不同焊接順序?qū)形接頭焊接變形及殘余應(yīng)力的影響

趙小康，張海燕，姚正鋒，侯國(guó)清

廣西柳工機(jī)械股份有限公司 廣西柳州 545007

1 序言

焊接接頭在焊接過程中由于受到局部加熱，與焊件其他未施焊部位存在明顯的溫度梯度，由于焊接時(shí)不同區(qū)域溫度場(chǎng)的差異，造成焊件在焊接結(jié)束后存在不同程度的焊接殘余應(yīng)力和焊后變形。焊接應(yīng)力的存在會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的承載能力，影響焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，尤其當(dāng)焊接殘余拉應(yīng)力與焊接缺陷等應(yīng)力集中部位重合時(shí)會(huì)極易產(chǎn)生裂紋，并且焊接殘余應(yīng)力的逐步釋放會(huì)引起焊接結(jié)構(gòu)件尺寸、精度的變化，影響產(chǎn)品使用[1-4]。焊后變形對(duì)結(jié)構(gòu)件之間的裝配帶來困難，焊接變形不僅影響到其本身結(jié)構(gòu)件的使用壽命，而且由于變形帶來的強(qiáng)裝配還會(huì)引起整機(jī)的整體性能，如異響、振動(dòng)、噪聲等。為了消除焊接變形，焊后需要進(jìn)行大量復(fù)雜的矯正工作，嚴(yán)重的會(huì)使焊件報(bào)廢，影響生產(chǎn)效率[5]。

工程機(jī)械中往往面臨的是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接，焊接過程高度非線性，大多依賴于長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)于焊接變形存在不可把控的情況?；谠囼?yàn)，檢測(cè)手段獲得的殘余應(yīng)力未能反映焊接結(jié)構(gòu)整體的殘余應(yīng)力分布。對(duì)于焊接參數(shù)、焊接順序的選擇上，為了提高生產(chǎn)效率，不可能進(jìn)行多種方案的試驗(yàn)，因此在焊接最優(yōu)方案的選擇上存在盲目性。針對(duì)上述情況，本文采取不同的焊接順序?qū)形接頭的焊接過程進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及變形情況，為焊接過程提供最優(yōu)的焊接方案，用于指導(dǎo)實(shí)際焊接過程，提高生產(chǎn)效率和節(jié)約成本。

2 有限元模型建立

2.1 網(wǎng)格模型建立

工程機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)接頭形式大多以T形角接或?qū)訛橹?，?shí)際結(jié)構(gòu)尺寸較大，以圖1T形接頭進(jìn)行簡(jiǎn)化模型，翼板尺寸為（長(zhǎng)×寬×高）800mm×360mm×10mm，腹板尺寸為（長(zhǎng)×寬×高）800mm×150mm×10mm。

為保證計(jì)算精度和提高計(jì)算效率，在溫度梯度變化大的焊縫及熱影響區(qū)采用較密的網(wǎng)格，而遠(yuǎn)離焊縫和熱影響區(qū)的部分采用較粗網(wǎng)格劃分，過渡網(wǎng)格采取4∶2和3∶1的過渡比進(jìn)行劃分，全局均采用六面體的網(wǎng)格劃分，該模型包含109 635個(gè)節(jié)點(diǎn)，88 00個(gè)單元。

圖1 T形接頭網(wǎng)格模型

2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

模擬選用的焊接材料為S355J2G3（類似于Q355），其熱物理參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)隨著溫度的變化而變化，具體變化采用軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)值。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，采用雙橢球移動(dòng)熱源模型進(jìn)行熱源尺寸的設(shè)置，如圖2所示。T形角接接頭的熱源尺寸可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置，但具體的尺寸設(shè)置還需根據(jù)實(shí)際焊縫截面的尺寸進(jìn)行校正。在本文中熱源尺寸設(shè)置為：d=8.2mm；b=7.0mm；af=4.8mm；ar=17.6mm。

圖2 T形接頭雙橢球熱源尺寸示意

本文主要研究不同焊接方向?qū)附咏Y(jié)果的影響，其焊接過程中熱輸入量保持不變，根據(jù)實(shí)際焊接情況，焊接參數(shù)設(shè)置為：焊接電流320A，電弧電壓32V，焊接速度4.5mm/s，熱源效率0.75，凈熱輸入為17.1kJ/cm。

