不同点固焊形式对焊接变形和残余应力的影响

房元斌，王 勇，张立平，王 灿，占小红

（1.江苏徐州工程机械研究院，江苏徐州221004；2.徐州徐工矿山机械有限公司，江苏徐州221004；3.南京航空航天大学，江苏南京211106）

不同点固焊形式对焊接变形和残余应力的影响

房元斌1，王 勇2，张立平1，王 灿1，占小红3

（1.江苏徐州工程机械研究院，江苏徐州221004；2.徐州徐工矿山机械有限公司，江苏徐州221004；3.南京航空航天大学，江苏南京211106）

借助有限元分析手段对不同点固焊形式的对接焊焊接过程进行模拟，经分析得到焊接变形和应力分布情况，采用实验手段验证试验结果。结果表明，点固焊位置相同，长度越长，获得的变形量越小；起、收弧的两端面点固焊变形在起、收弧两侧翘起，焊缝位置点固焊翘起的位置发生在与焊缝位置平行的两侧自由端；点固焊长度越长，仿真和实测结果的残余应力分布波动性越大；在起、收弧两端面点固焊获得的残余应力峰值最小；起、收弧两端面点固焊、点固焊2处残余应力值均降低，点固焊3处残余应力值增大。证明了有限元模型的正确性和有效性。

点固焊形式；焊接变形；残余应力；实验手段

0 前言

焊接质量的好坏直接影响后续机加工余量、装配精度、产品性能及其使用寿命。如何提升焊接质量，有效控制焊接变形和残余应力，成为目前工程应用亟需解决的难题[1-4]。采用反变形、校平等手段控制焊接变形；采用机械法、振动时效、自然时效、热处理、超声冲击等手段，控制焊接残余应力[5-9]，这些处理方法更多的是从焊后变形和残余应力考虑。焊接顺序优化和工艺参数优化研究已十分成熟，但是焊前点固焊的影响研究较少。虽然点固焊点固的区域相对较小，但其位置和长度都会影响到焊接变形和残余应力分布。

目前焊接数值模拟一般不考虑点固焊对焊接变形和残余应力影响，有如下几个方面原因：点固焊长度较小，对整个模型的刚度矩阵而言影响较小；计算大型结构件或者复杂结构件的整体焊接变形时，点固焊对整体变形影响较小；非线性有限元计算，考虑该因素影响，会对计算能力提出很高的要求，因而权衡利弊，忽略该因素的影响。但是，在关键零部件或者关键位置处精确分析时，需要考虑尽量多的影响因素[10-11]，以保证有限元模型的准确性，同时分析得出其影响程度，能够为优化计算和现场生产提供参考。

本研究通过分析现场生产中不同点固焊形式，利用焊接数值模拟手段，在一定假设条件下，制定模拟点固焊方法不同、长度不同以及位置不同的点固焊形式，与实验测量的焊接变形和残余应力结果进行对比和验证。

1 建立有限元模型

1.1 焊接工艺参数

试件平板尺寸350 mm×100 mm×10 mm，两层满焊。试件材料为Q460，采用CO2气体保护焊，ER50-6实心焊丝，钢板开60°坡口，1 mm钝边，焊接工艺参数如表1所示。

表1 Q460焊接工艺参数Tab.1Process parameters welding of Q460

由于盲孔法应力测量点间距的局限性，采用XRD衍射法测量，试件几何模型及实测点位置见图1。

图1 几何模型及残余应力测试点位置Fig.1Geometry model and locations of measurements for residual stress

1.2 材料参数的建立

材料的热物理及力学参数均随温度而变化，材料参数变化会影响焊接模拟结果的准确性。模拟采用材料为Q460，随温度变化的部分物性参数和力学参数如图2所示。

图2 Q460热-力参量与温度的关系Fig.2Relationship between thermo-mechanical parameters and temperature of Q460

1.3 网格模型的建立

为保证应力场求解精度，在模型网格划分过程中，焊缝位置单元尺寸1 mm，采用过渡网格，单元总数182 528，节点数207 695，如图3所示。

图3 有限元模型Fig.3FE model

不考虑点固焊对结果的影响，有限元模型采用平板对接的网格模型；若考虑起收弧两端面点固焊对结果的影响，有限元模型在两端点固焊位置施加接触，网格模型采用与不考虑点固焊相同的网格模型；考虑不同位置的点固焊模型，在距离起收弧位置20 mm模拟两处点固焊情况，在中间位置再增加一道焊模拟三处点固焊情况；考虑不同长度的点固焊模型，上述模型改变点固焊焊道长度分别设置为10 mm、20 mm。

