不同點固焊形式對焊接變形和殘余應(yīng)力的影響

房元斌，王 勇，張立平，王 燦，占小紅

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇徐州221004；2.徐州徐工礦山機械有限公司，江蘇徐州221004；3.南京航空航天大學(xué)，江蘇南京211106）

不同點固焊形式對焊接變形和殘余應(yīng)力的影響

房元斌1，王 勇2，張立平1，王 燦1，占小紅3

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇徐州221004；2.徐州徐工礦山機械有限公司，江蘇徐州221004；3.南京航空航天大學(xué)，江蘇南京211106）

借助有限元分析手段對不同點固焊形式的對接焊焊接過程進行模擬，經(jīng)分析得到焊接變形和應(yīng)力分布情況，采用實驗手段驗證試驗結(jié)果。結(jié)果表明，點固焊位置相同，長度越長，獲得的變形量越?。黄?、收弧的兩端面點固焊變形在起、收弧兩側(cè)翹起，焊縫位置點固焊翹起的位置發(fā)生在與焊縫位置平行的兩側(cè)自由端；點固焊長度越長，仿真和實測結(jié)果的殘余應(yīng)力分布波動性越大；在起、收弧兩端面點固焊獲得的殘余應(yīng)力峰值最??；起、收弧兩端面點固焊、點固焊2處殘余應(yīng)力值均降低，點固焊3處殘余應(yīng)力值增大。證明了有限元模型的正確性和有效性。

點固焊形式；焊接變形；殘余應(yīng)力；實驗手段

0 前言

焊接質(zhì)量的好壞直接影響后續(xù)機加工余量、裝配精度、產(chǎn)品性能及其使用壽命。如何提升焊接質(zhì)量，有效控制焊接變形和殘余應(yīng)力，成為目前工程應(yīng)用亟需解決的難題[1-4]。采用反變形、校平等手段控制焊接變形；采用機械法、振動時效、自然時效、熱處理、超聲沖擊等手段，控制焊接殘余應(yīng)力[5-9]，這些處理方法更多的是從焊后變形和殘余應(yīng)力考慮。焊接順序優(yōu)化和工藝參數(shù)優(yōu)化研究已十分成熟，但是焊前點固焊的影響研究較少。雖然點固焊點固的區(qū)域相對較小，但其位置和長度都會影響到焊接變形和殘余應(yīng)力分布。

目前焊接數(shù)值模擬一般不考慮點固焊對焊接變形和殘余應(yīng)力影響，有如下幾個方面原因：點固焊長度較小，對整個模型的剛度矩陣而言影響較??；計算大型結(jié)構(gòu)件或者復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的整體焊接變形時，點固焊對整體變形影響較小；非線性有限元計算，考慮該因素影響，會對計算能力提出很高的要求，因而權(quán)衡利弊，忽略該因素的影響。但是，在關(guān)鍵零部件或者關(guān)鍵位置處精確分析時，需要考慮盡量多的影響因素[10-11]，以保證有限元模型的準(zhǔn)確性，同時分析得出其影響程度，能夠為優(yōu)化計算和現(xiàn)場生產(chǎn)提供參考。

本研究通過分析現(xiàn)場生產(chǎn)中不同點固焊形式，利用焊接數(shù)值模擬手段，在一定假設(shè)條件下，制定模擬點固焊方法不同、長度不同以及位置不同的點固焊形式，與實驗測量的焊接變形和殘余應(yīng)力結(jié)果進行對比和驗證。

1 建立有限元模型

1.1 焊接工藝參數(shù)

試件平板尺寸350 mm×100 mm×10 mm，兩層滿焊。試件材料為Q460，采用CO2氣體保護焊，ER50-6實心焊絲，鋼板開60°坡口，1 mm鈍邊，焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 Q460焊接工藝參數(shù)Tab.1Process parameters welding of Q460

由于盲孔法應(yīng)力測量點間距的局限性，采用XRD衍射法測量，試件幾何模型及實測點位置見圖1。

圖1 幾何模型及殘余應(yīng)力測試點位置Fig.1Geometry model and locations of measurements for residual stress