焊接邊界的設(shè)置，模擬計(jì)算時(shí)，焊接初始溫度設(shè)置為20℃，焊接過程中構(gòu)件與周圍環(huán)境通過對(duì)流與輻射進(jìn)行熱交換，將輻射換熱的影響耦合到對(duì)流換熱中。

焊接過程中為了防止焊件產(chǎn)生剛性位移，對(duì)模型施加固定約束，如圖3a所示，其中翼板在圖中所示位置（左右對(duì)稱6個(gè)位置）約束Z方向移動(dòng)，腹板在圖中所示位置（單側(cè)3個(gè)位置）約束X方向的移動(dòng)，約束在焊接結(jié)束后待焊件基本冷卻到室溫后取消（時(shí)長(zhǎng)大約為1500s），重力方向沿著Z軸的負(fù)方向。并且在工件施焊之前，如圖3b所示在左右兩側(cè)對(duì)稱的四個(gè)位置通過局部連接點(diǎn)的方式將腹板與翼板連接，相當(dāng)于實(shí)際焊接前的定位焊。

在模型設(shè)置好以后，通過改變焊接順序進(jìn)行熱-力耦合計(jì)算，比較分析不同焊接順序下，T形接頭焊接殘余應(yīng)力及變形的變化情況。具體焊接順序如圖4所示，圖中①②③④分別表示焊接的先后順序。

圖3 T形接頭模型約束條件設(shè)置

圖4 不同順焊接順序

3 模擬結(jié)果分析

3.1 溫度場(chǎng)分析

焊接傳熱過程以及瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分析是焊接過程應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和殘余應(yīng)力研究的前期。熔化焊接時(shí)，被焊金屬在熱源的作用下將發(fā)生加熱和局部熔化的過程；當(dāng)熱源離開后，熔池金屬開始冷卻凝固，因此在整個(gè)焊接過程中，被焊金屬必然存在著熱量的傳播和分布問題[7]。在本文中，取焊接接頭熔化區(qū)溫度為S355J2G3的固相線溫度1450℃，在計(jì)算結(jié)果顯示焊接過程中接頭區(qū)域各部分的最高溫度分布情況，如圖5所示。圖6以方案一為例顯示焊接至89s時(shí)的焊接區(qū)域的溫度場(chǎng)分布。在圖5中可以看到紅色區(qū)域?yàn)榻宇^熔化區(qū)域，即焊縫，在焊接過程中分別與翼板和腹板形成了有效熔深，在焊縫外溫度逐漸降低，在一定溫度范圍內(nèi)（＞727℃）形成焊接接頭的熱影響區(qū)，從圖中可以看出該區(qū)域?qū)挾葹?.71mm，與實(shí)際結(jié)果大致相符，所以該仿真分析過程可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)該模型的變形及應(yīng)力分布情況。

圖5 焊縫截面形貌

圖6 89s時(shí)的溫度場(chǎng)分布（方案一）

選取T形接頭翼板表面正中心距焊縫兩個(gè)單元網(wǎng)格距離（3.2mm）的點(diǎn)（見圖7），觀察不同焊接順序下的熱循環(huán)曲線，如圖8所示，從圖8a中可以看出，在方案一、三、七中只經(jīng)歷了單次熱循環(huán)。方案一、三都是兩側(cè)同時(shí)單向焊接，只是焊接方向不同而已，其具有完全相同的熱循環(huán)曲線；方案七由于選取點(diǎn)正好在開始焊接的起弧位置，其最高峰值溫度主要是觀測(cè)點(diǎn)同側(cè)前后時(shí)間相隔較小的兩個(gè)起弧雙熱源疊加的結(jié)果；方案二、四都是單側(cè)不同時(shí)單向焊接，只是焊接方向不同而已，二者具有相同的熱循環(huán)曲線，都經(jīng)歷了兩次熱循環(huán)，其最高峰值溫度低于方案一、三，因?yàn)閱未螣嵫h(huán)中，熱源對(duì)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(duì)此處進(jìn)行加熱，雖然在方案二、四中第一次熱循環(huán)對(duì)第二次熱循環(huán)具有預(yù)熱作用，但是觀測(cè)點(diǎn)在第二條施焊焊縫的另一側(cè)，距離相對(duì)較遠(yuǎn)，所以第二次熱循環(huán)的峰值溫度并沒有高于第一次熱循環(huán)。

