T型斷續(xù)焊接數(shù)值模擬研究摘要：焊接較長工件時，焊接變形對設備的實用性及其表面的美觀性有一定程度的影響。本文從焊接工藝、焊接順序、構件定位和焊接參數(shù)分析了對焊接變形的影響，對焊前、焊中和焊后的預防方法進行了討論，以T型焊接件作為仿真模型，圍繞焊接順序，焊接結構進行討論，采用交錯斷續(xù)、并列斷續(xù)焊接與連續(xù)焊接對比，結合實際方案采用不同的焊接順序，對焊接過程的變形進行數(shù)值模擬，并分析了焊接后的殘余變形，結果表明：交錯斷續(xù)焊接的變形量最小，連續(xù)焊接次之，并列焊接最大?？蓪嶋H焊接過程提供一定的參考價值。關鍵字：T型接頭；焊接變形；殘余應力；焊接結構NumericalsimulationofT-shapedintermittentweldingAbstract:Theweldingdeformationhasacertaininfluenceonthepracticabilityoftheequipmentandtheaestheticsofitssurface.Thispaperanalyzestheinfluenceofweldingprocess,weldingsequence,componentpositioningandweldingparametersonweldingdeformation.Thepreventionmethodsbefore,duringandafterbuttweldingarediscussed.Theweldingsequenceandweldingstructurearediscussed.Thedeformationofweldingprocesswassimulatednumericallybycomparingstaggeredintermittentandside-by-sideintermittentweldingwithcontinuouswelding.Theresidualdeformationafterweldingisanalyzedandtheresultsshowthat:Thedeformationofstaggeredintermittentweldingisthesmallest,followedbycontinuouswelding,andthelargestparallelwelding.Itcanprovidesomereferencevaluefortheactualweldingprocess.KeyWords:Ttypeweldjoint;Weldingdeformation;Residualstress;Weldingstructure-引言隨著社會的不斷發(fā)展，科技的不斷進步，對制造業(yè)提出了更高的標準，與此同時也對焊接的要求也越來越嚴格，雖然連接技術發(fā)展迅速，但由于焊接有其他連接方式沒有的優(yōu)點，在使用中比較方便，仍然是連接金屬最常用、方便的方法，但在焊接完成后由于受力不均勻，受工件的約束不能自由收縮和膨脹，容易產生變形的現(xiàn)象。T型焊是指將兩個相互垂直的構件用角焊縫連接起來的焊接方式，是一種比較常見的焊接結構，根據不同的焊接方式，能承受一定大小的力和力矩，由于其結構和焊接方式比較簡單，廣泛應用于生活中，同時也在石油化工、起重設備、航空航天、車輛、農業(yè)設備、橋梁等方面廣泛應用。在焊接過程中存在劇烈的局部溫度變化，產生瞬態(tài)熱變形，焊接結束冷卻至室溫后會導致工件產生塑性殘余變形。焊接變形在一定程度上對焊接接頭質量有影響。從而對焊接構件的安全性造成影響，在制造成本不變的情況下，結合實際焊接條件，科學地改變焊接工藝，降低焊接變形對工件造成的影響[1]。實踐證明，改變焊接的結構和焊接工藝可以有效地減小焊接變形，其中斷續(xù)焊是焊接工藝方式中的一種，主要用在焊接比較長的工件時，不需要完全焊接的非關鍵連接的工件。當焊件的兩側對稱焊接時，可以改變焊接方式采用間歇焊接的方法來減小焊接變形。本文以T型構件為模型。采用CO2氣體保護焊進行焊接數(shù)值模擬，由于在實際工程中焊縫較為復雜，通過試驗的方法去測量焊接殘余應力與變形比較困難，隨著有限元數(shù)值模擬在工業(yè)應用中逐漸成熟，因此可以采用有限元數(shù)值模擬方法來計算不同的焊接順序和焊接結構對焊接變形的影響[2]。基于數(shù)值模擬可以為實際的焊接過程提供理論依據[2]。1焊接熱源模型熱源模型的選取是影響仿真結果的關鍵因素，也是焊接數(shù)值模擬的基礎。