分段退焊對角接接頭焊接殘余應(yīng)力及變形的影響

鄧勇拓 師俊輝 周洋 高林朋

摘要：基于熱-彈塑性有限元理論，以Abaqus軟件為平臺進行角接接頭焊后殘余應(yīng)力及變形的分析，采用分段移動熱源模型并利用Fortran語言開發(fā)熱源子程序，分別采用直通焊和分段退焊兩種方式進行角接接頭焊接溫度場、殘余應(yīng)力及變形的數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明：橫向變形是角接接頭最主要的變形;角接接頭焊接在焊縫端口處的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，而在中間部位的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力;分段退焊對橫向殘余應(yīng)力的減弱作用較為明顯，可以有效降低焊接后的變形及其應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：角接接頭;分段退焊;溫度場;殘余應(yīng)力;變形

中圖分類號：TG404 ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）04-0072-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.14

0 ? ?前言

金屬的強度會隨著溫度的變化而發(fā)生改變，在焊接過程中焊縫及焊縫附近區(qū)域的金屬會隨著溫度的升高發(fā)生變形，由于受到外側(cè)溫度較低區(qū)域金屬的阻礙會產(chǎn)生塑性變形，這正是造成焊件在冷卻后產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力與變形的原因[1]。焊接后焊件內(nèi)部應(yīng)力分布不均以及產(chǎn)生的焊接變形會使焊接部位出現(xiàn)裂紋、斷裂等隱患，降低焊件的承載能力[2]。一般焊件有角變形的部位都有較大的應(yīng)力集中，當(dāng)受到外載荷作用時，這些部位會產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中和附加彎曲應(yīng)力，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致接頭的低應(yīng)力脆性斷裂，造成整個結(jié)構(gòu)的破壞。

在實際生產(chǎn)中，對殘余應(yīng)力和變形的預(yù)測分析和控制是至關(guān)重要的，尤其是在結(jié)構(gòu)受載較大處，需要較為準(zhǔn)確的焊后變形預(yù)測結(jié)果[3-4]。角接接頭在箱體結(jié)構(gòu)等焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多，針對箱體結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力分析對于提高其結(jié)構(gòu)可靠性、制造精度和使用壽命具有重要意義[5]。長期以來，國內(nèi)外許多研究學(xué)者在焊接變形的數(shù)值模擬與變形控制方面做了大量研究，劉國寧等對T形接頭不同焊接順序的焊接溫度場及應(yīng)力場進行了研究[6]，王江超等利用有限元軟件分析了大厚板對接接頭的焊接殘余應(yīng)力分布情況[7]。從目前的研究成果來看，分段退焊可以減小焊后殘余應(yīng)力與變形[8]，但其研究主要集中在對接接頭和T形接頭這兩種典型模型，關(guān)于分段退焊對角接接頭的焊接殘余應(yīng)力與變形的影響研究較少。文中使用Abaqus軟件平臺并編寫Fortran子程序，采用分段移動熱源模型和單元生死法，對角接接頭的焊接進行了有限元模擬，研究了角接接頭的構(gòu)件在焊接時分段退焊對焊接溫度場、應(yīng)力場的影響，對生產(chǎn)中以角接接頭為主的構(gòu)件焊接具有一定的指導(dǎo)意義。

1 模型的建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 有限元模型

利用Creo軟件建立三維幾何模型，尺寸如圖1所示，板厚均為16 mm，焊接坡口角度為40°。文中模型的焊縫深度較深，因此采用多層多道焊接方式，焊縫共四層，在構(gòu)建模型時每層焊縫的橫截面積保持基本相同，焊縫結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。利用Hypermesh軟件進行幾何模型的網(wǎng)格劃分，在焊縫及其周圍區(qū)域網(wǎng)格劃分較為精細(xì)，尺寸較小。通過使用合理的網(wǎng)格過渡方式，在距離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域網(wǎng)格尺寸較大，在保證計算精度的同時可以有效提高計算效率。模型網(wǎng)格劃分完成后共有32 560個單元，38 485個節(jié)點。

1.2 焊接熱源模型

文中采用分段移動熱源模型可以有效降低熱-彈塑性有限元法的計算規(guī)模，在保證計算精度的同時大幅減少計算時間[9]。對分段移動熱源來說，焊縫區(qū)域的段狀材料同時進行能量輸入，但不同時刻的能量輸入與瞬時熱源的縱向分布有關(guān)[10]。由于分段熱源與瞬時熱源能量輸入一致，因此分段移動熱源與瞬時移動熱源在總加熱時間內(nèi)輸入的能量相等[11]。分段熱源模型的定義式為：

式中 qsm為加熱斑點中心最大熱流密度;Qm為有效熱輸入功率;a為熱源模型寬度;b為熱源模型長度。

在溫度場分析計算中，直通焊沿著Z軸正方向依次進行焊接，分段退焊整體焊接方向與直通焊相同，將每一層的焊縫均分為4個大段逐次進行分段退焊。

1.3 材料性能參數(shù)

本研究中焊件整體材料為304不銹鋼，其熔點為1 399～1 455 ℃。圖3為國內(nèi)學(xué)者對304不銹鋼進行的熔化實驗所得到的試樣某一固定點在焊接過程中的溫度變化曲線[12]。由圖3可知，試樣在熱源經(jīng)過時溫度快速升高到達(dá)峰值，熱源離開后溫度逐漸下降。國內(nèi)學(xué)者對304鋼板在620～750 ℃溫度下進行的高溫拉伸試驗所得到的數(shù)據(jù)見表1[13]。由表1可知，在高溫條件下304不銹鋼的強度和塑性均有明顯降低，在620～750 ℃其斷后伸長率呈現(xiàn)出先降后升的特點。