從圖8b中可以看出，方案五、六、八都在分段焊接情況下，經(jīng)歷了二次熱循環(huán)，具有相同的熱循環(huán)趨勢(shì)，由于第一次熱循環(huán)對(duì)第二次熱循環(huán)具有預(yù)熱作用，所以第二次熱循環(huán)的溫度高于第一次熱循環(huán)；方案九先后經(jīng)歷了三次熱循環(huán)。通過觀察發(fā)現(xiàn)在分段焊接時(shí)熱循環(huán)的峰值溫度要低于單向焊接時(shí)，這是因?yàn)檫x取的觀測(cè)點(diǎn)，在分段焊接時(shí)其正好對(duì)應(yīng)的是起弧或者收弧的位置，由于起弧時(shí)所焊工件整體處于冷卻狀態(tài)，溫度導(dǎo)熱較快，熱循環(huán)峰值溫度較低，方案五、六在收弧和方案八起弧的二次熱循環(huán)由于在一次熱循環(huán)的預(yù)熱作用其峰值溫度高于一次熱循環(huán)，但是這種預(yù)熱作用沒有單向焊接時(shí)對(duì)該點(diǎn)的熱量集中，故熱循環(huán)峰值溫度相對(duì)較低。

圖7 熱循環(huán)曲線觀察選點(diǎn)位置

圖8 不同焊接順序下的熱循環(huán)曲線

3.2 焊接變形分析

在焊接過程中，由于焊接過程熱輸入和熱分布不均均等均會(huì)造成焊件的變形。在不同焊接順序下，整個(gè)焊接工件的熱分布區(qū)域存在不一致性，最終焊接變形的趨勢(shì)不一樣，并且在工件有無約束的情況下，焊件的變形會(huì)存在很大差異。本文中，選取如圖3中的兩條路徑P1、P2觀察不同焊接順序下焊件的變形規(guī)律。首先以方案一為例，對(duì)比有無約束情況下的焊接變形，如圖9所示，工件在無約束的情況下發(fā)生了嚴(yán)重的角變形（放大10倍），沿Z向負(fù)方向最大變形發(fā)生在焊接終了翼板的最邊緣位置，最大變形量為4.42mm；當(dāng)工件在圖3所示的約束下焊接時(shí)，變形量大大減?。ǚ糯?0倍），翼板發(fā)生波浪狀變形。從圖10、圖11可以看出，由于方案一、五、六、七、八采用的是兩側(cè)同時(shí)同方向焊接，各自沿著P1、P2路徑的焊接變形趨勢(shì)及變形量大小一致，方案二采用兩側(cè)同方向不同時(shí)焊接，P2路徑對(duì)應(yīng)的是第二道焊縫一側(cè)，變形趨勢(shì)與P1路徑一樣，但變形量要大于P1路徑；方案三采用兩側(cè)同時(shí)不同方向焊接，其P1、P2路徑的變形趨勢(shì)相反，但變形量大致一樣；方案四采用兩側(cè)不同方向不同時(shí)焊接，其P1、P2路徑的變形趨勢(shì)相反，且沿著P2路徑的變形量要大于P1路徑；方案九情況下P1路徑一側(cè)焊縫先從中間向兩頭同時(shí)焊接，然后P2路徑一側(cè)焊縫從中間向兩頭分先后焊接，其P1、P2路徑的變形趨勢(shì)大致一樣，但沿著P2路徑的變形量要大于P1路徑下。經(jīng)比較，在單向焊接（不采用分段焊接）情況下，方案一和二、三、四比較，兩側(cè)同時(shí)同方向焊接時(shí)，整體焊接變形量最小，在沒有約束的情況下，其沿著P1、P2路徑最大的變形量為4.42mm，而方案二采用兩側(cè)同方向不同時(shí)焊接，變形量達(dá)到最大為10.07mm，方案三和四由于兩側(cè)焊縫焊接時(shí)不同向，焊后工件整體還會(huì)發(fā)生微小的扭轉(zhuǎn)變形；在分段焊接情況下，方案六和五、七、八比較，兩側(cè)同時(shí)同方向分段跳焊時(shí)，整體焊接變形量最小，在沒有約束的情況下，其沿著P1、P2路徑最大的變形量為4.01mm，整體小于單向焊接時(shí)的變形量，方案九雖然采用了由中間向兩頭的分段焊接，但兩側(cè)焊縫并未同時(shí)焊接，其焊后工件的整體變形較大，最大變形量達(dá)到8.42mm。整體比較，在有無約束的情況下焊件沿著P1、P2路徑均發(fā)生Z向負(fù)方向的變形；工件在施加約束焊接時(shí)可有效減小焊接變形（變形量控制在0.8mm范圍內(nèi)），焊后的工件翼板會(huì)出現(xiàn)明顯的波浪狀變形，無論哪種方案焊接，其變形趨勢(shì)一樣，翼板都會(huì)在非約束部位相對(duì)于原工件凸起來，在約束情況下兩側(cè)同方向同時(shí)焊接時(shí)（方案一）和兩側(cè)同時(shí)由中間向兩頭焊接時(shí)（方案七）的變形量最??；在沒有約束情況下焊接時(shí)，兩側(cè)同時(shí)同方向分段焊的焊接變形量要小于單向焊接時(shí)，其中兩側(cè)同時(shí)同方向分段跳焊時(shí)（方案六）變形量最??；并且觀察各種方案下T形工件的焊接變形，最大變形發(fā)生在最后一道或者分段焊接時(shí)最后一段焊縫焊接結(jié)束時(shí)相對(duì)應(yīng)翼板的區(qū)域，即先焊部位的焊接變形小于后焊部分的變形。

