焊接順序?qū)ぷ至汉附幼冃斡绊懙臄?shù)值計算

洪昌霍玉雙孫高超胡慶賢

(1.山東建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212033)

0 前言

隨著我國鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的日漸成熟，工字梁已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)車間、橋梁、高層建筑等領(lǐng)域[1-2]。目前工字梁主要是通過焊條電弧焊、熔化極活性氣體保護(hù)焊、埋弧焊等焊接方法，將構(gòu)成工字梁的翼板(上、下各一塊)和腹板焊接而成。焊接過程中受熱不均勻，使工字梁同其他焊接結(jié)構(gòu)一樣，產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和焊接變形，而對變形的矯正需要增加時間成本和生產(chǎn)成本。

圍繞如何降低焊接殘余應(yīng)力、消除焊接變形等問題，研究人員進(jìn)行了大量的研究工作并取得了豐碩的研究成果。張華[3]研究了焊接過程中采用較大的焊接電流可以實現(xiàn)工字梁厚腹板不開坡口的全熔透焊接，其具有較高的焊接效率且加工成本相對較低。為了有效控制工字梁焊接變形，反變形法已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中[4-6]。近年來，采用數(shù)值模擬方法研究焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場與變形的文獻(xiàn)逐漸增多，通過數(shù)值模擬方法可以獲得焊接過程中應(yīng)力場的演變過程及焊接殘余應(yīng)力場的分布，而且隨著數(shù)值模擬軟件的發(fā)展，數(shù)值模擬結(jié)果與實驗所得結(jié)果的吻合性更好[7-10]。工字梁焊接過程中涉及的焊接電流、焊接速度、焊腳長度及焊趾過渡圓弧等工藝參數(shù)均對焊接應(yīng)力場影響顯著[11]，同時也有研究結(jié)果表明厚板工字梁的焊后殘余應(yīng)力并不影響其承載能力[12]，因而在工字梁的焊接過程中，需要特別注意的是控制焊接變形。

雖然數(shù)值模擬已有廣泛應(yīng)用，但對于不同焊接順序?qū)ぷ至汉附幼冃渭昂负髿堄鄳?yīng)力場影響的研究并不多。文章設(shè)計了4種不同的焊接順序方案，利用SYSWELD軟件計算了不同焊接順序下的焊接應(yīng)力場并進(jìn)行對比分析，確定最佳工藝方案，計算結(jié)果對實際生產(chǎn)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 模型建立

工字梁生產(chǎn)過程中，為提高生產(chǎn)效率，通常采用熱效率較高的埋弧自動焊焊接方法。焊接過程中形成的熔池體積大，焊縫熔深大；同時受焊接速度的影響，焊接過程中的熔池呈現(xiàn)前小后大的形貌。綜合考慮上述因素，數(shù)值計算熱源模型采用雙橢球體分布模式[13-15]，如圖1所示。

圖1 熱源模型及相關(guān)參數(shù)圖

熱源前、后1/4橢球的熱流q分布函數(shù)分別由式(1)、(2)表示為

式中:q1、q2分別為熱源前、后1/4橢球的熱流分布函數(shù)，J/ms；A1、A2分別為前、后 1/4 橢球的x方向半軸長度，mm；B為y方向的半軸長度，mm；C為z方向的半軸長度，mm；f1、f2分別為前、后 1/4橢球能量分配系數(shù)，且f1＋f2＝2；Q為有效熱源功率，W，在Q＝ηUI中，η為熱源效率，%；I為焊接電流，A；U為電弧電壓，V。

描述焊接熱傳導(dǎo)的平衡方程由式(3)表示為

式中:ρ為工件材料密度，g/mm3；Cp為材料的比熱容，J/kg·℃；V為焊接速度，mm/s；T為溫度，℃；λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃；Q(x，y，z)為內(nèi)熱源項，即工件內(nèi)部的熱量分布。

初始條件環(huán)境溫度取值為20℃。邊界條件由式(4)表示為

式中:n為表面的外法線方向；λ′為單位面積上的對流換熱系數(shù)，W/mm2；λ″為單位面積上的輻射換熱系數(shù)，W/mm2；Te為環(huán)境溫度，℃；Ts為表面溫度，℃。