1.2 材料參數(shù)的建立

材料的熱物理及力學(xué)參數(shù)均隨溫度而變化，材料參數(shù)變化會影響焊接模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。模擬采用材料為Q460，隨溫度變化的部分物性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)如圖2所示。

圖2 Q460熱-力參量與溫度的關(guān)系Fig.2Relationship between thermo-mechanical parameters and temperature of Q460

1.3 網(wǎng)格模型的建立

為保證應(yīng)力場求解精度，在模型網(wǎng)格劃分過程中，焊縫位置單元尺寸1 mm，采用過渡網(wǎng)格，單元總數(shù)182 528，節(jié)點數(shù)207 695，如圖3所示。

圖3 有限元模型Fig.3FE model

不考慮點固焊對結(jié)果的影響，有限元模型采用平板對接的網(wǎng)格模型；若考慮起收弧兩端面點固焊對結(jié)果的影響，有限元模型在兩端點固焊位置施加接觸，網(wǎng)格模型采用與不考慮點固焊相同的網(wǎng)格模型；考慮不同位置的點固焊模型，在距離起收弧位置20 mm模擬兩處點固焊情況，在中間位置再增加一道焊模擬三處點固焊情況；考慮不同長度的點固焊模型，上述模型改變點固焊焊道長度分別設(shè)置為10 mm、20 mm。

1.4 熱源模型

建立恰當(dāng)反映CO2焊接的熱源模型。雙橢球熱源充分考慮了焊接過程中熱源前端溫度陡變，后端溫度變化慢的特點。

前、后橢球的熱分布函數(shù)分別

式中f1、f2為熱流密度分布系數(shù)；Q為輸入熱源功率；v為焊接速度；a1、a2、b、c為定義橢球形狀的參數(shù)，a1、a2分別表示前、后半部橢球的長度，c影響熔寬，b影響熔深。

通過下料、焊接、線切割、打磨等手段獲得試驗熱源宏觀形貌，并分別測量其焊高、熔寬、熔深和熱影響區(qū)。通過與試驗所得熱影響區(qū)和熔合區(qū)比較，調(diào)整得到熱源參數(shù)分別為a1=7 mm、a2=17.5 mm、b=8.4 mm、c=6.2 mm。熱源宏觀形貌如圖4所示。

圖4 熱源宏觀形貌Fig.4Heat resource

2 接觸與邊界條件理論

2.1 接觸算法

鋼結(jié)構(gòu)件的焊接，實際接觸施加無穿透接觸。接觸算法一般定義為直接約束法，不需要增加界面單元，也不涉及復(fù)雜的接觸條件變化。在不增加系統(tǒng)自由度數(shù)，依據(jù)增加系統(tǒng)矩陣帶寬來應(yīng)對接觸關(guān)系的變化，解決無法預(yù)知接觸發(fā)生區(qū)的接觸問題。

實際工程中自由焊接問題一般計算力學(xué)邊界條件和實際存在物體間的相互作用，因而需要定義模擬接觸面之間的摩擦行為。而焊接過程是否接觸需要定義接觸算法。

從某一時間增量步t到t+Δt，若超過接觸容限發(fā)生穿透，將自動細(xì)分該增量步，使細(xì)分后每一個新增量步均不發(fā)生穿透接觸。細(xì)分準(zhǔn)則[12]為

式中Δtnew為新增量步時間；Δtoriginal為發(fā)生穿透的時間間隔；d為接觸表面增量位移；D為穿透表面與接觸表面間的距離。

2.2 接觸定義

在本研究模型接觸分析中，點固焊模型采用兩種處理方法：定義短焊縫焊接和施加粘合接觸。前者因?qū)嶋H焊接過程中焊縫長度過長、焊料填充過多等因素，處理為短焊縫；后者從點固焊只起到一定連接作用分析，將其簡化為連接位置的粘合效果。粘合效果通過接觸體之間施加很大的分隔力和無相對滑動速度，把兩部分粘接在一起。在此分別對兩種處理方法進行模擬對比分析。