圖9 方案一在有無約束情況下的焊接變形

圖10 不同焊接順序下焊件沿P1路徑下的焊接變形

圖11 不同焊接順序下焊件沿P2路徑下的焊接變形

3.3 焊后殘余應(yīng)力分析

在工程機(jī)械行業(yè)，由于工件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和龐大，很難實(shí)際測(cè)量焊接件的焊接殘余應(yīng)力，并且對(duì)于殘余應(yīng)力的測(cè)量需要耗時(shí)耗力，考慮到生產(chǎn)的原因很少專門去檢測(cè)和研究焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，更多的精力會(huì)放在如何控制焊接變形的問題上。因?yàn)閲?yán)重的焊接變形會(huì)立刻影響到整個(gè)生產(chǎn)過程，如帶來的矯正、機(jī)械加工、裝配等困難，特別嚴(yán)重時(shí)將直接報(bào)廢；然而焊接殘余應(yīng)力作為一個(gè)潛伏的危害，它會(huì)在焊接結(jié)構(gòu)件后期使用中影響其疲勞壽命，當(dāng)最大殘余拉應(yīng)力正好在應(yīng)力集中部位時(shí)與工作應(yīng)力疊加很容易誘導(dǎo)裂紋的產(chǎn)生，并且隨著殘余應(yīng)力的釋放會(huì)影響到工件的尺寸穩(wěn)定性[8-9]。所以基于前邊對(duì)焊接變形研究的基礎(chǔ)上，選取焊接變形較小的方案一、五、六、七、八重點(diǎn)研究在約束條件下沿著焊接方向的殘余應(yīng)力，即縱向殘余應(yīng)力。

首先以方案一為例顯示焊接殘余應(yīng)力的分布情況，如圖12所示，從圖中可以看出在焊縫及近焊縫區(qū)的縱向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力（其值為正），并且焊接殘余拉應(yīng)力最大值集中在焊腳，焊根以及腹板焊縫熱影響區(qū)的地方；焊縫的兩端及離焊縫較遠(yuǎn)處表現(xiàn)為壓應(yīng)力（其值為負(fù)）。為了對(duì)比不同方案下焊接殘余應(yīng)力的分布情況，沿著P3（沿著焊縫方向焊腳的位置）、P4（垂直于焊縫）進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的研究，如圖13所示。

