论文部分内容阅读
[摘要]：本文利用simufact welding专用焊接软件，模拟了5种不同焊接顺序对T型焊缝残余应力及变形的影响，并得到了最优的焊接顺序。结果表明：残余应力和变形具有相反的变化趋势，先焊两端后焊中间分段焊法既可有效控制T型接头的残余应力，又可控制其变形量。
[关键词]：T型接头 有限元模拟 焊接顺序 残余应力 焊接变形
引言
焊接结构一个很明显的特点是有较大的焊接应力和变形。焊接应力和变形不但可能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，而且在一定条件下将影响结构的承载能力，如强度，刚度和受压稳定性。除此以外还将影响到结构的加工精度和尺寸稳定性。因此，在设计和制造时充分考虑焊接应力和变形这一特点是十分重要的[1][2]。采取合理焊接工艺控制焊接残余应力和变形，对于提高结构件使用寿命具有重要的意义。
焊缝残余应力和变形的复杂性使得以通过试验、检测等手段获得残余应力分布规律变得很困难，精度难以保证。在计算机高速发展的今天，大多采用数值模拟的方法[3]。因此本文以泵车臂架和支腿结构为研究对象，利用simufact welding专用焊接软件优化工艺设计，提出合理的施焊方案，使变形和残余应力得到控制，以满足结构的使用要求。
1.有限元模型建立
1.1 模型建立
泵车臂架和支腿为典型的箱体结构，由顶底板、两侧板和焊缝组成，一般实际结构尺寸较大，为了方便计算，取实际结构的一部分建立简化模型（尺寸：底板和侧板尺寸为150×450×8mm），如图1所示。
1.2 网格划分
为提高计算效率并保证计算精度，在温度梯度较大的焊缝及热影响区网格划分较密，而远离焊缝和热影响区的区域网格较粗，本网格有限元模型采用六面体和四面体混合网格，网格划分结果为9090个节点，5800个单元，有限元划分结果如图1所示。
1.3 材料特性
由于泵车臂架和支腿均为高强钢焊接结构，本次模拟选用16MnCr5作为高强钢材料，其热物理参数和力学性能参数随着温度变化而变化，如下表1所示。
1.4 热源模型和工艺参数选取
根据相关文献知[4]，对于混合气体保护焊，采用双椭球热源模型计算精度较高，因此本文选用双椭球移动热源。
为便于对比分析模拟结果，不同焊接顺序，热输入量保持不变，相关参数的设定是根据生产实际中焊接工艺参数（焊接速度为0.35m/min，电流240-300A，电压为25-31V）确定。本次模拟选择的电流为290A，电压为31V，热效率为0.85。
1.5 边界条件
进行温度场分析时，设室温为20℃。焊接过程中构件与周围环境通过对流与辐射进行热交换，将辐射换热的影响耦合到对流换热中。
进行应力场分析时，为防止焊件产生刚体位移，按照图2所示在对称面上施加位移边界条件，其中在底边约束平动自由度，侧板约束所有方向的自由度。
2.焊接应力和变形模拟结果分析
本文为了研究焊接顺序对残余应力和变形的影响，选取5种不同焊接顺序的焊接方案来进行对比，如图3所示。其中的1，2，3，4表示完成一条焊缝的焊接顺序，箭头表示焊接方向。
2.1 T型接头温度场、应力应变场分布云图及变化曲线
在焊接过程中模型的应力和应变场的分布情况基本上一致，因此下面仅以方案1为例进行介绍，为研究焊接过程中焊件在不同位置焊接温度场、应力和变形变化规律，沿垂直于焊缝方向距焊缝中心距离为0、20mm、40mm、60mm、80mm、100mm取6个节点。根据模拟结果得到，焊后温度场、残余应力和变形量分布云图及分布曲线如图4、5、6所示：
由图4知，峰值温度主要分布于焊缝区域，各节点位置温度随着热源的移动不断升高并达到峰值2707℃，然后随着热源的离开，温度逐渐降低，加热时升温较快，冷却时则较为缓慢，其原因是热源接近时，熔池周围温度迅速达到焊丝熔点，虽然随着热源的离开，节点的温度逐渐降低，但是其仍受到焊件热传导的作用。
由图5知，最大残余应力主要分布在焊缝及热影响区，在0-18s，焊缝及热影响区20mm区域内，主要表现为残余拉应力；随着热源的接近，约在55s时，即焊缝温度达到最高时，焊缝及热影响区20mm区域内残余拉应力转变为压应力；随着热源的离开，其又转变为残余拉应力，而20mm以外区域转变为残余压应力。其原因是在热源到达焊接位置时，焊缝由于受热膨胀受到母材的刚性约束，产生较大的残余压应力，而远离焊缝及热影响区，受到较大残余拉应力，而未焊的焊缝区域，同样也约束焊接区域膨胀，即此时产生残余拉应力。随着热源的离开，焊缝区域发生收缩，产生较大的残余拉应力，而远离焊缝位置表现为残余压应力。
