典型接头的焊接热过程数值仿真与试验研究

段成凯，霍世慧，刘永寿

(1.西北工业大学 力学与土木建筑学院， 西安 710129； 2.西安航天动力研究所， 西安 710129)

焊接是结构零部件加工及装配的重要工艺方法，在工业生产、国防装备和民用生活中起着非常重要的作用[1]。在先进制造技术领域，焊接结构的强度研究和疲劳断裂研究受到越来越多的关注，以追求更好的产品质量和节省材料。AWS B4.0 Standard Methods for Mechanical Testing of Welds[11]是由美国国家标准学会(US-ANSI)发布的一项适用于焊接和焊接接头的力学试验方法，被广泛应用于试验研究中。对接接头和搭接接头属于AWS标准下的典型焊接接头类型，大量的强度研究和疲劳断裂研究都基于这些典型接头展开。如兆文忠等[2]研究了焊接接头的疲劳寿命，聂春戈等[3]研究了正面角焊缝中搭接接头的静力强度与尺寸特征，方洪渊教授[1]的焊接结构学对这些典型接头也有大量的研究。

焊接的热工艺过程不可避免影响材料力学性能，并导致结构件产生不同程度的变形和残余应力，使得焊接结构成为结构系统强度及可靠性的潜在薄弱环节。如在常见的液体火箭发动机中，由于推进剂贮箱、燃烧室、涡轮泵、喷嘴、机架、总装管路和支架等结构都包含了大量的焊接结构，焊后残余应力与变形导致结构受载后的应力分布不均匀，对结构承载能力和疲劳循环寿命造成不利影响。典型焊接结构不仅常被应用于力学研究，也广泛存在于实际产品中，但针对这些典型焊接接头的残余应力和变形情况的研究至今还没有进行详细地探讨。因此，探讨焊接热过程对结构的力学影响应该成为后续强度分析与疲劳寿命分析的必要前提环节。

以往考查焊接热过程对焊接结构影响的研究常采用试验室方法来测量焊接工艺产生的残余应力和变形，这些测量试验不仅实施起来非常复杂，而且很难获得焊接过程的准确数据。随着计算机辅助工具的应用，借助有限元数值模拟软件，可以利用热弹塑性理论将焊接热过程下接头的力学变化很好地表达出来。如王士军等[4]利用ANSYS分析了对接钢板的填充焊接过程中的温度场。冀晴等[5]使用SYSWELD有限元软件对铝钢薄板搭接焊的温度场进行了数值模拟。这些研究都表明计算机辅助软件用于求解焊接热过程，在有效揭示焊接力学特性的同时，避免了复杂测量试验，降低了研究成本，具有明显的优势。在焊接结构热过程数值仿真的应用中，一部分研究关注于焊接方法参数的选择，如陈丽等[7]研究了焊接工艺参数对焊接接头温度场的影响，岳永丰等[8]模拟了不锈钢薄板高速高功率激光对接焊的焊接参数对于残余应力的影响。另一部分研究关注于不同焊接实体对象的研究，如郭鹏程等[9]研究了铝合金汽车前防撞梁的焊接过程工艺和焊接顺序对于结构的影响。陶聪等[10]对CLF-1钢爆炸焊接接头界面组织及力学性能进行了研究。但前述研究都没有针对AWS标准下的典型接头进行焊接热过程分析，本文对包含典型接头的焊接结构进行了数值仿真分析，为后续基于典型焊接结构试件开展的强度研究和疲劳断裂研究提供了初始的力学状态。

研究[6]认为，焊接残余应力是在固有应变源作用下构件自动平衡的结果。固有应变包括焊接过程中产生的塑性应变、热应变和相变应变。其中塑性应变是由于材料在不均匀膨胀和压缩引起的；热应变是由于焊前未进行预热导致的；相变应变是由于金属材料在受热后导致内部组织不均匀导致的，因此残余应力的分布是十分复杂的。为了深入探讨焊接热过程对于对接、横向搭接、纵向搭接3种典型接头产生的力学影响，本文基于热弹塑性理论模拟了焊接过程，首先整体分析了3种焊接模型的温度场变化、焊后残余应力分布与变形情况；然后分析了焊接时搭接角焊缝上的残余应力分布以及焊接后热影响区的残余应力分布；其次分析了横向搭接结构中搭接母板在“同向”和“异向”2种焊接方案下的残余应力分布；最后将仿真结果与试验结果、文献[1]理论进行了对比，总结了3种典型焊接结构焊后残余应力、变形情况的一般规律。这些内容为后续开展焊接结构力学研究提供了重要的参考依据，有利于更加全面地分析焊接结构的强度和疲劳寿命。

1 典型焊接结构热过程有限元建模

1.1 对接焊缝有限元模型

参考AWS B4.0针对焊接结构试验测试的相关规定，设计如图1所示的典型对接焊接试件。试件由2块厚度为25 mm的平板组成，平板长度为125 mm，宽度为50 mm。2件平板通过氩弧焊连接在一起，并在板间保持10 mm间隙。对接焊缝采用双面开坡口70°焊接，且为1级焊缝。建立试件有限元模型如图2所示，为了提高计算精度和计算效率，该模型采用八节点六面体网格模型，并细化了网格，该模型的单元总数为66 705，节点总数为73 072。