應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系由式(5)[16]表示為

式中:Δσ為應(yīng)力增量；Kp為塑性剛度矩陣；Ke為彈性剛度矩陣；Δε為應(yīng)變增量；Cth為熱剛度矩陣；ΔT為溫度增量。

總應(yīng)變由式(6)[16]表示為

式中:εtl為總應(yīng)變；εe為彈性應(yīng)變；εp為塑性應(yīng)變；εth為熱應(yīng)變。

利用雙橢球體的熱源分布模型對材料為S355J2G3鋼的工字梁焊接應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值計算。工字梁翼板尺寸為150 mm×1 000 mm×6 mm，腹板尺寸為900 mm×1 000 mm×4 mm。采用Visual Mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。圖2(a)為網(wǎng)格劃分示意圖，在工字梁上進(jìn)行不均勻網(wǎng)格劃分。在焊縫區(qū)及近縫區(qū)采用密網(wǎng)格，在工字梁的其他區(qū)域內(nèi)采用擴(kuò)張系數(shù)為定值的粗網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分后的模型共包含183 481個節(jié)點(diǎn)和211 884個單元。工字梁腹板、翼板組成了4條焊縫，如圖2(b)所示，4條焊縫采用不同生產(chǎn)順序設(shè)計4種焊接方案，見表1。

圖2 建模及網(wǎng)格劃分結(jié)果圖

表1 焊接方案設(shè)計表

計算中焊接功率為13 kW，焊接速度為5 mm/s，取焊后1 h的結(jié)果進(jìn)行對比分析。計算中用到的材料物性參數(shù)有:密度ρ為 7 815 g/mm3，比熱容Cp為500 J/kg·℃，熔點(diǎn)Tm為 1 300℃，導(dǎo)熱系數(shù)λ為0.046 W/m·℃，對流換熱系數(shù)λ′為2.5×10-5W/mm2，輻射換熱系數(shù)λ″為2.1×10-4W/mm2，彈性模量E為2.1×105MPa，屈服應(yīng)力σs為390 MPa。

2 結(jié)果與分析

從計算結(jié)果來看，4種方案的焊接變形及殘余應(yīng)力的分布呈現(xiàn)相似的分布形式，不同的是變形值及殘余應(yīng)力值。方案B焊接變形及焊接應(yīng)力場分布云圖如圖3所示。工字梁焊接變形主要發(fā)生在翼板1、2處，翼板出現(xiàn)兩頭翹、中間向著腹板方向凹陷的變形形式。腹板中尚未出現(xiàn)明顯的變形，而殘余應(yīng)力主要集中在焊縫區(qū)及近縫區(qū)。

不同方案下翼板的焊接變形曲線如圖4所示。以翼板外表面(遠(yuǎn)離腹板的表面)中心為原點(diǎn)，沿著焊縫方向為x方向；垂直于焊縫為y方向，方向向上為正。圖4(a)為翼板1的焊接變形曲線，圖4(b)為翼板2的焊接變形曲線。翼板1、2處均產(chǎn)生了彎曲變形，翼板1的變形上凸，而翼板2的則下凹。產(chǎn)生焊接變形最大的位置為600～700 mm，約為總長的60%～70%。

由圖4(a)可知，在翼板1中，不同焊接方案焊接變形大小排序為方案B＜方案D＜方案C＜方案A，變形量分別為0.62、0.92、1.03和0.97 mm。在所有方案中，采用對稱焊工藝的方案B產(chǎn)生的焊后最大變形量最小。在工字梁4條焊縫依次焊接的方案中，方案D的焊后最大變形量最小，即采用對角焊縫先焊的順序方案產(chǎn)生的焊后最大變形量最小。方案A產(chǎn)生的焊后最大變形量最大，即先完成一次翼板與腹板焊縫，再完成另一側(cè)翼板與腹板焊縫的方案產(chǎn)生的焊后最大變形量最大，這與文獻(xiàn)[5] 中的工藝實驗結(jié)論是一致的。由此可初步認(rèn)為方案B為最佳方案。由圖4(b)可見，在翼板2中，方案B的焊后最大變形量為0.621 mm；方案D焊后最大變形量為1.05 mm，約為方案B的1.7倍；方案A和C的焊后最大變形量分別為1.18和1.22 mm，約為方案B的2倍。方案B中翼板1、2產(chǎn)生的焊后最大變形量一樣，而其他焊接方案在翼板1與翼板2上產(chǎn)生的焊后最大變形量差距相對較大。綜合2塊翼板的變形來看，方案B是最佳焊接方案。