圖12 方案一無約束情況下的焊接殘余應(yīng)力分布

圖13 殘余應(yīng)力分布觀察路徑示意

圖14 沿著P3路徑殘余應(yīng)力分布

如圖14所示，在分段焊接時(shí)，在各段接頭的位置應(yīng)力降低，這主要是因?yàn)榍懊婧缚p的起弧和收弧的位置受到了后面焊縫的熱處理作用，殘余應(yīng)力得到了釋放，但其殘余應(yīng)力峰值要高于方案一單向焊接時(shí)的殘余應(yīng)力，方案一情況下焊接殘余應(yīng)力的分布比較均勻，各方案下其應(yīng)力分布均為中間為殘余拉應(yīng)力，焊縫的起始端和結(jié)束端為殘余壓應(yīng)力。如圖15所示，沿著P4路徑和焊接順序下的殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)一致，在焊縫兩側(cè)具有較高的殘余拉應(yīng)力值，最大殘余應(yīng)力集中分布于角焊縫焊腳的位置，即該處為焊接結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的區(qū)域，隨著距焊縫距離的增加，其殘余拉應(yīng)力值逐漸減小，腹板在距焊縫38mm及翼板距離焊縫32.7mm的位置，殘余拉應(yīng)力值降低到0，且隨著距離的增加逐漸轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力。

圖15 沿著P4路徑殘余應(yīng)力分布

3.4 實(shí)際生產(chǎn)中焊接變形及應(yīng)力的控制

針對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品的焊接結(jié)構(gòu)件，如：裝載機(jī)的動(dòng)臂、前后車架；挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗桿、行走架；正面吊的吊臂、車架；起重機(jī)的吊臂等，多為對(duì)稱結(jié)構(gòu)或箱型體，結(jié)構(gòu)對(duì)稱兩側(cè)焊縫布置一致?；趯?duì)不同焊接順序下T形接頭焊接變形及應(yīng)力的計(jì)算，在實(shí)際結(jié)構(gòu)件的焊接生產(chǎn)時(shí)多選擇兩側(cè)同方向的分段焊接，往往是先焊一側(cè)的一段焊縫后再焊對(duì)稱一側(cè)的一段焊縫，依次對(duì)稱分段焊完兩側(cè)焊縫，如果在條件允許的情況下會(huì)采取對(duì)稱兩側(cè)同時(shí)同方向的焊接。采取同方向的焊接后，結(jié)構(gòu)件的焊接變形易于控制，避免了焊接方向不同引起的扭曲變形，給矯正帶來困難，嚴(yán)重時(shí)工件得返修或直接報(bào)廢。對(duì)于殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)，我們更多的是選擇焊后處理的方法降低殘余應(yīng)力的水平，如利用超聲沖擊對(duì)焊縫的焊腳進(jìn)行處理、振動(dòng)時(shí)效等，通過降低殘余應(yīng)力的水平可顯著提高焊接接頭的疲勞壽命。

4 結(jié)束語

1）不同的焊接順序會(huì)造成溫度場(chǎng)不同的分布，在T形接頭兩側(cè)采用同時(shí)同向未分段焊接及兩側(cè)同時(shí)由中間向兩頭焊接時(shí)，其溫度場(chǎng)分布為單次熱循環(huán)，當(dāng)采用兩側(cè)非同時(shí)及兩側(cè)同時(shí)分段退焊或跳焊焊接時(shí)，其溫度場(chǎng)分布會(huì)經(jīng)歷兩次以上的熱循環(huán)。

2）相比較無約束情況下焊接，工件在施加約束焊接時(shí)可有效控制焊接變形。在沒有約束情況下焊接時(shí)，兩側(cè)采用同時(shí)同向未分段焊接，兩側(cè)同時(shí)分段退焊或跳焊焊接及兩側(cè)同時(shí)由中間向兩頭同時(shí)或先后焊接時(shí)變形較小，變形量一般在4mm左右；施加約束焊接時(shí)，可大大降低焊接變形量，變形量控制在0.8mm范圍內(nèi)，各方案下變形量差異優(yōu)勢(shì)縮小。

3）不同焊接順序下，焊接殘余應(yīng)力的分布情況不同。兩側(cè)同時(shí)分段退焊或跳焊焊接及兩側(cè)同時(shí)由中間向兩頭同時(shí)或先后焊接時(shí)在分段接頭的位置存在應(yīng)力值降低的情況，但是沿著焊縫方向焊腳區(qū)域最高殘余應(yīng)力峰值要高于兩側(cè)采用同時(shí)同向未分段焊接時(shí)。各焊接順序下，最大殘余應(yīng)力值分布在焊腳區(qū)域，焊縫及熱影響區(qū)分布著較大的殘余拉應(yīng)力，焊縫兩頭為殘余壓應(yīng)力，隨著距焊縫距離的增加殘余應(yīng)力有拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化。