廣東工業(yè)大學(xué) 鄭銀湖 宋永勝 鄧 靜

針對(duì)中厚板的多層多道混合氣體保護(hù)焊在焊接過程中焊接順序?qū)附淤|(zhì)量的影響，特別是焊接應(yīng)力導(dǎo)致的焊接形變問題。本文采用simufact.welding焊接仿真軟件對(duì)焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)V型焊縫進(jìn)行建模仿真分析，得出不同焊接順序?qū)附有巫兊挠绊?。?shí)驗(yàn)表明：順序焊接比交叉焊接的最終焊接形變量更小，反向順序最終焊接形變量略小于正向焊接形變量。

隨著工業(yè)焊接自動(dòng)化的發(fā)展，自動(dòng)化焊接技術(shù)在制造業(yè)中發(fā)揮著越來越大的作用，但是由于焊接過程是一個(gè)受熱不均勻的熱循環(huán)過程，焊接過程中冷金屬與熱金屬形變的不一致性導(dǎo)致焊接母材產(chǎn)生焊接應(yīng)力，進(jìn)而影響了焊接構(gòu)件的最終焊接質(zhì)量。焊接結(jié)構(gòu)破壞事故許多是由焊接應(yīng)力和焊接變形所引起的。其中，焊接形變和焊接裂紋是最普遍的現(xiàn)象。本文以中厚板三層六道V型焊縫為研究對(duì)象，運(yùn)用simufact.welding焊接仿真軟件研究不同焊接順序?qū)附有巫兊挠绊?，為?shí)際中厚板多層多道焊接提供了指導(dǎo)意義。

1 焊接模型

利用Solidworks 進(jìn)行焊接三維模型構(gòu)建，包括了兩塊200mm×200mm×10mm的Q235低碳鋼板、六條焊道且鋼板一側(cè)打磨有45°角的坡口。確定好裝配關(guān)系后將焊接三維模型保存為parasolid格式文件，再將該模型導(dǎo)入Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，獲得其有限元模型，生成bdf格式文件后將其導(dǎo)入simufact.welding幾何模型之中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。此外，在simufact.welding軟件中繪制焊接構(gòu)件支撐平臺(tái)，并且對(duì)焊接構(gòu)件施加非完全約束，分別位于鋼板的四個(gè)頂點(diǎn)用于模擬實(shí)際焊接過程中的固定夾具，每個(gè)夾具施加以200N的力，方向垂直于鋼板向下。整體焊接有限元模型如圖1所示，焊道有限元模型如圖2所示。

圖1 整體焊接有限元模型

圖2 焊道有限元模型

2 simufact.welding環(huán)境參數(shù)配置

2.1 熱源模型選擇

常見的焊接熱源模型有高斯熱源模型、橢圓模型和雙橢圓模型。Goldark提出的雙橢球熱源模型由前后兩個(gè)不同的1/4橢圓組成，如圖3所示，雙橢球熱源模型相對(duì)于橢圓模型能夠更好的模擬實(shí)際焊接熱源溫度梯度的變化。且考慮到本研究對(duì)象為具有對(duì)稱性的V型焊縫，采用雙橢球熱源模型能夠進(jìn)行更逼真的數(shù)值模擬分析，獲得結(jié)果與實(shí)際焊接結(jié)果更為接近。

雙橢球熱源模型由前后1/4橢球模型組成，其前半部分熱流密度分布函數(shù)為：

圖3 雙橢球熱源模型

普通電弧焊的熔池的深寬比約為1:1，即d=b。而b通常為熱源斑點(diǎn)半徑，取3.7mm。η為焊接功率，考慮到焊接過程中存在鐵水飛濺情況，實(shí)際焊接效率要略低于焊機(jī)效率，取0.8。U為電弧電壓（V），I為電弧電流（A），焊接總共分為三層共六道，每一層焊接采用不同的電壓電流。底層焊由于鋼板連接處較薄，為防止焊穿，電弧電壓取17V，電弧電流取100A。中間層電弧電壓保持不變，電弧電流取130A。蓋面焊通常為了焊道厚度略高于焊接平面，都會(huì)施以較大功率的熱源，電弧電壓保持不變，電弧電流取159A。

