鋼結(jié)構對接焊縫數(shù)值模擬及參數(shù)分析

胡峰強，錢輝，劉祺

(1.南昌大學工程建設學院，江西 南昌 330031；2.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西 南昌 330031)

鋼結(jié)構焊接在橋梁等領域有著廣泛的運用，但焊接產(chǎn)生的殘余應力和變形會影響結(jié)構的正常使用。目前，有許多學者開展了關于焊接參數(shù)對殘余應力影響的研究：余昌蓮等[1]基于有限元軟件對不同厚度鋼板進行了殘余應力、殘余變形相關分析；王若林等[2]模擬出了鋼箱梁的殘余應力分布情況；王犇[3]從不同路徑對U肋板焊接殘余應力進行了數(shù)值分析；李祖臣等[4]通過有限元軟件建立Q345R鋼板焊接模型，成功模擬出不同坡口形狀的焊接殘余應力場；黃本生等[5]基于SYSWELD軟件對Q345異種鋼進行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)異種鋼焊接溫度場為不對稱分布，其最大殘余應力一般位于焊縫的中部位置；金俊[6]利用ANSYS對5種不同坡口角度下的薄板進行數(shù)值模擬，得到了在不同坡口角度下焊接殘余應力的分布特點；王俊勝等[7]研究了預熱溫度對Q370R鋼板的焊接殘余應力影響;馬勇[8]研究了正交異性鋼橋面板U肋焊接殘余應力的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其殘余應力分布有極強的局部性。以上研究大多是對單一參數(shù)進行分析，而對多參數(shù)優(yōu)化方面的很少。本文建立了Q345鋼板對接焊縫有限元模型，并對對接焊縫的坡口形狀、X型坡口多層焊的焊接順序、焊件厚度、焊接速度以及同一道焊的不同施焊方向等數(shù)值模擬，并進行參數(shù)優(yōu)化分析。

1 焊接數(shù)值模擬

1.1 焊接有限元模型

焊接模型為2塊長200 mm×寬100 mm×高10 mm的Q345鋼板，焊接坡口采用V型帶鈍邊，坡口形式如圖1所示，其中數(shù)字1，2，3表示焊道順序?？紤]結(jié)構的對稱性，對1塊鋼板進行掃掠式網(wǎng)格劃分，并分成遠離焊縫區(qū)、熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)域這3塊區(qū)域，在焊縫和熱影響區(qū)的長度方向劃分2 mm左右的網(wǎng)格，在溫度梯度較小的遠離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格大小劃分為8 mm，中間采用四面體網(wǎng)格過渡，如圖2、圖3。

溫度場的計算單元選用具有8個節(jié)點并且每個節(jié)點上只有一個溫度自由度的六面體單元，應力場計算單元選用與溫度場相對應六面體單元。

圖1 試件坡口尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of groove size of test piece

圖2 整體模型Fig.2 Overall model

圖3 局部詳圖Fig.3 Partial details

1.2 材料有關參數(shù)

Q345鋼材焊接過程中鋼材溫度分布在25～2 400 ℃范圍，其對應參數(shù)見表1。

表1 不同溫度下Q345鋼材熱物理、力學參數(shù)表[9-11]Tab.1 The rmophysical and mechanical parameters of Q345 steel at different temperatures

1.3 焊接熱源模型

不同的焊接方法需選用合適的熱源模型，常見的熱源模型有高斯分布熱源、橢球熱源和雙橢球熱源[12]。本研究采用Goldak提出的雙橢球熱源模型對焊接熱輸入的分布情況進行數(shù)值模擬，前、后半球能量分數(shù)分別為f1=0.6,f2=1.4[13-14]。焊接熱源的移動使用生死單元法進行模擬。

1.4 邊界條件

采用間接法進行熱力耦合計算，焊件受力不影響溫度場的分析。環(huán)境溫度及母材初始溫度設為室溫25 ℃,熱流密度梯度無固定值,對流換熱系數(shù)設為30。焊件的位移邊界條件，在遠離焊縫區(qū)域的一個底角施加沿焊縫方向和厚度方向的固定約束，另外一個底角施加厚度方向固定約束，在對稱面節(jié)點施加正向?qū)ΨQ約束。

