单双面焊接结构的温度场

李 青，王岩松，赵礼辉，刘宁宁

（1.上海工程技术大学汽车工程学院，上海201620；2.上海理工大学机械工程学院，上海200093）

单双面焊接结构的温度场

李 青1，王岩松1，赵礼辉2，刘宁宁1

（1.上海工程技术大学汽车工程学院，上海201620；2.上海理工大学机械工程学院，上海200093）

针对T型板单、双面两种焊接结构的焊接温度场分布的异同问题，建立了两种焊接结构的有限元模型，利用焊接热过程分析理论，通过SYSWELD分析比较两者的温度场云图和焊趾线上温度热循环曲线。结果表明，焊接过程中双面焊熔池的最高温度比单面焊熔池的最高温度高约150℃。单面焊焊趾线上选取点的最高温度达到1 460℃～1 500℃；对于双面焊，由于第一道焊缝焊接时对第二道焊缝的预热作用，使得在第二道焊缝未焊接时E2～H2点的最高温度就达到约550℃，且选取点的最高温度为1 700℃～1 750℃。此研究结果可指导实际生产中焊接结构的选择。

T型板；焊接结构；温度场；热循环曲线

0 前言

T型板常应用于汽车制造业、桥梁建造、现代造船工程等的焊接结构中。焊接过程是一个非常复杂的物理化学冶金过程，其温度场直接决定了焊缝、残余应力和变形[1]。焊接过程模拟时，一般仅考虑温度场与应力场的单向耦合，即只考虑温度场对应力场的作用，而忽略应力场对温度场的影响[2]。国内外学者对焊接温度场的影响因素进行了大量研究，热源模型能否准确表达焊接热能特征及其在焊件上的分布决定了焊接过程温度场有限元计算结果的准确性[3]。目前高斯表面热源、双椭球热源、体热源、组合热源是常用的几种热源模型；针对同一热源，焊接电流的增加会使等温面变宽变长、熔池区扩大，焊接速度的增加会使等温面长宽比增加，熔池区长度加长，宽度缩小[4]；U型坡口的焊缝最高温度高于V型坡口，且其热影响区域比V型坡口宽[5]。另外，焊接接头、焊件厚度、焊接方法等对焊接温度场也有显著影响。

针对T型板单、双面两种焊接结构的焊接温度场分布的异同问题，利用焊接热过程分析理论，建立了两种焊接结构的有限元模型，通过SYSWELD分析两者温度场云图并提取温度热循环曲线，比较两者焊缝上的温度变化。

1 分析理论和模型建立

1.1 分析理论

1.1.1 焊接热过程分析理论

焊接时随着热源的不断移动，温度场在时间和空间上持续发生剧烈变化。因此，对焊接温度场的分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。假设材料是各向同性，则温度场的控制方程为

式中ρ、c和λ分别为材料的密度、比热容和热导率，均是温度T的函数为内热源强度。

导热时通常分为三类边界条件：①已知边界上的温度值，即Ts=T（x，y，z，t）；②已知边界上的热流分布，即③已知边界上物体与周围介质间的热交换，即特殊情况下，边界与外界无热交换，即绝热边界条件其中，n为边界表面外法线方向；qs为单位面积上的外部输入热流；α为表面换热系数；Ta为周围介质温度。1.1.2双椭球热源

双椭球热源一般用于常规弧焊，其热流密度分布在椭球体内，可准确反映出沿厚度方向焊接束流对焊件加热的影响，进而精确地模拟焊接温度场[6]。因此，研究采用适用于CO2气体保护焊的双椭球热源模型模拟温度场。双椭球体热源作用区域由前、后两部分组成，分别用两个不同轴长的椭球体的四分之一表示，如图1所示。

图1 双椭球热源Fig.1Double ellipsoid heat source

前半部分椭球内热源分布函数

后半部分椭球内热源分布函数

式中af、ar、b、c分别为双椭球体的形状参数，与熔池的形状有关；Q0=ηUI，η为电弧热效率，U为电弧电压，I为焊接电流；ff、fr分别为前、后部分所占总输入量的比例，其中