图1 试件示意图

图2 试件有限元模型示意图

1.2 横向搭接焊缝有限元模型

参考AWS B4.0针对焊接结构试验测试的相关规定，设计如图3所示的典型横向焊接搭接试件。试件由4块厚度为10 mm的平板组成，1号平板长度为145 mm，宽度为50 mm；2号板长度为60 mm，宽度为50 mm。4件平板通过氩弧焊连接在一起，并在1号板间保持10 mm间隙。设计4条焊缝的焊脚长度和高度均为3 mm，且为1级焊缝。建立试件有限元模型如图4所示，为了提高计算精度和计算效率，该模型采用八节点六面体网格模型，并细化了网格，该模型的单元总数为111 200，节点总数为121 788。

图3 试件横向搭接示意图

图4 试件有限元模型示意图

1.3 纵向搭接焊缝有限元模型

参考AWS B4.0针对焊接结构试验测试的相关规定，设计如图5所示的典型纵向搭接焊接试件。试件由4块厚度为10 mm的平板组成，1号平板长度为145 mm，宽度为70 mm；2号板长度为90 mm，宽度为30 mm。4件平板通过氩弧焊连接在一起，并在1号板间保持10 mm间隙。设计四条焊缝的焊脚长度和高度均为3 mm，且为1级焊缝。建立有限元模型如图6所示，为了提高计算精度和计算效率，该模型采用八节点六面体网格模型，并细化了网格，该模型的单元总数为174 380，节点总数为192 555。

图5 试件纵向搭接示意图

图6 试件有限元模型

选择常用的Q235A钢作为母材，合金焊丝ER49-1作为焊缝材料。

1.4 热源与热过程

在加热焊接过程中，电弧沿焊接方向运动，电弧热流围绕加热斑点中心是非对称分布的。由于焊接速度的影响，电弧前方的加热区域要比电弧后方的小；加热斑点是椭球形的，并且电弧前、后的椭球形状也不相同。因此，双椭球热源模型更加符合实际的工艺特点，如图7所示[1]。

图7 双椭球热源模型示意图

前部热流的分布公式[1]：

(1)

后部热流的分布公式[1]：

(2)

式中，Q=ηUI，η为热源效率；U为焊接电压(V)；I为焊接电流(A)；a、b、c为椭球形状参数；f1、f2为前后椭球热量分布函数，f1+f2=1。

焊接热过程数值仿真的参数设置如表1所示。

表1 SYSWELD有限元软件的焊接热过程仿真参数设置

2 数值计算与分析

2.1 焊接温度场计算与分析

焊接过程中瞬态温度分布与峰值分布如图8所示。

图8 瞬态温度分布与温度峰值分布图

在焊接过程中，焊缝金属完全处于熔融状态，且焊接结构的母材也有部分熔化，熔池形貌符合双椭球热源特点。其中平板对接焊缝采用双面焊接方式，单层熔池深度大于板厚的一半，能达到全焊透的I级焊缝标准。

2.2 焊接应力场计算与分析

焊接结束的焊接应力分布如图9所示。

图9 焊接应力分布图(单位：MPa)

基于SYSWELD有限元软件的焊接数值仿真分析，是将温度场的数值模拟结果用于热弹塑性分析计算中。Q235A钢是各向同性的弹性材料，屈服准则遵循Von-Mises准则。通过结果的应力云图，不难发现： ① 焊接最大残余应力发生在母材与焊缝的接合处，即对接结构发生在熔合线上，搭接结构发生在焊趾处；② 焊接残余应力以中心线向两侧递减，呈现明显的对称分布；③ 包含对接接头的焊接结构的最大残余应力为440 MPa，包含横向搭接接头的焊接结构的最大残余应力为661 MPa，包含纵向搭接接头的焊接结构的最大残余应力为575 MPa。

焊接纵向残余应力与横向残余应力分布的数值仿真结果如图10所示。

图10 焊接纵向残余应力与横向残余应力分布(单位：MPa)

其中以对接结构为例，在焊接残余应力数值模拟中，可以清晰地看到，沿焊缝方向的纵向残余应力和垂直于焊缝方向的横向残余应力，都以焊缝中心呈对称分布。取焊缝中心线方向获得纵向残余应力曲线，以及取垂直焊缝方向获得横向残余应力曲线，这2个方向的残余应力的分布形式与文献[1]理论结果基本一致。且典型对接结构的焊接残余应力变化范围要小于搭接结构的应力变化范围。

2.3 焊接变形计算与分析

焊接结构整体变形情况的数值仿真结果如图11所示。

图11 焊接整体变形情况图(单位：mm)