2.3 力學(xué)邊界條件

力學(xué)邊界條件采用位移約束，對于平板焊接，如果在平板與焊接平臺相接觸的平面采用三點位移約束[13]，雖然避免了有限元模型發(fā)生剛體位移而不收斂問題，但局部約束過大，造成溫度場和應(yīng)力場局部分布與實際有差別。

本研究力學(xué)邊界條件包括位移約束和彈簧約束兩部分。寬度方向在中截面下表面選擇兩個節(jié)點位置，用來限制x向位移，不影響模型縱向收縮變形；設(shè)置焊縫背面沿焊縫長度方向節(jié)點來限制z向位移，不影響模型的橫向收縮。為避免由于設(shè)置單方向位移約束而造成拘束不足和雙方向位移約束而造成拘束過大，在工件焊縫背面中心選擇單元表面設(shè)置y向彈簧約束。

3 焊接結(jié)果分析和驗證

3.1 模擬點固焊方法不同對變形結(jié)果影響

平板對接變形通常表現(xiàn)為兩自由端沿著厚度方向z軸方向翹起（見圖1），故焊后變形云圖選取正對焊縫蓋面方向——xy平面z方向變形量進行分析（單位：mm）。通過對比圖5c與圖5d、圖5e與圖5f、圖5g與圖5h、圖5i與圖5j四組焊后變形云圖，發(fā)現(xiàn)采用接觸算法，最大變形量均小于采用短焊縫的變形量。采用接觸算法，施焊前點固焊位置剛度增加，相應(yīng)整個系統(tǒng)的變形受到拘束而減小。采用短焊縫焊接，相當(dāng)于焊前預(yù)先拘束作用，但是以熱輸入的方式施加，相對于接觸算法程度減弱。

對比圖5a不考慮點固焊，變形梯度與采用短焊縫的變形梯度相符合，而采用接觸算法，變形梯度明顯較疏，這與溫度場分布有關(guān)。系統(tǒng)只有熱輸入，而不考慮接觸拘束作用，溫度場過渡相對平滑；施加拘束，會使系統(tǒng)在點固焊位置附近溫度場分布發(fā)生改變，從而影響整個溫度場分布，變形云圖也會

與溫度場保持一致。

圖5 焊后變形云圖Fig.5Contour of welding deformation

3.2 點固焊長度不同對變形結(jié)果影響

比較圖5c與圖5e、圖5d與圖5f、圖5g與圖5i、圖5h與圖5j四組焊后變形云圖，發(fā)現(xiàn)無論采用接觸算法，還是短焊縫處理方法，對應(yīng)位置點固焊長度越大，獲得的變形量越小。采用接觸算法，對應(yīng)位置施加接觸點越長，對整個系統(tǒng)的剛度越大，變形量相應(yīng)越小。采用短焊縫處理方法，點固焊越長，系統(tǒng)拘束度越大，變形量相應(yīng)越小。

3.3 點固焊位置不同對變形結(jié)果影響

由圖5可知，與焊縫位置處點固焊相比，起、收弧的兩端面點固焊變形云圖在起、收弧兩側(cè)翹起，焊縫位置點固焊翹起的位置發(fā)生在與焊縫位置平行的兩側(cè)自由端。焊縫位置的點固焊增加了焊縫中心的剛度，在連接作用下焊縫中心變形小，變形通過兩側(cè)自由端釋放拘束作用，相對于收弧位置，焊接起弧位置先冷卻，焊接變形小，因此兩者交互作用下，呈現(xiàn)近似中心對稱的焊后變形云圖；而起、收弧位置兩端點固焊同樣受到兩端拘束和起弧先冷卻作用，呈現(xiàn)垂直焊接方向中心板對稱的變形云圖。

3.4 模擬點固焊方法不同對殘余應(yīng)力分布影響

通過設(shè)計5組試驗，分別驗證不同點固焊模型殘余應(yīng)力分布，如圖6所示。由圖6可知，不考慮點固焊結(jié)果與實測點殘余應(yīng)力分布有一定差距。

對比實測結(jié)果與仿真結(jié)果，實測結(jié)果更接近采用接觸算法的仿真結(jié)果，不考慮點固焊仿真結(jié)果與實測結(jié)果誤差較大。點固焊一定程度上影響殘余應(yīng)力分布，在大型結(jié)構(gòu)件分析中可以不考慮點固焊，但小模型計算中，因需要確定殘余應(yīng)力峰值等因素，很有必要考慮點固焊對殘余應(yīng)力分布的影響。