由图6知，变形量最大分布在焊件边缘，随着离焊缝位置距离增加，其焊接变形量逐渐增加，其原因是由于随着离焊缝距离增加，其所受约束越来越小，即残余应力由于约束减小致变形变大。
2.2 焊接顺序对焊接残余应力和变形的影响
图7为5种焊接顺序T型接头残余应力和变形图，由图知，焊件顺序不仅影响焊接残余应力，而且还影响焊接变形，残余应力最大出现在方案4，为556.14MPa，而最小出现在方案5，为461.01MPa；方案1变形量最大为2.44mm，方案3、方案4变形量最小为1.93mm。
综合模拟结果知，焊接应力和变形具有相反的变化趋势，这是因为在自由约束条件下，不同焊接顺序焊接温度场分布的差异性，造成不同的焊接残余应力和变形，焊接应力通过变形得到释放，因此较大变形的工件拥有较小的残余应力。
综合考虑，方案5焊接顺序为最佳，即先焊两端后焊中间，既可有效控制残余应力，又可控制焊接变形，这是由于后焊部分可抵消先焊部分产生的压缩塑形变形，即可抵消先焊部分的残余应力和变形。
3.结论
1）距离焊缝中心不同的点， 焊接热循环曲线不同。离焊缝越近的点，加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越大。
2）焊缝及热影响区上任一点的温度变化与应力的演变是一一对应的，当焊接热源到达焊缝位置时，近焊缝区表现为残余压应力，远离焊缝时，逐渐转变为残余拉应力。
3）焊接应力和变形具有相反的变化趋势，对于长直焊缝，先焊两端后焊中间焊接顺序，即可有效控制焊接残余应力，又可控制焊接变形。
参考文献：
[1] 田锡唐. 焊接结构.北京：机械工业出版社，1981.1-61
[2] 拉达伊著. 焊接热效应·温度场、残余应力、变形，熊第京等译.北京：机械工业出版社， 1997.1-87
[3] 宫大猛，雷毅. 数值模拟在焊接中的应用分析[J].电焊机， 2012，6（42），58-62.
[4] 陈家权， 肖顺湖， 杨新彦， 等. 焊接过程数值模拟热源模型的研究进展[J].装备制造技术，2005，3：10-14.
[关键词]：T型接头 有限元模拟 焊接顺序 残余应力 焊接变形
引言
焊接结构一个很明显的特点是有较大的焊接应力和变形。焊接应力和变形不但可能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，而且在一定条件下将影响结构的承载能力，如强度，刚度和受压稳定性。除此以外还将影响到结构的加工精度和尺寸稳定性。因此，在设计和制造时充分考虑焊接应力和变形这一特点是十分重要的[1][2]。采取合理焊接工艺控制焊接残余应力和变形，对于提高结构件使用寿命具有重要的意义。
焊缝残余应力和变形的复杂性使得以通过试验、检测等手段获得残余应力分布规律变得很困难，精度难以保证。在计算机高速发展的今天，大多采用数值模拟的方法[3]。因此本文以泵车臂架和支腿结构为研究对象，利用simufact welding专用焊接软件优化工艺设计，提出合理的施焊方案，使变形和残余应力得到控制，以满足结构的使用要求。
1.有限元模型建立
1.1 模型建立
泵车臂架和支腿为典型的箱体结构，由顶底板、两侧板和焊缝组成，一般实际结构尺寸较大，为了方便计算，取实际结构的一部分建立简化模型（尺寸：底板和侧板尺寸为150×450×8mm），如图1所示。
1.2 网格划分
为提高计算效率并保证计算精度，在温度梯度较大的焊缝及热影响区网格划分较密，而远离焊缝和热影响区的区域网格较粗，本网格有限元模型采用六面体和四面体混合网格，网格划分结果为9090个节点，5800个单元，有限元划分结果如图1所示。
1.3 材料特性
由于泵车臂架和支腿均为高强钢焊接结构，本次模拟选用16MnCr5作为高强钢材料，其热物理参数和力学性能参数随着温度变化而变化，如下表1所示。
1.4 热源模型和工艺参数选取
根据相关文献知[4]，对于混合气体保护焊，采用双椭球热源模型计算精度较高，因此本文选用双椭球移动热源。