2.2 軟件參數(shù)配置

焊槍和鋼板均采用Q235材質(zhì)，在simufact.welding對(duì)應(yīng)于S235-SPM-sw材料。室溫設(shè)置為20℃，焊接速度為10mm/s。考慮重力作用，且重力加速度設(shè)置為9.80665m/s2，方向向量垂直向下。設(shè)置2個(gè)組件，1個(gè)支撐平臺(tái)，4個(gè)工裝夾具以及6條焊接軌跡，焊槍姿態(tài)垂直于焊接平面向上，求解器類型為Pardiso Parallel Direct Solver。為了能夠準(zhǔn)確獲得冷卻后的鋼板形變結(jié)果，工裝夾具、支撐平臺(tái)作用時(shí)間以及求解器求解時(shí)間都要設(shè)置得足夠大，取2000s。同時(shí)設(shè)置13個(gè)跟蹤點(diǎn)，如圖4所示，跟蹤點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果

本文采用80%二氧化碳和20%氮?dú)饣旌蠚怏w保護(hù)焊對(duì)三層六道焊進(jìn)行焊接仿真，主要研究焊接順序?qū)附有巫兊挠绊?，?3個(gè)追蹤點(diǎn)可以畫出形變量和時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖6可以看出。在方案一中，左鋼板的形變程度小于右鋼板，形變方向向上。且形變量隨著追蹤點(diǎn)與焊縫距離的增加而增加。焊接至第三道焊縫時(shí)，焊接構(gòu)件形變量大幅度增加。即便是在焊接結(jié)束后，即170s，由于鋼板余熱的存在，焊接構(gòu)件仍然會(huì)以緩慢的速度逐漸變形，直至鋼板完全冷卻后趨于穩(wěn)定值。焊件最終最小形變量為0.02mm，最大形變量達(dá)到6.26mm。為三個(gè)方案，如圖5所示。方案一為交叉焊接，方案二為正向順序焊接，方案三為反向順序焊接。每條焊縫的焊接冷卻時(shí)間都為10s，即第一道焊道起止時(shí)間為0至20s，第二道焊道起止時(shí)間為30至50s，第三道焊道起止時(shí)間為60至80s，第四道焊道起止時(shí)間為90至110s，第五道焊道起止時(shí)間為120至140s，第六道焊道起止時(shí)間為150至170s，如圖5所示。

表1 跟蹤點(diǎn)坐標(biāo)

圖4 跟蹤點(diǎn)分布圖

方案一為交叉焊接順序，根據(jù)設(shè)置的

圖5 焊接順序方案

3.1 方案一結(jié)果分析（見圖6）

圖6 方案一仿真結(jié)果

3.2 方案二結(jié)果分析

方案二為正向焊接順序，仿真結(jié)果如圖7所示，左鋼板的形變程度小于右鋼板，且形變量隨著追蹤點(diǎn)與焊縫距離的增加而增加，最后趨于穩(wěn)定，與方案一相對(duì)比，總體變化趨勢(shì)一致。但由于焊接順序的不同，焊件最終形變量最大值為4.86mm，最小形變量為0.02mm，比方案一總體形變量低22.4%。

圖7 方案二仿真結(jié)果

圖8 方案三仿真結(jié)果

3.3 方案三結(jié)果分析

方案三為反向順序焊接，仿真結(jié)果如圖8所示。在170s處，即焊接剛剛結(jié)束，此時(shí)出現(xiàn)了焊接形變的峰值，但是后期由于形變方向以及工裝夾具的作用力，焊件的形變變小，最終趨于穩(wěn)定值。焊件最終形變量最大值為4.7mm，最小值為0.01mm，略優(yōu)于方案二。

結(jié)論：針對(duì)中厚板的多層多道焊接，以三層六道焊為例，焊接順序的不同對(duì)焊件最終形變量具有一定的影響。根據(jù)三種方案的數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，交叉順序焊接的形變量最大，其次為正向順序焊接，反向順序焊接的最終形變量最小。此外，根據(jù)本文方案結(jié)果可以進(jìn)一步推測(cè)，只要恰當(dāng)設(shè)置焊道焊接順序，可以最大限度得利用鋼板自身的反形變量與正向形變量相抵消，從而實(shí)現(xiàn)焊件總體變形量的最小化。相關(guān)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證將在后續(xù)的研究中進(jìn)行開展。