由于熱源的溫度局部集中、升溫快速的特性，建立合理的熱源模型在一定程度上可以提高計算精度，熱源模型主要有集中、平面、體積分布熱源模型。集中熱源是將熱源看作點、線、面作用在焊縫處，由于計算過程不需要迭代計算，所以比較廣泛應用于工業(yè)中。平面熱源模型包括平面高斯熱源模型和雙橢球熱源模型，主要用于電弧沖擊相對較小、熔池較淺的焊接方式。體積熱源分布有均勻體熱源模型、半球狀熱源模型、螺旋高斯體熱源模型和雙橢球熱源模型，體熱源模型適用于計算精度要求較高的情況和高能量焊接方式[3]。根據焊接類型和精度要求選取合理的熱源模型，常用的有雙橢球熱源模型和高斯熱源模型，本文選用與實際焊接工況相近的熔池前后兩部分不對稱分布的雙橢球熱源。具體參數(shù)如下[4]：前半部分熱源分布：后半部分熱源分布:式中：表示雙橢球內熱源的熱流分布；表示橢球的前后半軸；QUOTEa、、、QUOTEc為橢球形狀參數(shù)；、QUOTEf2=2araf+ar，；，為熱源效率，QUOTEU為焊接電壓（），為焊接電流（）。為了確保模擬結果的一致性，在仿真計算中均使用相同的熱源模型和焊接參數(shù)。前軸長1.5mm，后軸長6mm，寬度5mm，深度5mm，高斯參數(shù)3，熱源前端比例因子0.4。相關焊接參數(shù)：環(huán)境溫度為常溫20℃，對流換熱系數(shù)20，接觸換熱系數(shù)1000，輻射換熱系數(shù)0.6，焊槍移動速度10mm/s，電流180A，電壓25V，效率0.8。2有限元模型2.1網格的劃分采用的幾何模型是T形構件，使用建模軟件SolidWorks建立構件的三維模型。如圖1所示，底板尺寸為，立板尺寸為。劃分網格采用HyperMesh?？紤]到計算精度和效率，離焊縫較遠的網格較稀疏，靠近焊縫的網格較密。如圖2所示，整體上采用從密集到稀疏的過渡。整個模型共有18580個節(jié)點和17600個單元。圖1幾何模型圖2網格模型2.2材料特征[5]模型中使用的焊接材料是機械中常用的普通碳素結構鋼Q235。在仿真中，考慮了Q235的機械性能和熱物理性能隨溫度的變化。假設焊接材料和基礎材料具有同樣的機械參數(shù)和熱物理性能。材料參數(shù)見表1表1材料參數(shù)（Q235）溫度/(℃)比熱容/()密度/()熱導率/()泊松比250.4467852.254.93840.2902000.5177789.850.62500.2974000.6177718.443.57800.3056000.7907647.136.77610.3147000.9507611.434.15390.3188000.8537575.732.27600.3218500.6017557.927.71070.34313000.6717397.433.26130.369表2焊絲與母材的化學成分（質量分數(shù)）材料CCuFeMnNPSiSAlMoNiTiQ2350.150.498.2931.10.010.02—0.027————G2Si10.1—97.681.1——0.65—0.020.150.150.152.3焊縫位置如圖3所示，立板和底板之間主要有2道焊縫。圖3焊縫位置2.4焊接結構斷續(xù)焊接分為兩種：交錯斷續(xù)和并列斷續(xù)。(a)交錯斷續(xù)(b)并列斷續(xù)圖4斷續(xù)焊兩種分類3不同焊接順序、結構下數(shù)值模擬[6]利用專業(yè)焊接仿真有限元軟件對Q235鋼板進行T型焊接數(shù)值模擬，分別對三種焊接方式仿真計算焊接過程中的溫度和變形的大小，以及對焊接完成后的殘余變形進行分析。焊接模擬過程中，對工件添加重力，給底板添加支撐進行焊接，在焊接完成后冷卻，使其冷卻到室溫，以確保變形和應力不受溫度的影響，分析兩塊板變形的情況。3.1連續(xù)焊接為了分析不同焊接順序對焊接變形的不同影響，根據實際焊接情況設計了焊縫方案，如圖5所示。相同的序號表示兩個焊縫同時焊接，而不同的序號表示焊縫的焊接順序：方案a方案b方案c方案d圖5連續(xù)焊焊接方案在上述方案中，方案a和方案b是兩個焊槍同時焊接，a是從左到右同時焊接，b是在相反方向上焊接，而方案c、方案d是用一個焊槍進行兩次焊縫焊接，方案c是在第一次焊縫完成后再焊接另一焊縫。兩條焊縫的焊接方向相同。方案d也采用順序焊接，但兩個焊縫的焊接方向不同。3.2交錯斷續(xù)對于交錯斷續(xù)焊接，如圖6所示，可以根據焊接順序將其分為以下方案：方案a方案b方案c方案d方案e圖6交錯斷續(xù)焊接方案在上述交錯焊接方案中，方案a、方案b和方案c均由單個焊槍焊接。