查阅相关资料可知，采用CO2保护焊时电弧电压设为19 V，电流120～130 A，焊接速度5 mm/s，效率80％。选择三组不同焊接电流下的工艺参数对双面焊T型板进行仿真分析，通过讨论焊接结束冷却至室温时T型板变形量大小来判断焊接热源的好坏。变形量越小，所选焊接热源最合适，热源模型参数如表1所示。

表1 热源模型参数Table 1Parameters of heat source model

1.2 模型建立

T型板尺寸及材料如表2所示。由于焊件为薄板件，故无需开坡口。在钢结构中要求焊脚尺寸K不小于最薄件厚度，在此K=3；合理的角焊缝尺寸规定：当K≤6 mm时，焊缝凸度C=0～1.5 mm[7]。合理的角焊缝规格如图2所示，根据几何计算得出焊缝尺寸如表3所示。

表2 T型板尺寸及材料Table 2T plate size and materials

表3 焊缝尺寸Table 3Weld size

单双面焊的有限元模型分别如图3所示。为获得满意的瞬态焊接温度场，焊缝处的单元网格控制在2 mm以下[8]。焊缝及其附近区域网格划分较细，网格宽度0.8 mm，以达到计算精度。远离焊缝区，网格划分相对较粗，网格宽度3 mm，以减少计算时间和计算量。图4中装夹点的位置选择以及双面焊的焊接顺序主要是根据文献[9-10]确定。选用的焊接工艺参数如表4所示。

图2 合理的角焊缝规格Fig.2Reasonable fillet weld size

图3 单双面焊有限元模型Fig.3Finite element model of single and double sides welding

图4 装夹点的位置Fig.4Position of clamping point

表4 焊接工艺参数Table 4Parameters welding process

2 结果及分析

分析单、双面焊T型板不同时刻的温度场云图，通过提取如图5所示的选取点的温度热循环曲线，比较单双面焊焊缝上的温度变化。选取点位于焊趾线上，单焊缝T型板的焊趾线上取等距为20 mm的4个点，编号为A1～D1（见图5a）；双焊缝T型板的焊趾线上取等距为20 mm的8个点，编号为A2～D2和E2～H2（见图5b）。

2.1 温度场云图

T型板单面焊和双面焊不同时刻的焊接温度场分布云图如图6、图7所示。由图6a、图6b和图7a可知，焊接开始后，熔池的温度迅速升高，焊缝及其附近区域的温度梯度较大，其他区域温度梯度小；当焊接进行至20 s时，热源中心开始离开焊件，对于单面焊，焊接完成，此时熔池最高温度为2 687℃，而对于双面焊，第一道焊缝焊接完成，熔池最高温度为2 649℃；双面焊的第二道焊缝即将焊接（t= 21.99 s），焊缝最高温度冷却至1 133℃，当t=23 s时，第二道焊缝焊接开始1 s内，熔池最高温度达到2 397℃，高于第一道焊缝焊接开始1 s的熔池最高温度（2 120℃），这是因为第二道焊缝受到第一道焊缝焊接热循环的预热作用，当t=42 s时，双面焊第二道焊缝完成，熔池最高温度达到2833℃；焊接结束后，T型板温度下降，直到在空气中冷却到室温。对于这两种焊接结构，从开始焊接到冷却至室温，腹板沿厚度方向上的温度梯度较小，这是因为腹板厚度小，能量能较好地从上表面传递到下表面，沿翼板横向各点的温度变化也较明显，离焊缝越远，温度越低，这也符合文献[11]所述。

图5 焊趾线上选取点位置布局Fig.5Location layout of select point on the welding toe line

图6 单面焊的不同时刻焊接温度场分布云图（单位：℃）Fig.6Temperature field cloud at different time of the single side welding（℃）