1.4 热源模型

建立恰当反映CO2焊接的热源模型。双椭球热源充分考虑了焊接过程中热源前端温度陡变，后端温度变化慢的特点。

前、后椭球的热分布函数分别

式中f1、f2为热流密度分布系数；Q为输入热源功率；v为焊接速度；a1、a2、b、c为定义椭球形状的参数，a1、a2分别表示前、后半部椭球的长度，c影响熔宽，b影响熔深。

通过下料、焊接、线切割、打磨等手段获得试验热源宏观形貌，并分别测量其焊高、熔宽、熔深和热影响区。通过与试验所得热影响区和熔合区比较，调整得到热源参数分别为a1=7 mm、a2=17.5 mm、b=8.4 mm、c=6.2 mm。热源宏观形貌如图4所示。

图4 热源宏观形貌Fig.4Heat resource

2 接触与边界条件理论

2.1 接触算法

钢结构件的焊接，实际接触施加无穿透接触。接触算法一般定义为直接约束法，不需要增加界面单元，也不涉及复杂的接触条件变化。在不增加系统自由度数，依据增加系统矩阵带宽来应对接触关系的变化，解决无法预知接触发生区的接触问题。

实际工程中自由焊接问题一般计算力学边界条件和实际存在物体间的相互作用，因而需要定义模拟接触面之间的摩擦行为。而焊接过程是否接触需要定义接触算法。

从某一时间增量步t到t+Δt，若超过接触容限发生穿透，将自动细分该增量步，使细分后每一个新增量步均不发生穿透接触。细分准则[12]为

式中Δtnew为新增量步时间；Δtoriginal为发生穿透的时间间隔；d为接触表面增量位移；D为穿透表面与接触表面间的距离。

2.2 接触定义

在本研究模型接触分析中，点固焊模型采用两种处理方法：定义短焊缝焊接和施加粘合接触。前者因实际焊接过程中焊缝长度过长、焊料填充过多等因素，处理为短焊缝；后者从点固焊只起到一定连接作用分析，将其简化为连接位置的粘合效果。粘合效果通过接触体之间施加很大的分隔力和无相对滑动速度，把两部分粘接在一起。在此分别对两种处理方法进行模拟对比分析。

2.3 力学边界条件

力学边界条件采用位移约束，对于平板焊接，如果在平板与焊接平台相接触的平面采用三点位移约束[13]，虽然避免了有限元模型发生刚体位移而不收敛问题，但局部约束过大，造成温度场和应力场局部分布与实际有差别。

本研究力学边界条件包括位移约束和弹簧约束两部分。宽度方向在中截面下表面选择两个节点位置，用来限制x向位移，不影响模型纵向收缩变形；设置焊缝背面沿焊缝长度方向节点来限制z向位移，不影响模型的横向收缩。为避免由于设置单方向位移约束而造成拘束不足和双方向位移约束而造成拘束过大，在工件焊缝背面中心选择单元表面设置y向弹簧约束。

3 焊接结果分析和验证

3.1 模拟点固焊方法不同对变形结果影响

平板对接变形通常表现为两自由端沿着厚度方向z轴方向翘起（见图1），故焊后变形云图选取正对焊缝盖面方向——xy平面z方向变形量进行分析（单位：mm）。通过对比图5c与图5d、图5e与图5f、图5g与图5h、图5i与图5j四组焊后变形云图，发现采用接触算法，最大变形量均小于采用短焊缝的变形量。采用接触算法，施焊前点固焊位置刚度增加，相应整个系统的变形受到拘束而减小。采用短焊缝焊接，相当于焊前预先拘束作用，但是以热输入的方式施加，相对于接触算法程度减弱。

对比图5a不考虑点固焊，变形梯度与采用短焊缝的变形梯度相符合，而采用接触算法，变形梯度明显较疏，这与温度场分布有关。系统只有热输入，而不考虑接触拘束作用，温度场过渡相对平滑；施加拘束，会使系统在点固焊位置附近温度场分布发生改变，从而影响整个温度场分布，变形云图也会

与温度场保持一致。

图5 焊后变形云图Fig.5Contour of welding deformation

3.2 点固焊长度不同对变形结果影响

比较图5c与图5e、图5d与图5f、图5g与图5i、图5h与图5j四组焊后变形云图，发现无论采用接触算法，还是短焊缝处理方法，对应位置点固焊长度越大，获得的变形量越小。采用接触算法，对应位置施加接触点越长，对整个系统的刚度越大，变形量相应越小。采用短焊缝处理方法，点固焊越长，系统拘束度越大，变形量相应越小。

