焊接順序?qū)型接頭殘余應(yīng)力場的影響

（三一重工股份有限公司，湖南長沙410100）

0 前言

疲勞斷裂是焊接結(jié)構(gòu)失效的一種主要形式，大量統(tǒng)計資料表明，由于疲勞而失效的焊接結(jié)構(gòu)約占失效結(jié)構(gòu)的90%。焊接結(jié)構(gòu)的斷裂或破壞多發(fā)生在焊接殘余應(yīng)力最大處，焊接接頭的抗疲勞性能關(guān)系著焊接結(jié)構(gòu)的安全，因此改善和提高焊接接頭的疲勞性能具有潛在的經(jīng)濟和社會效益[1]。而焊接殘余應(yīng)力在焊接過程中幾乎無法避免且危害很大，盡量消除殘余應(yīng)力的不利影響對于提高結(jié)構(gòu)件的使用壽命具有重要意義。

焊接殘余應(yīng)力的復雜性導致難以通過試驗、檢測等手段獲得殘余應(yīng)力分布規(guī)律，精度難以保證。在計算機高速發(fā)展的今天，大多采用數(shù)值模擬方法[2]。因此結(jié)合公司存在的實際問題，以箱體結(jié)構(gòu)為研究對象，利用Simufact welding專用焊接軟件優(yōu)化工藝設(shè)計，提出合理的施焊方案，控制殘余應(yīng)力以滿足結(jié)構(gòu)的使用要求。

1 有限元模型建立

1.1 模型建立

工程機械的部分焊接結(jié)構(gòu)件為典型的箱體結(jié)構(gòu)，由頂?shù)装?、兩?cè)板和焊縫組成，實際結(jié)構(gòu)尺寸較大，取實際結(jié)構(gòu)的一部分建立簡化模型，底板和側(cè)板尺寸為150 mm×450 mm×8 mm，如圖1所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

為提高計算效率并保證計算精度，在溫度梯度較大的焊縫及熱影響區(qū)劃分網(wǎng)格較密，而遠離焊縫和熱影響區(qū)的區(qū)域網(wǎng)格較粗，本網(wǎng)格有限元模型采用六面體和四面體混合網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果為9 090個節(jié)點，5 800個單元。

圖1 簡化模型

1.3 材料特性

模擬選用材料為16MnCr5，其熱物理參數(shù)和力學性能參數(shù)隨著溫度的變化而變化，如圖2所示。

1.4 熱源模型和工藝參數(shù)選取

由文獻[3]可知，對于氣體保護焊，采用雙橢球熱源模型計算精度較高，因此選用雙橢球移動熱源。為便于對比分析模擬結(jié)果，采用不同的焊接順序，熱輸入量保持不變，相關(guān)參數(shù)根據(jù)實際生產(chǎn)中的焊接工藝參數(shù)確定。模擬選擇的電流290A，電壓31V，熱效率0.85。

1.5 邊界條件

進行溫度場分析時，室溫設(shè)為20℃。焊接過程中構(gòu)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。

圖2 16MnCr5的物理參數(shù)

分析應(yīng)力場時，為防止焊件產(chǎn)生剛體位移，在對稱面上施加位移邊界條件，如圖3所示，其中在底邊約束平動自由度，側(cè)板約束所有方向的自由度。

2 模擬結(jié)果分析

為了研究焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的影響，對比5種焊接方案，如圖4所示。其中 1，2，3，4，5表示焊接順序，箭頭表示焊接方向。

圖3 約束邊界條件

圖4 5種焊接方案

2.1 溫度場分析

溫度場的數(shù)值模擬是應(yīng)力應(yīng)變場數(shù)值模擬的前提和基礎(chǔ)，同時溫度場分布對于應(yīng)力應(yīng)變場的分布規(guī)律有極大影響。在底板表面中心距焊縫20 mm處取一點，在5種不同焊接順序下的熱循環(huán)曲線如圖5所示。

