趙小康，張海燕，姚正鋒，侯國清

廣西柳工機械股份有限公司 廣西柳州 545007

1 序言

焊接接頭在焊接過程中由于受到局部加熱，與焊件其他未施焊部位存在明顯的溫度梯度，由于焊接時不同區(qū)域溫度場的差異，造成焊件在焊接結束后存在不同程度的焊接殘余應力和焊后變形。焊接應力的存在會降低焊接結構的承載能力，影響焊接結構的疲勞壽命，尤其當焊接殘余拉應力與焊接缺陷等應力集中部位重合時會極易產生裂紋，并且焊接殘余應力的逐步釋放會引起焊接結構件尺寸、精度的變化，影響產品使用[1-4]。焊后變形對結構件之間的裝配帶來困難，焊接變形不僅影響到其本身結構件的使用壽命，而且由于變形帶來的強裝配還會引起整機的整體性能，如異響、振動、噪聲等。為了消除焊接變形，焊后需要進行大量復雜的矯正工作，嚴重的會使焊件報廢，影響生產效率[5]。

工程機械中往往面臨的是大型復雜結構件的焊接，焊接過程高度非線性，大多依賴于長期經驗的積累，對于焊接變形存在不可把控的情況?；谠囼?，檢測手段獲得的殘余應力未能反映焊接結構整體的殘余應力分布。對于焊接參數、焊接順序的選擇上，為了提高生產效率，不可能進行多種方案的試驗，因此在焊接最優(yōu)方案的選擇上存在盲目性。針對上述情況，本文采取不同的焊接順序對T形接頭的焊接過程進行仿真分析，預測焊接溫度場、應力場及變形情況，為焊接過程提供最優(yōu)的焊接方案，用于指導實際焊接過程，提高生產效率和節(jié)約成本。

2 有限元模型建立

2.1 網格模型建立

工程機械焊接結構接頭形式大多以T形角接或對接為主，實際結構尺寸較大，以圖1T形接頭進行簡化模型，翼板尺寸為（長×寬×高）800mm×360mm×10mm，腹板尺寸為（長×寬×高）800mm×150mm×10mm。

為保證計算精度和提高計算效率，在溫度梯度變化大的焊縫及熱影響區(qū)采用較密的網格，而遠離焊縫和熱影響區(qū)的部分采用較粗網格劃分，過渡網格采取4∶2和3∶1的過渡比進行劃分，全局均采用六面體的網格劃分，該模型包含109 635個節(jié)點，88 00個單元。

圖1 T形接頭網格模型

2.2 模擬參數設置

模擬選用的焊接材料為S355J2G3（類似于Q355），其熱物理參數和力學性能參數隨著溫度的變化而變化，具體變化采用軟件數據庫中的數值。根據文獻[6]，采用雙橢球移動熱源模型進行熱源尺寸的設置，如圖2所示。T形角接接頭的熱源尺寸可以依據經驗進行設置，但具體的尺寸設置還需根據實際焊縫截面的尺寸進行校正。在本文中熱源尺寸設置為：d=8.2mm；b=7.0mm；af=4.8mm；ar=17.6mm。

圖2 T形接頭雙橢球熱源尺寸示意

本文主要研究不同焊接方向對焊接結果的影響，其焊接過程中熱輸入量保持不變，根據實際焊接情況，焊接參數設置為：焊接電流320A，電弧電壓32V，焊接速度4.5mm/s，熱源效率0.75，凈熱輸入為17.1kJ/cm。

焊接邊界的設置，模擬計算時，焊接初始溫度設置為20℃，焊接過程中構件與周圍環(huán)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。

焊接過程中為了防止焊件產生剛性位移，對模型施加固定約束，如圖3a所示，其中翼板在圖中所示位置（左右對稱6個位置）約束Z方向移動，腹板在圖中所示位置（單側3個位置）約束X方向的移動，約束在焊接結束后待焊件基本冷卻到室溫后取消（時長大約為1500s），重力方向沿著Z軸的負方向。并且在工件施焊之前，如圖3b所示在左右兩側對稱的四個位置通過局部連接點的方式將腹板與翼板連接，相當于實際焊接前的定位焊。

在模型設置好以后，通過改變焊接順序進行熱-力耦合計算，比較分析不同焊接順序下，T形接頭焊接殘余應力及變形的變化情況。具體焊接順序如圖4所示，圖中①②③④分別表示焊接的先后順序。