2 溫度場分析

采用熱-彈塑性有限元法進行分析，先進行溫度場的分析，然后將溫度場計算結(jié)果的工程文件以熱載荷的形式加載到應(yīng)力場的計算中，進行焊接應(yīng)力場的分析計算。焊接速度設(shè)置為6 mm/s，每一分析步的時間通過段狀熱源加熱時間公式（2）可得，冷卻時間設(shè)置為1 200 s。

式中 a為焊縫寬度; vm為焊接速度。

為了更好地模擬實際焊接過程，在仿真計算時采用單元生死技術(shù)，使焊接數(shù)值模擬計算結(jié)果更加精確[14]。在焊接分析計算開始前將所有焊縫單元“ 殺死 ”，即利用Python編輯腳本程序在初始分析步時移除焊縫部分的所有單元，在焊接過程中再利用程序代碼依次“ 激活 ”相應(yīng)的焊縫區(qū)域單元，相當(dāng)于模擬實現(xiàn)焊縫的逐步填充過程。在Abaqus中通過調(diào)入Fortran編寫的子程序，將分段移動熱源模型作用于每一個分析步中激活的焊縫單元，實現(xiàn)焊接分析計算過程中熱源的加載。

直通焊和分段退焊在溫度場的溫度分布云圖如圖4所示，圖中均為第二層焊縫某段的溫度分布情況，任選某分析步的結(jié)果作為說明?？梢钥闯?，焊縫區(qū)域網(wǎng)格單元隨著焊接過程進行逐步填充，單元生死技術(shù)成功地實現(xiàn)了焊接時焊材逐步填絲的過程。在焊接過程中，最高溫度一直處于熔池處，中心熱源的熱量逐步向母材四周擴散，并隨著時間逐步降低。隨著熱源的移動，直通焊的等溫線逐步連成一個區(qū)域并趨于穩(wěn)定。但在分段退焊的情況中，由于上一段退焊的余熱并未完全消散，在焊接到分段的端點時溫度消散區(qū)域與直通焊不同，會形成兩個不連續(xù)的類似于“ 8 ”字形的等溫線分布。

3 應(yīng)力場分析

在進行應(yīng)力分析時，將溫度場計算結(jié)果以熱載荷的形式作為初始條件加載到應(yīng)力場的計算中，從而得到應(yīng)力場的計算結(jié)果。直通焊和分段退焊的殘余應(yīng)力沿x軸方向等效分布如圖5所示。由圖5可知，兩種焊接方法的焊縫兩端均存在有一定的壓應(yīng)力。直通焊的整條焊縫區(qū)域都有較大且較為連續(xù)的應(yīng)力分布，分段退焊由于焊接順序發(fā)生改變中間應(yīng)力分布會出現(xiàn)峰值。分段退焊的應(yīng)力峰值與直通焊相比明顯提高，但是整個母材區(qū)域殘余應(yīng)力的均值有所下降，高應(yīng)力區(qū)域較少。

三種不同方向應(yīng)力分布曲線如圖6所示。圖6a為橫向殘余應(yīng)力分布曲線，直通焊在焊縫兩端處的橫向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，焊縫中部基本保持在100 MPa左右。分段退焊在焊縫兩端處的橫向殘余應(yīng)力明顯減弱，但在焊縫中間部位呈現(xiàn)出較大波動。圖6b為縱向殘余應(yīng)力分布曲線，與橫向應(yīng)力分布情況類似，分段退焊與直通焊相比在焊縫中間部位會出現(xiàn)波動。由圖6a、6b可知，分段退焊對橫向殘余應(yīng)力的減弱作用較為明顯。此外，在焊縫兩端為壓應(yīng)力，但幅值相對較小，而焊縫中部的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力。圖6c為沿厚度方向的殘余應(yīng)力分布情況，兩種焊接方式沿厚度方向的殘余應(yīng)力變化均不大，但由于焊接順序的不同，直通焊和分段退的焊縫兩端分別存在大小不同的殘余壓應(yīng)力。

角接接頭焊后變形主要是橫向變形，主要表現(xiàn)為焊件沿焊縫方向兩端變形幅度較大，中間則較小。兩種焊接方式的變形對比如圖7所示，分段退焊在橫向變形上與直通焊相比有明顯減小，直通焊橫向最大變形為8.18 mm，分段退焊為4.04 mm，而在縱向變形的影響上變化不大。因此，分段退焊對于減小焊接變形有明顯的作用。

4 結(jié)論

（1）直通焊在焊接過程中等溫線逐步連成一個呈錐形分布的區(qū)域。分段退焊在低溫區(qū)域的等溫線會形成兩個不連續(xù)的類似于“ 8 ”字形分布。

（2）不同焊接順序的角接接頭焊縫兩個端口處的殘余應(yīng)力均主要為壓應(yīng)力，而在焊縫中部的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力。橫向變形是角接接頭焊接最主要的變形，其縱向變形較小。

（3）分段退焊在焊縫兩端處的橫向殘余應(yīng)力有明顯減弱，可以有效降低焊接后的應(yīng)力及變形，有利于提高焊件結(jié)構(gòu)的使用壽命和精度。

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M R Nezamdost，M R Nekouie Esfahani，S H Hashemi，

收稿日期：2020-09-15;修改日期：2020-12-09

作者簡介：鄧勇拓（1995—），男，在讀碩士，主要從事焊接數(shù)值模擬的研究。E-mail：429135036@qq.com。