2 模擬驗證

為了驗證雙橢球體熱源模型加載模擬焊接殘余應力的適用性，將有限元模擬得到的數(shù)據(jù)同周游[15]的實驗結(jié)果進行驗證。

試驗中縱向殘余應力實測值分別為375，405，22，2 MPa，橫向殘余應力實測值分別為80，247，112，40 MPa，對比如圖4、圖5所示。

s/mm圖4 橫向殘余應力對比Fig.4 Comparison of transverse residual stress

從圖4、圖5中可以看出,有限元和實驗數(shù)據(jù)縱橫向殘余應力的分布規(guī)律大致相同，說明本文使用雙橢球體熱源模型加載模擬焊接殘余應力合理。因此可用此數(shù)值模型來討論不同參數(shù)下鋼板焊接殘余應力的大小及分布。

3 對接焊縫參數(shù)分析

3.1 不同坡口形狀對殘余應力的影響

研究U型坡口、V型坡口、X型坡口3種坡口形狀下的焊接殘余應力的大小及分布。其各自構造如圖6、圖7。

s/mm圖5 縱向殘余應力對比Fig.5 Comparison of longitudinal residual stress

(a) U形坡口

從表2可以看出,X型坡口焊接產(chǎn)生等效殘余應力最小為372 MPa，V型坡口焊接產(chǎn)生的等效殘余應力為427 MPa,U型坡口焊接產(chǎn)生等效殘余應力最大為451 MPa，分別高于屈服強度10.72%，13.07%，23.77%。由此來看使用X型坡口進行焊接可以有效地減少殘余應力的產(chǎn)生。

(a) V型坡口

表2 不同坡口形狀等效殘余應力Tab.2 Equivalent residual stress of different groove shapes

3.2 X型坡口不同焊道順序?qū)堄鄳Φ挠绊?/h3>

以5層焊為例，研究焊接焊道順序?qū)堄鄳Φ拇笮〉挠绊?，圖8為X型坡口5層焊不同焊層順序示意圖。并在焊件表面選取分別為位于焊縫中心處且沿焊縫方向上L1和垂直于焊縫方向上L2進行分析。圖9為路徑布置圖。

(a) 對稱焊

圖9 焊件上表面路徑線Fig.9 Surface path line of weldment

圖10為X型坡口L1路徑分析圖,s表示沿著焊縫的距離，此路徑下橫縱殘余應力都是以焊縫中心對稱分布，在焊縫的兩端縱向殘余應力幾乎不存在，而橫向殘余應力為壓應力。圖11為X型坡口L2路徑分析圖，s表示垂直焊縫的距離，可以看出在離焊縫中心10 mm的位置2種殘余應力都達到最大值，但應力值隨后急速下降，縱向殘余應力在距離焊縫中心20～100 mm處變?yōu)閴簯Γ瑱M向殘余應力在距離焊縫中心100 mm處殘余應力趨近于0。對稱焊與非對稱焊所產(chǎn)生的殘余應力分布大小都相差較小，可見分層焊不同焊道順序?qū)堄鄳Φ拇笮∮绊懖皇呛艽蟆?/p>

s/m(a) 縱向殘余應力

s/m(a) 縱向殘余應力

3.3 基于不同板厚對殘余應力的影響

研究板厚分別為10,14,18 mm的鋼板在焊縫中線處沿焊縫方向的L1、垂直于焊縫方向L22種路徑下焊接殘余應力分布情況。

圖12對比了不同板厚在路徑L1上橫縱殘余應力的大小，可以看出板越厚，焊接產(chǎn)生的縱、橫向殘余應力越少?？梢钥吹疆敯搴裨黾拥?8 mm時，橫向殘余應力由拉應力變成壓應力。圖12(b)中14 mm板厚與18 mm板厚產(chǎn)生的縱向殘余應力大致一樣，說明當板厚達到一定大時，對減少焊接殘余應力的產(chǎn)生影響不大。圖13對比了不同板厚在路徑L2上橫、縱殘余應力的大小?？芍黾影宓暮穸葧菇缚p區(qū)域的殘余應力減少，在離焊縫中心線10 mm左右處縱向殘余應力最大。圖13(b)中垂直于焊縫方向從焊縫中心區(qū)域到焊件端部橫向殘余應力表現(xiàn)為先上升到拉應力峰值后下降到接近于0，且板越厚產(chǎn)生的橫向殘余應力越少。