为便于对比分析模拟结果，不同焊接顺序，热输入量保持不变，相关参数的设定是根据生产实际中焊接工艺参数（焊接速度为0.35m/min，电流240-300A，电压为25-31V）确定。本次模拟选择的电流为290A，电压为31V，热效率为0.85。
1.5 边界条件
进行温度场分析时，设室温为20℃。焊接过程中构件与周围环境通过对流与辐射进行热交换，将辐射换热的影响耦合到对流换热中。
进行应力场分析时，为防止焊件产生刚体位移，按照图2所示在对称面上施加位移边界条件，其中在底边约束平动自由度，侧板约束所有方向的自由度。
2.焊接应力和变形模拟结果分析
本文为了研究焊接顺序对残余应力和变形的影响，选取5种不同焊接顺序的焊接方案来进行对比，如图3所示。其中的1，2，3，4表示完成一条焊缝的焊接顺序，箭头表示焊接方向。
2.1 T型接头温度场、应力应变场分布云图及变化曲线
在焊接过程中模型的应力和应变场的分布情况基本上一致，因此下面仅以方案1为例进行介绍，为研究焊接过程中焊件在不同位置焊接温度场、应力和变形变化规律，沿垂直于焊缝方向距焊缝中心距离为0、20mm、40mm、60mm、80mm、100mm取6个节点。根据模拟结果得到，焊后温度场、残余应力和变形量分布云图及分布曲线如图4、5、6所示：
由图4知，峰值温度主要分布于焊缝区域，各节点位置温度随着热源的移动不断升高并达到峰值2707℃，然后随着热源的离开，温度逐渐降低，加热时升温较快，冷却时则较为缓慢，其原因是热源接近时，熔池周围温度迅速达到焊丝熔点，虽然随着热源的离开，节点的温度逐渐降低，但是其仍受到焊件热传导的作用。
由图5知，最大残余应力主要分布在焊缝及热影响区，在0-18s，焊缝及热影响区20mm区域内，主要表现为残余拉应力；随着热源的接近，约在55s时，即焊缝温度达到最高时，焊缝及热影响区20mm区域内残余拉应力转变为压应力；随着热源的离开，其又转变为残余拉应力，而20mm以外区域转变为残余压应力。其原因是在热源到达焊接位置时，焊缝由于受热膨胀受到母材的刚性约束，产生较大的残余压应力，而远离焊缝及热影响区，受到较大残余拉应力，而未焊的焊缝区域，同样也约束焊接区域膨胀，即此时产生残余拉应力。随着热源的离开，焊缝区域发生收缩，产生较大的残余拉应力，而远离焊缝位置表现为残余压应力。
由图6知，变形量最大分布在焊件边缘，随着离焊缝位置距离增加，其焊接变形量逐渐增加，其原因是由于随着离焊缝距离增加，其所受约束越来越小，即残余应力由于约束减小致变形变大。
2.2 焊接顺序对焊接残余应力和变形的影响
图7为5种焊接顺序T型接头残余应力和变形图，由图知，焊件顺序不仅影响焊接残余应力，而且还影响焊接变形，残余应力最大出现在方案4，为556.14MPa，而最小出现在方案5，为461.01MPa；方案1变形量最大为2.44mm，方案3、方案4变形量最小为1.93mm。
综合模拟结果知，焊接应力和变形具有相反的变化趋势，这是因为在自由约束条件下，不同焊接顺序焊接温度场分布的差异性，造成不同的焊接残余应力和变形，焊接应力通过变形得到释放，因此较大变形的工件拥有较小的残余应力。
综合考虑，方案5焊接顺序为最佳，即先焊两端后焊中间，既可有效控制残余应力，又可控制焊接变形，这是由于后焊部分可抵消先焊部分产生的压缩塑形变形，即可抵消先焊部分的残余应力和变形。
3.结论
1）距离焊缝中心不同的点， 焊接热循环曲线不同。离焊缝越近的点，加热速度越大，峰值温度越高，冷却速度也越大。
2）焊缝及热影响区上任一点的温度变化与应力的演变是一一对应的，当焊接热源到达焊缝位置时，近焊缝区表现为残余压应力，远离焊缝时，逐渐转变为残余拉应力。
3）焊接应力和变形具有相反的变化趋势，对于长直焊缝，先焊两端后焊中间焊接顺序，即可有效控制焊接残余应力，又可控制焊接变形。
参考文献：
[1] 田锡唐. 焊接结构.北京：机械工业出版社，1981.1-61
[2] 拉达伊著. 焊接热效应·温度场、残余应力、变形，熊第京等译.北京：机械工业出版社， 1997.1-87
[3] 宫大猛，雷毅. 数值模拟在焊接中的应用分析[J].电焊机， 2012，6（42），58-62.
[4] 陈家权， 肖顺湖， 杨新彦， 等. 焊接过程数值模拟热源模型的研究进展[J].装备制造技术，2005，3：10-14.