焊接结构各个方向变形量的最大值如表2所示。通过对比焊接结束后的变形情况，可以发现虽然不同结构的整体变形情况以及板厚方向变形量不同，但是在焊缝垂直方向的变形量要大于焊缝方向的变形量。

表2 焊接结构的焊接变形量最大值 mm

2.4 焊接工艺与残余应力

为进一步考察焊接热过程对于焊接结构的力学影响，首先通过数值模拟方法对包含横向搭接接头的焊接结构进行了计算，如图12所示，焊接过程可以分为前、后1/2阶段，分析了搭接角焊缝焊接方向上的热过程不同阶段的残余应力分布，如图13所示；又分析了热影响区的残余应力分布，如图14所示。其次分析了横向搭接结构中搭接母板在“同向”和“异向”2种焊接方案下的残余应力分布，如图15所示。

图12 焊区与热影响区范围示意图

图13 热过程残余应力分布示意图

图14 热影响区残余应力分布示意图(单位：MPa)

图15 不同焊接方案的搭接板上残余应力分布示意图(单位：MPa)

通过分析发现，由于焊接先后的差异，受焊缝、母材熔融与冷却顺序的影响，焊接热过程中的应力分布呈现“双峰移动”特点。焊接开始阶段，首先出现2个残余应力峰值区，在焊接结束时，两峰值分布于焊缝两端，焊缝末端峰值要大于焊缝起始处，中间位置的残余应力较小；在热影响区上，残余应力沿垂直于焊缝方向逐渐减小；由于横向搭接板受两侧焊缝焊接影响，导致搭接板上的残余应力分布较为复杂，对比“同向”和“异向”焊接2种方案，可以发现当采取“异向”焊接时，搭接板上应力在轴向和横向均呈现对称分布，而当采取“同”向焊接时，搭接板表面应力分布只以横向中心线对称分布，这说明“异”向焊接方案有利于此类焊接结构在承受轴向或是横向载荷时具有更强的稳定性与可靠性，而“同”向焊接方案可以在特定情况下发挥优势。

3 残余应力测试

为证明焊接热过程数值仿真分析方法的有效性以及上述分析得出的残余应力分布规律的有效性，在同样的工艺条件下设计试验，将试验测试结果与数值模拟结果做定量比较。

3.1 试验组

1#试验组测量焊后残余应力，测量位置包括对接焊缝上、搭接角焊缝上、对接焊缝的熔合线的热影响区处和搭接角焊缝的焊线的热影响区处。2#试验组测量焊接工艺影响的残余应力，包括“同向”和“异向”两种焊接方案下横向搭接板上的残余应力分布。

残余应力测试方法采用XRD射线衍射测试方法，试验设备如图16所示。3种包含典型接头的焊接结构试验件如图17所示。1#试验组对接、横向搭接、纵向搭接试验件的测试位置如图18所示；2#试验组同向和异向2种焊接方案下横向搭接板如图19所示。

图16 XRD射线衍射测试设备

图17 3种包含典型接头的焊接结构试验件

图18 1#试验组对接、横向搭接、纵向搭接试验件示意图

图19 2#试验组同向和异向2种焊接方案下横向搭接板示意图

3.2 试验结果

1) 焊后残余应力测量结果

表3展示了1#试验组的残余应力测试结果。由表可见，3种包含典型接头的焊接结构的焊后残余应力分布与前述数值仿真结果基本一致。在分布趋势上，焊缝上的两端的残余应力分布呈现对称形式。在邻近焊缝的热影响区上，残余应力在远离焊缝的方向上逐渐递减。这些分布趋势也与前述数值仿真结论规律相一致。

表3 1#试验组焊后残余应力测量值 MPa

2) 焊接工艺影响的横向搭接板上残余应力测量结果

表4展示了2#试验组的残余应力测试结果，由表4可见，在包含横向搭接接头的焊接结构中，横向搭接板上的残余应力分布因两侧焊缝焊接方向的不同，导致搭接板上的残余应力分布呈现不同的形式，其中“异向”焊接方案下的残余应力在轴向和纵向均基本呈现对称分布，而在“同向”焊接方案下仅以横向中心线对称分布，这些特点与数值仿真得到的结论吻合。

表4 2#试验组焊后横向搭接板上残余应力测量值 MPa

4 结论

1) 利用有限元分析软件采用热弹塑性理论可以很好地模拟焊接过程的温度、焊接残余应力和变形情况，结果与测试结果吻合。

2) 焊接最大残余应力发生在母材与焊缝的接合处。沿焊缝方向的纵向残余应力和垂直于焊缝方向的横向残余应力，是以焊缝中心呈对称分布的。在AWS标准下，对接结构的焊接残余应力变化范围小于搭接结构的应力变化范围。

3) 热过程中，焊缝上的残余应力呈现“双峰”特点，应力始终保持在两端较大，中段较小。横向搭接板在“同向”与“异向”两种焊接方案下的残余应力分布形式也不同。

4) 焊缝垂直方向的变形量大于焊缝方向的变形量。