3.3 点固焊位置不同对变形结果影响

由图5可知，与焊缝位置处点固焊相比，起、收弧的两端面点固焊变形云图在起、收弧两侧翘起，焊缝位置点固焊翘起的位置发生在与焊缝位置平行的两侧自由端。焊缝位置的点固焊增加了焊缝中心的刚度，在连接作用下焊缝中心变形小，变形通过两侧自由端释放拘束作用，相对于收弧位置，焊接起弧位置先冷却，焊接变形小，因此两者交互作用下，呈现近似中心对称的焊后变形云图；而起、收弧位置两端点固焊同样受到两端拘束和起弧先冷却作用，呈现垂直焊接方向中心板对称的变形云图。

3.4 模拟点固焊方法不同对残余应力分布影响

通过设计5组试验，分别验证不同点固焊模型残余应力分布，如图6所示。由图6可知，不考虑点固焊结果与实测点残余应力分布有一定差距。

对比实测结果与仿真结果，实测结果更接近采用接触算法的仿真结果，不考虑点固焊仿真结果与实测结果误差较大。点固焊一定程度上影响残余应力分布，在大型结构件分析中可以不考虑点固焊，但小模型计算中，因需要确定残余应力峰值等因素，很有必要考虑点固焊对残余应力分布的影响。

3.5 点固焊长度不同对残余应力分布影响

通过图6d、图6e可以看出，与不考虑点固焊相比，点固焊2处10 mm和20 mm对残余应力分布影响很小，几乎可忽略不计。通过图6b、图6c可以看出，点固焊3处10 mm和20 mm对残余应力分布影响较大，残余应力峰值和峰值分布的位置均发生改变。从点固焊长度来看，点固焊长度越长，仿真和实测结果残余应力分布波动性越大。

3.6 点固焊位置不同对残余应力分布影响

通过图6a、图6b与图6d，图6a、图6c与图6e可以看出，在起、收弧两端面点固焊获得的残余应力峰值最小。在离起始点175 mm的位置，残余应力均出现一定的波动，起、收弧两端面和点固焊位置残余应力值均降低，这与残余应力分布的理论相一致[14]，而点固焊3处因该位置处点固焊影响，残余应力值增大。

4 结论

（1）采用接触算法，最大变形量均小于采用短焊缝的变形量。与不考虑点固焊对比，变形梯度与采用短焊缝的变形梯度相符合，而采用接触算法，变形梯度明显较疏。

（2）无论采用接触算法，还是短焊缝处理方法，

对应位置点固焊长度越长，获得的变形量越小。

图6 不同点固焊模型残余应力分布Fig.6Residual stress distribution of different welding model

（3）与焊缝位置处点固焊相比，起、收弧的两端面点固焊变形在起、收弧两侧翘起，焊缝位置点固焊翘起的位置发生在与焊缝位置平行的两侧自由端。

（4）采用接触算法的仿真结果更加接近实测结果。对比实测结果与仿真结果可知，不考虑点固焊仿真结果与实测结果误差较大。

（5）从点固焊长度来看，点固焊长度越长，仿真与实测结果残余应力分布波动性越大。

（6）在起、收弧两端面点固焊获得的残余应力峰值最小。起、收弧两端面点固焊、点固焊2处残余应力值均降低，点固焊3处残余应力值增大。

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Influence of different tack welding form on welding deformation and residual stress

FANG Yuanbin1，WANG Yong2，ZHANG Liping1，WANG Can1，ZHAN Xiaohong3
（1.Jiangsu Xuzhou Engineering Machinery Research Institute，Xuzhou 221004，China；2.XCMG Xuzhou Mining Machinery Co.Ltd.，Xuzhou 221004，China；3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

By means of finite element analysis,the deformation and stress distribution of butt-welding in different tack welding forms are obtained.The experimental results are verified.The results show that the length of tack welding in the same position is longer，deformation is correspondingly smaller.Welding deformation that tack welding is defined in arc building and extinction is upturned on both sides of arc building and extinction.Both sides of free edges that tack welding is defined in weld seam are upturned parallel with weld seam.Tack welding length is longer，while volatility of residual stress distribution is bigger.Residual stress peak that tack welding is defined in arc building and extinction is minimum.Residual stresses in the position of tack welding and that of arc building and extinction are decreased.Residual stress value of three tack welding positions increases.It proves the validity and effectiveness of the finite element model.

tack welding；welding deformation；residual stress distribution；experimental method

TG404

A

1001－2303（2016）09－0092-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.21

2016-05-24

江苏省自然科学基金项目（BK20140229）

房元斌（1985—），男，山东威海人，工程师，硕士，主要从事焊接数值模拟仿真及焊接工艺技术研究。