(yīng)力也呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，其中最大值達(dá)到了1 400 K、500 MPa.圖5(a)為選取焊縫縱向的5個(gè)點(diǎn)(P1、P2…P5)，隨著焊接熱源靠近選取的截點(diǎn)時(shí)，該截點(diǎn)溫度、熱應(yīng)力迅速上升達(dá)到峰值，當(dāng)熱源遠(yuǎn)離時(shí)，該點(diǎn)的溫度和熱應(yīng)力會(huì)逐漸下降直至平穩(wěn).但整體焊縫區(qū)域溫度、熱應(yīng)力都呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，當(dāng)?shù)竭_(dá)30 s焊接結(jié)束時(shí)，工件的溫度和熱應(yīng)力開(kāi)始逐漸下降，但是由于熱循環(huán)的存在，熱應(yīng)力下降速率相比于溫度較為緩慢.

圖4 平板多層多道焊溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Simulation results of multi-layer multi-pass plates welding in stress field and temperature field:(a)first-layer temperature field;(b)third-layer temperature field;(c)fifth-layer temperature field;(d)first-layer stress field;(e)third-layer stress field;(f)fifth-layer stress field;(g)first-layer deformation;(h)third-layer deformation;(i)fifth-layer deformation

圖5 第1層溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)熱循環(huán)曲線(xiàn)Fig.5 Curve graph of thermal cycle in temperature field and thermal stress fields on the first layer

圖6 第3層溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)熱循環(huán)曲線(xiàn)Fig.6 Curve graph of thermal cycle in temperature field and thermal stress fields on the third layer

圖6 為橫向(垂直于焊接方向)不同點(diǎn)溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)熱循環(huán)曲線(xiàn).圖6(a)垂直于焊接方向的5個(gè)截點(diǎn)(P1、P2…P5).當(dāng)熱源靠近截點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)的溫度和熱應(yīng)力逐漸升高，當(dāng)熱源到達(dá)該點(diǎn)的時(shí)候，溫度和熱應(yīng)力都分別達(dá)到了峰值，當(dāng)熱源遠(yuǎn)離時(shí)，溫度和熱應(yīng)力逐漸降低直至平穩(wěn).但是，隨著與焊縫中心距離的增大，溫度和熱應(yīng)力也會(huì)變得越來(lái)越小;焊縫中心點(diǎn)的溫度峰值達(dá)到了1 901 K，熱應(yīng)力達(dá)到了539 MPa，而距離焊縫5 mm的截點(diǎn)的溫度和熱應(yīng)力峰值分別為801 K、325 MPa;當(dāng)距離焊縫20 mm時(shí)，溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)幾乎不變;距離焊縫中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，溫度和熱應(yīng)力的峰值越小，熱循環(huán)影響越弱.

圖7(a)為第5層不同點(diǎn)(P1、P2…P5)溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)熱循環(huán)曲線(xiàn)(厚度方向).如圖7所示在厚度方向上，隨著與焊縫中心的距離不斷增加，溫度和熱應(yīng)力的峰值越來(lái)越小，熱影響區(qū)域也越小.在P1、P2處截點(diǎn)溫度和熱應(yīng)力的峰值比較大，而距離焊縫中心9 mm截點(diǎn)處的溫度、熱應(yīng)力峰值僅有666 K、95.3 MPa.距焊縫中心的距離越大，焊接熱影響區(qū)越小，熱循環(huán)影響越弱.第5層溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力對(duì)工件下表面以及第1和2層的熱影響較小.因此，溫度和熱應(yīng)力在厚度方向上熱影響較小.焊縫成形以及焊接角變形僅影響當(dāng)前和距離較近的焊層，但溫度和熱應(yīng)力的整體上升以及下降趨勢(shì)始終保持一致.

圖7 第5層溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)熱循環(huán)曲線(xiàn)Fig.7 Curve graph of thermal cycle in temperature field and thermal stress fields on the fifth layer

圖8 為有限元分析得到的為1、3、5層所取裁點(diǎn)以及相對(duì)應(yīng)溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)曲線(xiàn)圖.