圖3 焊接變形及焊接應(yīng)力場計算云圖

圖4 不同焊接方案縱向焊接變形圖

不同方案下翼板中心對稱面處的縱向殘余應(yīng)力(沿焊縫方向)分布圖如圖5所示。焊后殘余應(yīng)力曲線呈現(xiàn)鮮明的馬鞍形特征，主要以殘余拉應(yīng)力為主，其值為150～200 MPa，最大殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)在距離工字梁兩端100～120 mm處，在接近工字梁端面處出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力。圖5(a)為翼板1的縱向殘余應(yīng)力分布曲線，在0～50 mm及950～1 000 mm范圍內(nèi)應(yīng)力為殘余壓應(yīng)力，而在50～950 mm范圍內(nèi)為殘余拉應(yīng)力，即殘余壓應(yīng)力只產(chǎn)生在端部5%長度范圍內(nèi)。殘余拉應(yīng)力峰值產(chǎn)生在5% ～15%長度范圍內(nèi)，在2個殘余拉應(yīng)力峰值之間的區(qū)域，應(yīng)力分布較為平穩(wěn)，且方案B產(chǎn)生的焊后應(yīng)力峰值最大，方案D產(chǎn)生的焊后應(yīng)力峰值最小，二者相差約為30 MPa。但由于殘余應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，會大大降低結(jié)構(gòu)的承載能力，無論采用何種方案，均需焊后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理工藝，而殘余拉應(yīng)力的分布范圍的計算結(jié)果也為制定消應(yīng)力熱處理工藝提供重要的理論依據(jù)。圖5(b)為翼板2的縱向殘余應(yīng)力分布圖，翼板2與1具有相同的應(yīng)力分布規(guī)律，即無論采用何種方案，殘余壓應(yīng)力產(chǎn)生在0～5%長度范圍內(nèi)，其余區(qū)域為殘余拉應(yīng)力，殘余拉應(yīng)力峰值產(chǎn)生在5%～15%長度范圍內(nèi)。方案B的焊接殘余拉應(yīng)力峰值最大，方案C的焊接殘余拉應(yīng)力峰值最小，二者相差約為25 MPa。綜合考慮焊后變形的分析結(jié)果，雖然方案B產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力最大，但不同焊接方案之間的應(yīng)力差值不大，且都遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力值，依然可以認(rèn)為方案B為最佳焊接方案，而方案D為僅次于方案B的焊接方案。工字梁焊接生產(chǎn)過程中，如果生產(chǎn)條件不能滿足腹板兩側(cè)焊縫同時焊接時，可以選擇方案D的焊接順序進(jìn)行生產(chǎn)。

圖5 不同方案下翼板的中心對稱面的縱向殘余應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

通過利用SYSWELD軟件對工字梁焊后1 h應(yīng)力場的計算分析，得到以下結(jié)論:

(1)不同的焊接順序?qū)附幼冃渭昂负髿堄鄳?yīng)力分布的影響沒有太大的差異，焊接變形主要發(fā)生在翼板，焊接變形最大的位置發(fā)生在翼板600～700 mm位置處，腹板未出現(xiàn)明顯的焊接變形。焊后殘余應(yīng)力主要集中在焊縫區(qū)及近縫區(qū)。

(2)對不同的焊接順序產(chǎn)生的最大焊接變形量、最大殘余應(yīng)力進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明:采用對稱焊焊接方案最佳，該方案最大焊接變形量為0.62 mm，僅為其他方案的一半。無論何種方案，焊后都存在大范圍的殘余拉應(yīng)力，而殘余拉應(yīng)力的存在都會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力，均需要進(jìn)行焊后消應(yīng)力處理，計算結(jié)果很好地為制定消應(yīng)力處理提供理論依據(jù)。采用對稱焊焊接方案是最佳方案。