圖3 T形接頭模型約束條件設置

圖4 不同順焊接順序

3 模擬結果分析

3.1 溫度場分析

焊接傳熱過程以及瞬態(tài)溫度場的分析是焊接過程應力應變場和殘余應力研究的前期。熔化焊接時，被焊金屬在熱源的作用下將發(fā)生加熱和局部熔化的過程；當熱源離開后，熔池金屬開始冷卻凝固，因此在整個焊接過程中，被焊金屬必然存在著熱量的傳播和分布問題[7]。在本文中，取焊接接頭熔化區(qū)溫度為S355J2G3的固相線溫度1450℃，在計算結果顯示焊接過程中接頭區(qū)域各部分的最高溫度分布情況，如圖5所示。圖6以方案一為例顯示焊接至89s時的焊接區(qū)域的溫度場分布。在圖5中可以看到紅色區(qū)域為接頭熔化區(qū)域，即焊縫，在焊接過程中分別與翼板和腹板形成了有效熔深，在焊縫外溫度逐漸降低，在一定溫度范圍內（＞727℃）形成焊接接頭的熱影響區(qū)，從圖中可以看出該區(qū)域寬度為1.71mm，與實際結果大致相符，所以該仿真分析過程可以較為準確的預測該模型的變形及應力分布情況。

圖5 焊縫截面形貌

圖6 89s時的溫度場分布（方案一）

選取T形接頭翼板表面正中心距焊縫兩個單元網格距離（3.2mm）的點（見圖7），觀察不同焊接順序下的熱循環(huán)曲線，如圖8所示，從圖8a中可以看出，在方案一、三、七中只經歷了單次熱循環(huán)。方案一、三都是兩側同時單向焊接，只是焊接方向不同而已，其具有完全相同的熱循環(huán)曲線；方案七由于選取點正好在開始焊接的起弧位置，其最高峰值溫度主要是觀測點同側前后時間相隔較小的兩個起弧雙熱源疊加的結果；方案二、四都是單側不同時單向焊接，只是焊接方向不同而已，二者具有相同的熱循環(huán)曲線，都經歷了兩次熱循環(huán)，其最高峰值溫度低于方案一、三，因為單次熱循環(huán)中，熱源對此處單向集中加熱，峰值溫度較高；而兩次熱循環(huán)中，兩熱源依次對此處進行加熱，雖然在方案二、四中第一次熱循環(huán)對第二次熱循環(huán)具有預熱作用，但是觀測點在第二條施焊焊縫的另一側，距離相對較遠，所以第二次熱循環(huán)的峰值溫度并沒有高于第一次熱循環(huán)。

從圖8b中可以看出，方案五、六、八都在分段焊接情況下，經歷了二次熱循環(huán)，具有相同的熱循環(huán)趨勢，由于第一次熱循環(huán)對第二次熱循環(huán)具有預熱作用，所以第二次熱循環(huán)的溫度高于第一次熱循環(huán)；方案九先后經歷了三次熱循環(huán)。通過觀察發(fā)現在分段焊接時熱循環(huán)的峰值溫度要低于單向焊接時，這是因為選取的觀測點，在分段焊接時其正好對應的是起弧或者收弧的位置，由于起弧時所焊工件整體處于冷卻狀態(tài)，溫度導熱較快，熱循環(huán)峰值溫度較低，方案五、六在收弧和方案八起弧的二次熱循環(huán)由于在一次熱循環(huán)的預熱作用其峰值溫度高于一次熱循環(huán)，但是這種預熱作用沒有單向焊接時對該點的熱量集中，故熱循環(huán)峰值溫度相對較低。

