焊接方向?qū)型接頭焊接變形的影響

馬慶飛 ，李志芳 ，陳輝 ，楊小坡

（1.徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司，江蘇徐州221004；2.徐工集團(tuán)工程機(jī)械有限公司科技分公司，江蘇徐州221004）

1 引言

T型接頭是將互相垂直的被連接件用角焊縫連接起來的接頭，能承受各種方向的力和力矩，它是一種常用的焊接接頭，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)，在航空航天、石油化工、車輛和農(nóng)業(yè)設(shè)備、港口起重機(jī)械和森工機(jī)械、船舶、橋梁、壓力容器和管道的支撐結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)用廣泛。焊接過程中存在不均勻的加熱和冷卻，導(dǎo)致焊接完成后產(chǎn)生殘余焊接變形。焊接變形不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的美觀和裝配性能，同時(shí)會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[1-2]。通過優(yōu)化焊接順序，在不增加制造成本的情況下，降低焊接變形。本文以T型接頭為例，采用有限元的方法，模擬不同焊接工藝產(chǎn)生的焊接變形。

2 有限元模型

幾何模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示，網(wǎng)格劃分是為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率，焊縫及其附近網(wǎng)格劃分細(xì)小，原理焊縫的位置網(wǎng)格較為粗大，網(wǎng)格劃分完成后共有54250單元，64404個(gè)節(jié)點(diǎn)。幾何模型長度為500mm，高度為200mm，寬度為150mm。文中采用熱彈塑性有限元方法分析了T型接頭的焊接變形。在熱彈塑性有限元分析中，采用單向耦合的方式進(jìn)行計(jì)算，即先進(jìn)行溫度場的計(jì)算，然后將溫度場的計(jì)算結(jié)果以熱載荷形式加載到應(yīng)力計(jì)算模型中進(jìn)行應(yīng)力求解，在計(jì)算溫度場和應(yīng)力分布時(shí)，考慮了材料的熱物理性能和力學(xué)性能隨溫度變化的特性，同時(shí)假定焊縫金屬與母材具備相同的熱物理性能和力學(xué)性能。

圖1 網(wǎng)格劃分

3 方案結(jié)果分析及討論

數(shù)值模擬過程中，把底板完全約束住，只考察立板的變形情況，計(jì)算共分為四種方案，方案1：一道焊縫焊接完畢，焊接順序標(biāo)注在圖2中。方案2：焊縫分兩段焊接，從兩端向中間焊接，焊接順序標(biāo)注在圖4中。方案3：焊縫分為兩段焊接，采用分段退焊的焊接順序，標(biāo)注在圖6中。

3.1 方案1

焊接順序如圖2所示，從圖2可以看出，整條焊縫采用一次焊接完成的焊接順序，位移云圖如圖3所示，由于考察立板的變形，焊接完成后顯示X方向的位移云圖（即圖中箭頭所示方向），從圖3看以看出：立板在焊接結(jié)束位置的變形量為4.053mm，明顯大于焊接起始點(diǎn)的位移量2.769mm。對(duì)于T型接頭，焊接完成后由于焊縫的收縮產(chǎn)生角變形，而底板完全約束，所以立板產(chǎn)生了明顯的X方向的位移。角變形的產(chǎn)生主要是由于焊縫的橫向收縮引起，橫向收縮沿焊縫長度方向的分布不均勻，隨著焊接的進(jìn)行，橫向收縮逐漸增大，增大到一定程度趨于穩(wěn)定，即先焊焊縫的橫向收縮對(duì)后焊焊縫產(chǎn)生擠壓作用，使得后者的橫向收縮增大，因此橫向收縮沿焊縫長度方向逐漸增大并趨于穩(wěn)定[3]。從仿真的位移云圖上可以看出，焊接結(jié)束點(diǎn)位置，立板產(chǎn)生的位移量明顯大于焊接起始點(diǎn)立板的位移量。

圖2 方案1焊接順序

圖3 方案1位移云圖

3.2 方案2

方案2的焊接順序如圖4所示，采用從兩端向中間焊接的焊接順序。垂直立板方向的位移云圖如圖5所示。從位移云圖可以看出：立板最大位移量在第二道焊縫結(jié)束點(diǎn)位置附近。第一道焊縫起弧點(diǎn)位置位移量最小。由于先焊焊縫對(duì)后焊焊縫有橫向的收縮力，所以后焊焊縫產(chǎn)生的位移量大于先焊焊縫產(chǎn)生的位移量。最大的位移量出現(xiàn)在第二道焊縫結(jié)束位置附近。但最大位移量未出現(xiàn)在第一道焊縫與第二道焊縫交點(diǎn)位置，可能由于焊接預(yù)熱的作用，當(dāng)?shù)诙篮缚p基本結(jié)束時(shí)，第一道焊縫的熱已經(jīng)傳導(dǎo)一定距離，對(duì)第二道焊縫有一定的預(yù)熱作用，減小了第二道立板的變形量，所以立板的最大位移量未出現(xiàn)在第一道焊縫和第二道焊縫交點(diǎn)位置。

圖4 方案2焊接順序

圖5 方案2位移云圖

3.3 方案3

方案3焊接順序標(biāo)注于圖6中，采用分段退焊的焊接順序，第二道焊縫的結(jié)束點(diǎn)與第一道焊縫的起始點(diǎn)相接。位移云圖如圖7所示，從位移云圖可以看出，最小位移出現(xiàn)在第二道焊縫開始點(diǎn)位置，其值為3.162，最大位移量出現(xiàn)在距離第二道焊縫結(jié)束點(diǎn)180mm的位置，其值為3.367mm，比較最大和最小位移量，差別較小。這主要是因?yàn)椋附娱_始點(diǎn)位置產(chǎn)生的橫向收縮較小，同時(shí)第二道焊縫結(jié)束點(diǎn)與第一道焊縫開始點(diǎn)相交，所以產(chǎn)生的變形比較均勻。

圖6 方案3焊接順序

圖7 方案3焊接順序

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法，分析了不同焊接順序產(chǎn)生的焊接變形，可以得出以下結(jié)論：①采用有限元的方法，驗(yàn)證了沿焊縫方向，橫向收縮逐漸變大，并趨于穩(wěn)定。②對(duì)于T型接頭，中間部位的剛性大于端部的剛性。③分段焊接產(chǎn)生變形量小于一道焊縫焊接產(chǎn)生的變形量，而分段退焊時(shí)的變形趨勢最為均勻且最小。