图7 双面焊的不同时刻焊接温度场分布云图（单位：℃）Fig.7Temperature field cloud at different time of the double sides welding（℃）

2.2 温度热循环曲线

为了观察焊缝区温度的具体数值，提取焊趾线上的温度热循环曲线，如图8、图9所示。无论是单面焊还是双面焊，选取点的温度热循环曲线形状基本相同，且温度上升过程中曲线梯度较大，升温速度快，温度下降过程中曲线梯度较小，降温速度较缓，由于双面焊有两条焊缝，故选取点的温度热循环曲线有两个波峰。对于单面焊，热源经过时，温度变化较小，出现了图8a中选取点的温度在达到波峰前短暂时间内较缓的上升状态，A1点的最高温度达到1 460℃，由于热传导，后焊的点达到的最高温度比先焊的点高约15℃；对于双面焊，第一道焊缝从开始焊到结束的时间段内，A2～D2点的温度变化同于A1～D1点，这是因为第一道焊缝焊接时对第二道焊缝有预热作用，使得在第二道焊缝还没有焊接时E2～H2点的最高温度就已达到约550℃，第二道焊缝开始焊接后由于热传导，在热源经过时，图9b中选取点的温度在达到波峰后短暂时间内呈较缓的下降状态。E2点的最高温度达到1 700℃，F2～H2点的最高温度比它们各自相邻的先焊点高约10℃，A2～D2点的温度从400℃（第一道焊缝焊完冷却的最低温度）升至约850℃；焊接结束后，所有选取点的温度逐渐降至室温。

图8 单面焊焊趾线上选取点的焊接热循环曲线Fig.8Welding thermal cycle curves of the selected points on the toe line of the single sidewelding

图9 双面焊焊趾线上选取点的焊接热循环曲线Fig.9Welding thermal cycle curves of the selected points on the toe line of the double sides welding

3 结论

（1）对于单面焊，焊接结束时熔池的最高温度达到2687℃；对于双面焊，第一道焊缝焊接完成时，熔池的最高温度为2649℃，第二道焊缝焊接结束时，熔池的最高温度达到2 833℃。

（2）单面焊焊趾线上的选取点的最高温度达到1 460℃～1 500℃；对于双面焊，第一道焊缝从开始焊到结束的时间段内，A2～D2点的温度变化同于A1～ D1点，因第一道焊缝焊接时对第二道焊缝有预热作用，使得在第二道焊缝未焊接时E2～H2点的最高温度就已达到约550℃，第二道焊缝开始焊接后，E2点的最高温度达1 700℃。

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Temperature field of single and double sides welding structure

LI Qing1，WANG Yansong1，ZHAO Lihui2，LIU Ningning1
（1.School of Automotive Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China；2.School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Two welding structures finite element model are established and their temperature field and thermal cycling curve of welding toe are analyzed by SYSWELD which is based on the welding thermal process analysis theory in this paper，aiming at the problems of similarities and differences of the temperature field of single and double side welding structure of the T plate.Results show that the maximum temperature of the weld pool of the one side welding is about 150℃higher than the double side welding during the welding process.The maximum temperature of the selected points on the toe line of the single side welding is up to 1 460℃～1 500℃.For the double side welding structure welding，the highest temperature of the point E2～H2on the second weld line is 550℃before welded because of preheating effect.And the maximum temperature of the selected points is up to 1 700℃～1 750℃.The results in this study can be used to guide the choosing of welding structure in practical production.

T plate；welding structure；temperature field；thermal cycling curve

TG457.1

A

1001－2303（2017）01－0080-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.15

献

李青，王岩松，赵礼辉，等.单双面焊接结构的温度场[J].电焊机，2017，47（1）：80-85.

2016-07-20

国家自然科学基金资助项目（51575335）

李青（1990—），女，安徽六安人，硕士，主要从事焊接残余应力与变形的研究。