圖7 熱循環(huán)曲線觀察選點位置

圖8 不同焊接順序下的熱循環(huán)曲線

3.2 焊接變形分析

在焊接過程中，由于焊接過程熱輸入和熱分布不均均等均會造成焊件的變形。在不同焊接順序下，整個焊接工件的熱分布區(qū)域存在不一致性，最終焊接變形的趨勢不一樣，并且在工件有無約束的情況下，焊件的變形會存在很大差異。本文中，選取如圖3中的兩條路徑P1、P2觀察不同焊接順序下焊件的變形規(guī)律。首先以方案一為例，對比有無約束情況下的焊接變形，如圖9所示，工件在無約束的情況下發(fā)生了嚴重的角變形（放大10倍），沿Z向負方向最大變形發(fā)生在焊接終了翼板的最邊緣位置，最大變形量為4.42mm；當工件在圖3所示的約束下焊接時，變形量大大減小（放大50倍），翼板發(fā)生波浪狀變形。從圖10、圖11可以看出，由于方案一、五、六、七、八采用的是兩側同時同方向焊接，各自沿著P1、P2路徑的焊接變形趨勢及變形量大小一致，方案二采用兩側同方向不同時焊接，P2路徑對應的是第二道焊縫一側，變形趨勢與P1路徑一樣，但變形量要大于P1路徑；方案三采用兩側同時不同方向焊接，其P1、P2路徑的變形趨勢相反，但變形量大致一樣；方案四采用兩側不同方向不同時焊接，其P1、P2路徑的變形趨勢相反，且沿著P2路徑的變形量要大于P1路徑；方案九情況下P1路徑一側焊縫先從中間向兩頭同時焊接，然后P2路徑一側焊縫從中間向兩頭分先后焊接，其P1、P2路徑的變形趨勢大致一樣，但沿著P2路徑的變形量要大于P1路徑下。經比較，在單向焊接（不采用分段焊接）情況下，方案一和二、三、四比較，兩側同時同方向焊接時，整體焊接變形量最小，在沒有約束的情況下，其沿著P1、P2路徑最大的變形量為4.42mm，而方案二采用兩側同方向不同時焊接，變形量達到最大為10.07mm，方案三和四由于兩側焊縫焊接時不同向，焊后工件整體還會發(fā)生微小的扭轉變形；在分段焊接情況下，方案六和五、七、八比較，兩側同時同方向分段跳焊時，整體焊接變形量最小，在沒有約束的情況下，其沿著P1、P2路徑最大的變形量為4.01mm，整體小于單向焊接時的變形量，方案九雖然采用了由中間向兩頭的分段焊接，但兩側焊縫并未同時焊接，其焊后工件的整體變形較大，最大變形量達到8.42mm。整體比較，在有無約束的情況下焊件沿著P1、P2路徑均發(fā)生Z向負方向的變形；工件在施加約束焊接時可有效減小焊接變形（變形量控制在0.8mm范圍內），焊后的工件翼板會出現明顯的波浪狀變形，無論哪種方案焊接，其變形趨勢一樣，翼板都會在非約束部位相對于原工件凸起來，在約束情況下兩側同方向同時焊接時（方案一）和兩側同時由中間向兩頭焊接時（方案七）的變形量最??；在沒有約束情況下焊接時，兩側同時同方向分段焊的焊接變形量要小于單向焊接時，其中兩側同時同方向分段跳焊時（方案六）變形量最?。徊⑶矣^察各種方案下T形工件的焊接變形，最大變形發(fā)生在最后一道或者分段焊接時最后一段焊縫焊接結束時相對應翼板的區(qū)域，即先焊部位的焊接變形小于后焊部分的變形。

圖9 方案一在有無約束情況下的焊接變形

圖10 不同焊接順序下焊件沿P1路徑下的焊接變形

圖11 不同焊接順序下焊件沿P2路徑下的焊接變形

3.3 焊后殘余應力分析

在工程機械行業(yè)，由于工件結構比較復雜和龐大，很難實際測量焊接件的焊接殘余應力，并且對于殘余應力的測量需要耗時耗力，考慮到生產的原因很少專門去檢測和研究焊接結構件的殘余應力，更多的精力會放在如何控制焊接變形的問題上。因為嚴重的焊接變形會立刻影響到整個生產過程，如帶來的矯正、機械加工、裝配等困難，特別嚴重時將直接報廢；然而焊接殘余應力作為一個潛伏的危害，它會在焊接結構件后期使用中影響其疲勞壽命，當最大殘余拉應力正好在應力集中部位時與工作應力疊加很容易誘導裂紋的產生，并且隨著殘余應力的釋放會影響到工件的尺寸穩(wěn)定性[8-9]。所以基于前邊對焊接變形研究的基礎上，選取焊接變形較小的方案一、五、六、七、八重點研究在約束條件下沿著焊接方向的殘余應力，即縱向殘余應力。