在不同層不同焊道上，第1層打底焊因焊接工藝參數(shù)較小，因此在焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)較低，但由于位于坡口根部，因此角變形最大;而第3層第2道由于第2層和第3層第1道熱循環(huán)的存在以及熱量擴(kuò)散面較小，溫度和熱應(yīng)力整體增加，達(dá)到峰值:溫度1 901 K，熱應(yīng)力539 MPa，對(duì)角變形的影響較大;而第5層第3道，由于擴(kuò)散面的增加和層－層、道－道之間的相互影響，整體溫度有所下降，角變形量較小;但溫度和熱應(yīng)力保持相同發(fā)展的趨勢(shì).

圖8 第一、三、五層溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)熱循環(huán)曲線(xiàn)Fig.8 Curve graph of thermal cycle in temperature field and thermal stress fields on the first，third，and fifth layer

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于焊接過(guò)程中，焊接熱輸入的大小決定溫度高低，繼而影響熱應(yīng)力變化，最終導(dǎo)致工件的熱變形.利用機(jī)器人焊接系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其中機(jī)器人采用的是ABB的1410型機(jī)器人，電焊機(jī)使用的是福尼斯4000R型焊機(jī)，保護(hù)氣為體積分?jǐn)?shù)80%Ar+20%CO2.焊接送絲速度除第1層為3.7 m/min外，其余均為5 m/min.其他實(shí)際焊接工藝參數(shù)同仿真預(yù)定參數(shù)保持一致，如表1所示.

平板V型坡口在溫度－熱應(yīng)力耦合場(chǎng)的作用下工件發(fā)生角變形，如圖9所示.

隨著熱源的移動(dòng)，焊接溫度和熱應(yīng)力呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì).當(dāng)熱源靠近截點(diǎn)位置時(shí)，該截點(diǎn)的溫度與應(yīng)力迅速上升;當(dāng)熱源遠(yuǎn)離該截點(diǎn)時(shí)，溫度迅速下降直至平穩(wěn)，而熱應(yīng)力由于熱循環(huán)的存在，下降速度相對(duì)較為緩慢.數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示，工件在橫向、縱向以及厚度方向都發(fā)生了一定的形變.仿真模型橫向計(jì)算值為140.4 mm，試驗(yàn)值為 140.2 mm，誤差為1.41%;仿真模型縱向計(jì)算值為 152.2 mm，試驗(yàn)值為152.0 mm，誤差為0.13%;仿真模型厚度方向計(jì)算值為15.2 mm，試驗(yàn)值為15.1 mm，誤差為0.66%;角變形理論值為B=6.5°，試驗(yàn)值為B=6.63°，誤差為 0.196%.

圖9 角變形試驗(yàn)Fig.9 Experimentofangle deformation: (a) angle deformation of simulation model;(b)test of angle deformation;(c)transverse and longitudinal angle deformation of the simulation model;(d)test of angle deformation

由此可知，試驗(yàn)值與計(jì)算值兩者吻合情況良好.根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可知:工件在橫向被拉升10.4 mm，縱向伸長(zhǎng)2.2 mm，厚度增加了0.1 mm.因此，在平板V型坡口多層多道焊中溫度－熱應(yīng)力耦合場(chǎng)主要作用于工件的橫向和縱向，而對(duì)厚度方向影響較小.

4 結(jié)論

1)建立了中厚板V型坡口多層多道焊溫度和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)V型坡口填充焊道截面簡(jiǎn)化進(jìn)行優(yōu)化，并且對(duì)多層多道焊溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)以及工件的角變形進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和定量分析.結(jié)果表明，熱應(yīng)力和溫度幾乎保持一致的變化趨勢(shì).

2)數(shù)值模擬計(jì)算值與試驗(yàn)值基本吻合.溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力耦合場(chǎng)主要作用于工件的橫向和縱向，而對(duì)厚度方向影響較小.