由于在距焊縫20 mm處取點，熱源不直接加熱此處，而是通過熱傳導加熱，由圖5可知，5種焊接方案的溫度場分布可分兩種類型：方案1、2、5只經(jīng)歷單次熱循環(huán)，峰值溫度較高；方案3、4經(jīng)歷兩次熱循環(huán)，峰值溫度較低。這是因為單次熱循環(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，第一次熱循環(huán)對第二次熱循環(huán)進行預熱，所以第二次熱循環(huán)的峰值溫度高于第一次熱循環(huán)。

圖5 溫度場分布云圖集及變化曲線

2.2 應(yīng)力場結(jié)果和分析

在焊接過程中模型的應(yīng)力場分布情況基本一致，因此僅以方案1為例進行介紹。

焊縫冷卻500 s后，殘余應(yīng)力分布云圖如圖6所示。由圖6可知，沿焊接方向，在焊縫起弧端和收弧端存在部分殘余壓應(yīng)力，焊縫及熱影響區(qū)焊接殘余應(yīng)力最大，且沿平行于焊接方向的焊接殘余應(yīng)力較大，其他方向應(yīng)力較小。因此重點研究沿焊接方向的殘余應(yīng)力，即縱向殘余應(yīng)力。

圖6 應(yīng)力場分布云圖集及變化曲線

為研究焊件在不同焊接順序下不同位置的應(yīng)力場分布規(guī)律，沿垂直于焊縫方向在底板和側(cè)板上距焊縫中心處 0、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm各取6個節(jié)點。根據(jù)模擬結(jié)果得到焊后殘余應(yīng)力分布曲線如圖7所示。

由圖7可知，最大殘余應(yīng)力處于兩側(cè)角焊縫焊趾部位，即該處為焊接結(jié)構(gòu)最危險區(qū)域，隨著距焊縫距離的增加，其殘余拉應(yīng)力逐漸減小，在距離焊縫22 mm處，殘余拉應(yīng)力變?yōu)?，且隨著距離的逐漸增加，其殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。

焊接順序不僅影響殘余應(yīng)力的大小，而且還對殘余應(yīng)力的分布有較大影響。殘余拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在第2焊接方案，第4方案殘余拉應(yīng)力最小，即從中間往兩邊退焊法殘余拉應(yīng)力最小。這是因為在自由約束條件下，不同焊接順序的焊接溫度場分布存在一定的差異。由圖7可知，兩次熱循環(huán)可降低單次循環(huán)的峰值溫度，有效降低焊接殘余應(yīng)力，焊接方向不同，其降低殘余應(yīng)力的效果也不同。方案4先焊兩端再焊中間，中間焊縫在焊接過程中受到的約束大于方案3先焊中間后焊兩端，因此相對于方案3，方案4殘余應(yīng)力較大。綜上所述，對于長直焊縫，采用方案3即先焊中間后焊兩端可有效降低焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。

圖7 不同焊接順序在不同點應(yīng)力分布曲線

3 結(jié)論

（1）焊接順序不同，溫度場分布類型不同，對于同一直焊縫，同種方向焊接，其溫度場分布為單次熱循環(huán)，不同方向焊接，其溫度分布為兩次熱循環(huán)。

（2）焊接順序不僅影響殘余應(yīng)力的大小，而且還對殘余應(yīng)力的分布有較大影響，相對于單次熱循環(huán)，兩次熱循環(huán)峰值溫度較低，其殘余應(yīng)力較小。

（3）相對于先焊兩端后焊中間，先焊中間后焊兩端約束較小，殘余應(yīng)力較小。

[1]周張義，李芾.焊接殘余應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能研究的影響[J].機車電傳動，2009（2）：24-29.

[2]宮大猛，雷毅.數(shù)值模擬在焊接中的應(yīng)用分析[J].電焊機，2012，42（6）：58-62.

[3]陳家權(quán)，肖順湖，楊新彥，等.焊接過程數(shù)值模擬熱源模型的研究進展[J].裝備制造技術(shù)，2005（3）：10-14.