焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响研究

（公主岭钻探机械厂，吉林 公主岭 136100）

焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响研究

李勇

（公主岭钻探机械厂，吉林 公主岭 136100）

明确焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响对于保证焊接质量以及焊件的加工效率具有重要意义。本文主要探讨了焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响，在具体分析中主要从分段焊、多道焊、多层焊对T形接头焊接残余应力场的影响等方面进行分析。

焊接顺利；T形接头焊接残余应力场；影响分析

T形接头焊接残余应力场可对焊件的加工质量以及加工效率产生较大影响，不同的焊接顺序造成了焊件加工过程中的加工工艺存在差异，相应的对T形接头焊接残余应力场也会产生影响，间接的对焊接质量造成不利影响。JMatPro材料性能模拟软件以及ANSYS单元生死技术使用，使得T形接头焊接残余应力场的分析更加准确和可靠。本文结合笔者经验以及相关文献，就焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响研究分析如下。

1 物理模型以及数值模型分析

T形接头在焊接过程中要求焊接的电流处于110～130A，同时电压处于22～25V，焊接速度控制在2.5mm/s，焊接过程中的有效功率系数能够达到0.65，在研究焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响过程中需要通过建立一定的物理模型进行有限元分析。在物理模型完成后还应该建立有效的数值模型，在数值模型方面，常用的计算模型多采用Visual-mesh软件，并建立三维有限元模型和网格，由于实际焊接中，焊缝和邻近位置的温度场以及应力场变化较大，在建立模型过程中需要对网格进行加密处理。对于距离焊缝较远的位置，则网格可适当的放大，也不需要进行加密处理，从分析精度的角度分析，网格的数量应尽可能地少。在热源方面，采用的热源模型主要是按照Goldak提出的双椭球热源模型，这样可通过相关参数控制实际的焊缝尺寸；焊接过程中由于涉及到热量变化，存在着一定的相变，因而应考虑相变潜热；在焊缝填充过程中需要借助单元生死技术完成有限元分析中的模拟，也就是在模拟开始前，将所有的焊缝单元进行“杀死”处理，即让热熔、单元格的质量以及应变等处于零状态，具体分析计算中，没有被激活的单元格与计算无关。在焊缝单元被激活后，原本的“杀死”逐渐成为“生”状态，对应的参数值在施加对应的荷载后，可参与后续的有限元分析计算。

2 分段焊对T形接头焊接残余应力场的影响分析

2.1 建立有限元模型

分段焊模型网格划分示意图如图1所示，为保证整个模型整体的刚度要求，在模型中增设两个支撑板，划分完成后包含单元20711个，包含节点21075个。综合考虑计算精度以及计算周期要求，将焊缝以及焊缝周边区域的网格划分较为细致，在远离焊缝的位置则划分的较为粗略。采用的焊板参数如下：焊板厚度在4～30mm，高度为165mm，焊缝长度为150mm，过渡圆角半径为15mm。

图1 分段焊模型网格划分示意图

2.2 模型相关参数的确定

模型材料采用的是马氏体不锈钢1Cr12NiWMoNb，通过增大有效热传导系数方法考虑熔池内流体流动过程中对温度场的影响，有助于保证计算结果的准确性。焊接方法采用的是融化极气体保护焊，设置好相关参数，电压为30V、电流为240A、焊接速度为5mm/s。

2.3 确定能量边界条件

根据建立的模型，椭球形移动源就是焊接热源，对应的表达式为：

式中，v——焊接速度；

Q——热输入率；

∂——焊接热源滞后时间；

abc——椭球热源相关参数，其中a=5mm，b=4.0mm，c=5.0mm。

通过在有限元分析软件中对Rortran6.0的调动，实现对整个焊接过程的热源加载。

2.4 焊接方案的确定

分段焊过程中将整个焊缝区域划分为三部分，通过设计不同的焊接顺利完成对焊接顺序对残余应力的影响，具体的可有八种焊接方案：（1）按照123，从左向右顺序焊接；（2）按照132的顺序从左往右焊接；（3）按照从左往右对12焊接，然后按照从右向左对3焊接；（4）从左向右焊接1，从右向左焊接32；（5）从右向左焊接321；（6）从左向右焊接13.从右向左焊接2；（7）从左向右焊接1.从右向左焊接32；（8）从左向右焊接1.从右向左焊接23。其焊接示意图如图2所示。

图2 分段焊焊接方案示意图

2.5 分段焊接残余应力场分析

采用单元死活技术对确定的多种方案进行分析，结果显示，多种方案处理中焊接完成后的温度场和应力场分布情况具有一致性，也就是说多种方案的模拟结果也是一致的，而该方案在日常焊接中较为常用，因而在此以方案为例进行模拟，模拟后显示在焊接过程中温度场分布和应力场分布保持一致，在进一步对模型模拟分析后显示，焊缝以及焊缝较近的区域内分段焊以残余拉应力为主，在距离焊缝较远的位置以及每一焊段的两端以残余压应力为主，其中残余拉应力的最大值处于焊缝中间位置。

3 多道焊对T形接头焊接残余应力场的影响分析

3.1 有限元模型建立

模型建立过程中，为保证整个模型整体的刚度要求，可在模型中增设两个支撑板，由于在后期实际模拟分析中，单元数量以及计算周期之间的联系较为紧密，对此可在支撑板单元划分过程中进行粗分。

焊接期间，为保证模拟计算的准确性，对于焊缝以及焊缝周边的应力场以及温度场变化情况应重点考虑，同时在划分单元的时候也要求较为精细，但是从计算周期角度考虑，距离焊缝区域较远的可不必细分。材料模型中采用的材料为1Cr12NiWMoNb，焊接方法采用的是融化极气体保护焊，设置好相关参数，电压为30V、电流为240A、焊接速度为5mm/s。

3.2 焊接方案的确定

整个焊缝可分三个段落进行焊接，想要明确焊接方向对多道焊应力场的影响，对于不同焊段则应采用不同的焊接方案。

3.3 多道焊焊接残余应力场

根据确定的方案以及模拟过程可知，在焊板纵向残余应力场分布方面，焊缝以及焊缝周边区域属于主要残余拉应力，焊接纵向残余压应力以距离焊缝较远的区域为主。

4 多层焊对T形接头焊接残余应力场的影响分析

4.1 有限元模型建立

多层焊模型结构将其划分为八节点六面体单元，总数量为26038个，节点数量为23744个，过渡圆角半径为45mm，模拟过程中采用的模型材料、材料参数、热源模型以及焊接热源模型等均相同。

4.2 多层焊接方案的确定

同样的设置不同方案用于研究不同焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响。

4.3 焊接残余应力分析

多层焊对T形接头焊接残余应力场的影响与多段焊以及多道焊较为接近。

5 结语

不同焊接工艺中焊接顺序对T形接头焊接残余应力场影响具有相似性，根据研究结果，对于分段焊可采用先两端后中间的方法进行焊接，对于多道焊焊接过程中应保持首尾相接，对于多层焊接则需要使用对称施焊方法，这样能够降低焊接过程中的残余拉应力，提高焊接质量。

[1]张尚林,郭素娟,朱明亮.25Cr2Ni2MoV钢焊接接头循环变形行为的有限元模拟与分析[J].压力容器，2014(5).

[2]房元斌,张贵芝,张立平.Q890D高强钢中厚板焊接接头残余应力的有限元模拟[J].机械工程材料，2016(9).

TG44

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1671-0711（2017）04（上）-0159-02