3.5 點固焊長度不同對殘余應(yīng)力分布影響

通過圖6d、圖6e可以看出，與不考慮點固焊相比，點固焊2處10 mm和20 mm對殘余應(yīng)力分布影響很小，幾乎可忽略不計。通過圖6b、圖6c可以看出，點固焊3處10 mm和20 mm對殘余應(yīng)力分布影響較大，殘余應(yīng)力峰值和峰值分布的位置均發(fā)生改變。從點固焊長度來看，點固焊長度越長，仿真和實測結(jié)果殘余應(yīng)力分布波動性越大。

3.6 點固焊位置不同對殘余應(yīng)力分布影響

通過圖6a、圖6b與圖6d，圖6a、圖6c與圖6e可以看出，在起、收弧兩端面點固焊獲得的殘余應(yīng)力峰值最小。在離起始點175 mm的位置，殘余應(yīng)力均出現(xiàn)一定的波動，起、收弧兩端面和點固焊位置殘余應(yīng)力值均降低，這與殘余應(yīng)力分布的理論相一致[14]，而點固焊3處因該位置處點固焊影響，殘余應(yīng)力值增大。

4 結(jié)論

（1）采用接觸算法，最大變形量均小于采用短焊縫的變形量。與不考慮點固焊對比，變形梯度與采用短焊縫的變形梯度相符合，而采用接觸算法，變形梯度明顯較疏。

（2）無論采用接觸算法，還是短焊縫處理方法，

對應(yīng)位置點固焊長度越長，獲得的變形量越小。

圖6 不同點固焊模型殘余應(yīng)力分布Fig.6Residual stress distribution of different welding model

（3）與焊縫位置處點固焊相比，起、收弧的兩端面點固焊變形在起、收弧兩側(cè)翹起，焊縫位置點固焊翹起的位置發(fā)生在與焊縫位置平行的兩側(cè)自由端。

（4）采用接觸算法的仿真結(jié)果更加接近實測結(jié)果。對比實測結(jié)果與仿真結(jié)果可知，不考慮點固焊仿真結(jié)果與實測結(jié)果誤差較大。

（5）從點固焊長度來看，點固焊長度越長，仿真與實測結(jié)果殘余應(yīng)力分布波動性越大。

（6）在起、收弧兩端面點固焊獲得的殘余應(yīng)力峰值最小。起、收弧兩端面點固焊、點固焊2處殘余應(yīng)力值均降低，點固焊3處殘余應(yīng)力值增大。

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Influence of different tack welding form on welding deformation and residual stress

FANG Yuanbin1，WANG Yong2，ZHANG Liping1，WANG Can1，ZHAN Xiaohong3
（1.Jiangsu Xuzhou Engineering Machinery Research Institute，Xuzhou 221004，China；2.XCMG Xuzhou Mining Machinery Co.Ltd.，Xuzhou 221004，China；3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

By means of finite element analysis,the deformation and stress distribution of butt-welding in different tack welding forms are obtained.The experimental results are verified.The results show that the length of tack welding in the same position is longer，deformation is correspondingly smaller.Welding deformation that tack welding is defined in arc building and extinction is upturned on both sides of arc building and extinction.Both sides of free edges that tack welding is defined in weld seam are upturned parallel with weld seam.Tack welding length is longer，while volatility of residual stress distribution is bigger.Residual stress peak that tack welding is defined in arc building and extinction is minimum.Residual stresses in the position of tack welding and that of arc building and extinction are decreased.Residual stress value of three tack welding positions increases.It proves the validity and effectiveness of the finite element model.

tack welding；welding deformation；residual stress distribution；experimental method

TG404

A

1001－2303（2016）09－0092-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.21

2016-05-24

江蘇省自然科學(xué)基金項目（BK20140229）

房元斌（1985—），男，山東威海人，工程師，碩士，主要從事焊接數(shù)值模擬仿真及焊接工藝技術(shù)研究。