方案a總體上從左到右進行焊接，方案b是先在一側焊接，然后在焊接后從另一側焊接回初始位置，方案c中的第一次焊接后，再進行另一側焊接沿相同方向焊接。方案d是兩個焊槍的同時焊接，兩個焊槍同時在相反的方向上焊接，方案e兩個焊槍的焊接方向相同，如圖6所示。3.3并列斷續(xù)同樣，并列斷續(xù)可以根據焊接順序分為以下幾種方案：方案a方案b方案c方案d圖7并列斷續(xù)焊接方案與連續(xù)焊接相同，方案a和b是兩個焊槍的同時焊接，a是從左到右的同時焊接，b是在相反方向的同時焊接，方案c和d是兩側的一個焊槍，解決方案c是在一側的焊接完成后在另一側焊接。兩側的焊接方向相同。方案d也被順序焊接，但是兩側的焊接方向不同。4變形結果分析與討論焊接過程中變形的主要原因是焊縫處局部加熱溫差過大造成的。加熱時產生的組織和熱變形會受到焊件的剛度條件限制。在焊接加熱過程中產生的變形和應力稱為瞬態(tài)應力應變。冷卻后，瞬態(tài)應力得到部分釋放，在工件上依然存在的應力和變形稱為殘余應力變形。變形最大處均位于離焊縫較遠的位置，可選取底板的兩側和立板的上側來進行變形分析，由于T型為對稱結構，所以采取只分析底板的右側和立板的上側進行分析，即不討論A3-F3，只對A1-F1和A2-F2進行分析討論，如圖8所示。圖8焊接后變形測量點對于底板右側A1-F1不同焊接結構順序下的變形量的大小，并列斷續(xù)中采用方案c變形最大，最小變形出現(xiàn)在方案b中，但方案b相對于方案d波動較大；交錯斷續(xù)的變形量波動雖然較大，但采用方案a的變形量和波動大小比較?。贿B續(xù)焊接由于是滿焊，與其余兩種斷續(xù)焊相比相對均勻，采用方案c的變形量最小。通過對比以上三種焊接，可以看出交錯斷續(xù)焊接、連續(xù)焊接的最大變形均在方案b中，分別為0.6221mm、1.468mm，最小變形量為并排斷續(xù)時的方案b為0.1518mm，連續(xù)焊接中變形最大的方案c是0.2562mm?？傮w上看，連續(xù)焊接比其他兩種焊接方式變形量大，交錯斷續(xù)變形量最小，但是變形不均勻，如圖9所示。并列斷續(xù)交錯斷續(xù)連續(xù)焊接圖9底板右側變形量在立板上側取測量點A2-F2。在并列斷續(xù)中，方案d的變形量比較小，方案b的變形量最大。在交錯斷續(xù)焊接中，方案e和方案d的變形量較小，但方案d變形量比較穩(wěn)定。在連續(xù)焊接中，最大和最小變形量出現(xiàn)在方案d中，但是方案a的變形量很小且穩(wěn)定。比較這三種焊接方法，最小變形和最大變形均在連續(xù)焊接的方案d中出現(xiàn)，最小變形量為交錯斷續(xù)中的方案e，如圖10所示。并列斷續(xù)交錯斷續(xù)連續(xù)焊接圖10立板上側變形量5結論使用焊接模擬軟件，研究了三種焊接方案（連續(xù)焊接、并列斷續(xù)焊接和交錯斷續(xù)焊接）在不同焊接順序下的T型接頭的變形情況。結果表明：(1)三種不同類型的焊接方法，變形量從小到大的是交錯斷續(xù)焊接、連續(xù)焊接、并列斷續(xù)焊接。(2)采用斷續(xù)焊接的方式會對工件的應力場和組織場產生影響。(3)斷續(xù)交錯焊接可以減小焊接變形。在間歇焊接時，應同時考慮焊接變形和焊接應力。可以考慮通過調整斷續(xù)的焊接間隙大小來改變焊接變形和焊接應力。參考文獻：[1]馬慶飛,李志芳,陳輝,楊小坡.焊接方向對T型接頭焊接變形的影響[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2018(04):155-156.[2]劉勝,楚錫華,徐遠杰,何勇.薄板T型焊殘余應力數(shù)值模擬與試驗研究[J].熱加工工藝,2017,46(03):238-241+245.[3]谷京晨,童莉葛,黎磊,王立,尹少武,白世武.焊接數(shù)值模擬中熱源的選用原則[J].材料導報,2014,28(01):143-146.[4]李瑞英,趙明,吳春梅.基于SYSWELD的雙橢球熱源模型參數(shù)的確定[J].焊接學報,2014,35(10):93-96+117-118.[5]閆德俊,劉雪松,楊建國,方洪淵,楊永強.焊接過程數(shù)值模擬材料參量的確定[J].焊接學報,2012,33(09):24-28+114.[6]劉國寧,李楠楠,宋曉輝,馬利偉,周明陽,姚鵬,邢軍偉.焊接順序對T型接頭焊接溫度場、應變場和應力場的影響[J].熱加工工藝,2019,48(13):142-147.

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