s/m(a) 橫向殘余應力

s/m(a) 縱向殘余應力

3.4 基于不同焊接速度對殘余應力的影響

為探究焊速對焊件殘余應力的影響，分別選取4，6，8 mm·s-1的焊接速度對Q345鋼板進行焊接模擬，路徑選取沿焊縫方向的路徑L1和垂直于焊縫方向的路徑L2，得到其殘余應力如圖14所示。

s/m(a) 縱向殘余應力

可看出,當焊接速度為4 mm·s-1時產(chǎn)生的橫向、縱向殘余應力都是最大的，焊速增加到6，8 mm·s-1時，焊接殘余應力都有所減少，但焊接橫向殘余應力減少的幅度有所降低，分析原因可能是速度加快熱輸入量減少，殘余應力隨之有所降低。圖15(a)中焊接速度的增加使得縱向殘余應力的峰值離焊縫中心更近。由此可以說明：焊接速度的增加會使得焊縫區(qū)域影響范圍變窄。從圖15(b)看出，橫向殘余應力的峰值位置受焊接速度的影響不大，但離焊縫中心越遠殘余應力越小，且橫向殘余應力會隨著焊速的增加而減少。綜上，為減少焊接所產(chǎn)生殘余應力，可以適當?shù)卦黾雍附訒r的速度。

s/m(a) 縱向殘余應力

3.5 基于不同坡口角度對殘余應力的影響

在坡口角度分別為45°、60°、75°的條件下進行模擬，路徑選取為焊件上表面焊縫中心處沿焊縫方向上，圖16為3種坡口角度的橫、縱殘余應力對比圖。

由圖16可以得出：對于不同的坡口角度而言，焊接縱向殘余應力大體上均隨著坡口角度的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢。且隨坡口角度的增加，其殘余應力的增加幅度變大。這是因為坡口角度越大，所需要的焊縫區(qū)域的填充材料就越多，材料越多熔化產(chǎn)生的熱量就越大，導致殘余應力也相應加大。橫向殘余應力受坡口角度的變化的影響較小。因此在焊接時應盡量選擇較小坡口角度進行焊接。

s/m(a) 縱向殘余應力

3.6 基于不同焊接方向?qū)堄鄳Φ挠绊?/h3>

模擬分中對稱焊、分中段退焊法2種方法下的對接焊，焊縫長度為200 mm，焊件厚度為6 mm，如圖17所示。

(a) 分中對稱焊法

圖18為2種焊接方向殘余應力對比圖，由圖可以看到兩者殘余應力峰值主要分布在焊縫起終點以及中部區(qū)域，這是因為兩者皆是無論從兩端向中間焊或是中間向兩端焊，其焊縫兩端和中部區(qū)域皆是起終點，而起終點的殘余應力較高。分中段退焊的縱、橫向殘余應力峰值比分中對稱焊的縱、橫向殘余應力峰值小，但殘余應力分布情況大體相同。因此可知，分中段退焊相比于分中對稱焊更有利于減少殘余應力的產(chǎn)生。

s/m(a) 縱向殘余應力

4 結(jié)論

本文基于ANSYS有限元軟件，建立了對接焊縫有限元模型，分析了對接焊縫在坡口形狀、X型坡口多層焊的焊接順序、焊接厚度、焊件速度、焊接坡口角度以及焊槍的施焊方向等焊接參數(shù)影響下殘余應力的變化情況。得到以下結(jié)論：

(1) 此焊接有限元模型是可靠的，可以用于鋼結(jié)構焊接溫度場應力場模擬，進行焊接的參數(shù)優(yōu)化分析。

(2) 采用焊縫類型為X型坡口、焊接方向為分中段退焊，并且在一定范圍內(nèi)增加板的厚度、焊接的速度以及減小焊接坡口角度都能夠有效減少焊接殘余應力的產(chǎn)生。