首先以方案一為例顯示焊接殘余應力的分布情況，如圖12所示，從圖中可以看出在焊縫及近焊縫區(qū)的縱向殘余應力表現為拉應力（其值為正），并且焊接殘余拉應力最大值集中在焊腳，焊根以及腹板焊縫熱影響區(qū)的地方；焊縫的兩端及離焊縫較遠處表現為壓應力（其值為負）。為了對比不同方案下焊接殘余應力的分布情況，沿著P3（沿著焊縫方向焊腳的位置）、P4（垂直于焊縫）進行焊接殘余應力的研究，如圖13所示。

圖12 方案一無約束情況下的焊接殘余應力分布

圖13 殘余應力分布觀察路徑示意

圖14 沿著P3路徑殘余應力分布

如圖14所示，在分段焊接時，在各段接頭的位置應力降低，這主要是因為前面焊縫的起弧和收弧的位置受到了后面焊縫的熱處理作用，殘余應力得到了釋放，但其殘余應力峰值要高于方案一單向焊接時的殘余應力，方案一情況下焊接殘余應力的分布比較均勻，各方案下其應力分布均為中間為殘余拉應力，焊縫的起始端和結束端為殘余壓應力。如圖15所示，沿著P4路徑和焊接順序下的殘余應力分布趨勢一致，在焊縫兩側具有較高的殘余拉應力值，最大殘余應力集中分布于角焊縫焊腳的位置，即該處為焊接結構最危險的區(qū)域，隨著距焊縫距離的增加，其殘余拉應力值逐漸減小，腹板在距焊縫38mm及翼板距離焊縫32.7mm的位置，殘余拉應力值降低到0，且隨著距離的增加逐漸轉化為殘余壓應力。

圖15 沿著P4路徑殘余應力分布

3.4 實際生產中焊接變形及應力的控制

針對工程機械產品的焊接結構件，如：裝載機的動臂、前后車架；挖掘機的動臂、斗桿、行走架；正面吊的吊臂、車架；起重機的吊臂等，多為對稱結構或箱型體，結構對稱兩側焊縫布置一致?；趯Σ煌附禹樞蛳耇形接頭焊接變形及應力的計算，在實際結構件的焊接生產時多選擇兩側同方向的分段焊接，往往是先焊一側的一段焊縫后再焊對稱一側的一段焊縫，依次對稱分段焊完兩側焊縫，如果在條件允許的情況下會采取對稱兩側同時同方向的焊接。采取同方向的焊接后，結構件的焊接變形易于控制，避免了焊接方向不同引起的扭曲變形，給矯正帶來困難，嚴重時工件得返修或直接報廢。對于殘余應力的預測，我們更多的是選擇焊后處理的方法降低殘余應力的水平，如利用超聲沖擊對焊縫的焊腳進行處理、振動時效等，通過降低殘余應力的水平可顯著提高焊接接頭的疲勞壽命。

4 結束語

1）不同的焊接順序會造成溫度場不同的分布，在T形接頭兩側采用同時同向未分段焊接及兩側同時由中間向兩頭焊接時，其溫度場分布為單次熱循環(huán)，當采用兩側非同時及兩側同時分段退焊或跳焊焊接時，其溫度場分布會經歷兩次以上的熱循環(huán)。

2）相比較無約束情況下焊接，工件在施加約束焊接時可有效控制焊接變形。在沒有約束情況下焊接時，兩側采用同時同向未分段焊接，兩側同時分段退焊或跳焊焊接及兩側同時由中間向兩頭同時或先后焊接時變形較小，變形量一般在4mm左右；施加約束焊接時，可大大降低焊接變形量，變形量控制在0.8mm范圍內，各方案下變形量差異優(yōu)勢縮小。

3）不同焊接順序下，焊接殘余應力的分布情況不同。兩側同時分段退焊或跳焊焊接及兩側同時由中間向兩頭同時或先后焊接時在分段接頭的位置存在應力值降低的情況，但是沿著焊縫方向焊腳區(qū)域最高殘余應力峰值要高于兩側采用同時同向未分段焊接時。各焊接順序下，最大殘余應力值分布在焊腳區(qū)域，焊縫及熱影響區(qū)分布著較大的殘余拉應力，焊縫兩頭為殘余壓應力，隨著距焊縫距離的增加殘余應力有拉應力向壓應力轉化。