焊接顺序对角接接头残余应力和变形的影响刘利明

焊接顺序对角接接头残余应力和变形的影响刘利明
发布时间：2021-10-27T06:56:34.038Z 来源：《建筑学研究前沿》2021年15期作者：刘利明周飞[导读] 焊接是连接材料的重要方法。

焊接过程中加热和冷却不均匀导致工件焊接变形，是影响零件质量的最重要因素之一。

长期以来，研究人员和学者在焊接变形计算、变形控制和试验方面做了大量的工作。

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摘要：焊接是连接材料的重要方法。

焊接过程中加热和冷却不均匀导致工件焊接变形，是影响零件质量的最重要因素之一。

长期以来，研究人员和学者在焊接变形计算、变形控制和试验方面做了大量的工作。

根据目前的研究现状，主要研究对接接头和丁字接头的焊接部分。

在实际加工制造中，角接头广泛应用于一些特殊的焊接结构，如箱体结构，典型的是传动箱。

这类构件在焊接时的连接方式主要是角接。

采用有效的焊接工艺优化方案，减少焊后变形和焊接残余应力，对提高零件的质量、寿命和精度具有现实意义。

因此，本文以角节点为例，利用有限元软件进行数值模拟，一方面可以弥补试验的固有不足，另一方面可以节约成本，提高工作效率。

通过模拟不同工艺产生的焊接变形和残余应力，总结出焊接顺序对角焊缝焊接残余应力和变形的影响，对以角焊缝为主的构件的实际焊接具有一定的指导意义。

关键词：角接接头；热固耦合；焊接顺序；残余应力；变形
1角节点的数值模拟方法
基于有限元分析软件ABAQUS，对平板角焊缝的温度场和应力应变场进行了模拟计算。

其中，建立准确的板角焊缝有限元模型是模拟板角焊缝焊接的关键。

首先对模型进行简化，然后在ABAQUS软件中定义材料属性，根据实体模型划分网格，选择合适的单元类型，求解温度场。

其次，根据温度场设置应力场分析步骤和合适的边界条件求解应力应变场。

1.1有限元模型
首先在Creo中建立三维几何模型和母件几何模型，板厚16mm，焊接坡口角度40°。

然后利用Hypermesh软件对几何模型进行网格划分。

为了提高计算效率和精度，模型采用了过渡网格法。

网格完成后，有61，485个节点和54，250个单元。

本文采用热弹塑性有限元法对角焊缝的焊接残余应力和变形进行分析，采用顺序耦合的方式进行计算，即在温度场计算完成后，将计算结果的ODB文件以热载荷的形式加载到应力场计算中，从而计算出焊件的变形和残余应力。

同时，为了考虑材料性能随温度变化的特点，包括热物理性能和力学性能，假设焊缝金属和母材具有相同的热物理性能和力学性能。

焊件整体材料为304不锈钢，其热物理性能参数与参考文献[2]相同。

为了更符合实际情况，本文在模拟计算中采用了细胞生死技术，即在模拟计算之前杀死这些细胞。

在ABAQUS中，利用Python编辑脚本程序，在初始步骤中去除焊缝中的所有单元，然后在焊接过程中以一定的速度依次激活不存在的单元，相当于实现了焊缝的分步填充过程。

同时，为了提高计算效率，缩短计算时间，采用了等密度热源模型。

在ABAQUS中，热源被依次激活填充焊缝，热源作为一个整体作用在焊缝上。

在ABAQUS中，调用Fortran2013编写的子程序，实现焊接过程中的热源加载。

1.2焊接有限元模型及验证
为了验证本文所用焊接方法的可靠性，采用了平板对接焊缝进行验证。

根据分析，对接接头模型的变形趋势和应变云图与NinshuMa等人[23]的实验计算结果一致。

选择与试验相同位置的观测点，例如试验中某一点的变形为0.19mm，同一位置的模拟变形为0.165mm，误差约为13.1%。

根据不同观测点的误差计算平均值，变形误差约为15%。

这说明本文建立的有限元模型是合理的，能够准确反映焊接残余应力和变形，保证了模拟的准确性和可靠性。

1.3分段焊接方案的确定
在分段焊接的焊接过程中，焊缝沿焊接方向平均分为两段，厚度方向填四层进行焊接。

同时，考虑到实际焊接情况，假设母件位于一个组件上，无坡口的母件被完全约束，仅考虑被焊接件的变形，设计了4种不同的焊接方案。

2角焊缝的焊接温度场
不同的焊接方向和焊接顺序对焊接温度场的温度分布的影响基本相同，所以只介绍第一种方案作为例子。

焊缝逐渐充满焊接，单元生死技术成功实现了焊缝的填丝过程，其温度曲线在焊缝中心明显高于焊缝周围区域，并随时间逐渐降低。

即焊接温度场的模拟与实际情况基本一致，使得以温度场为预定义场的应力应变场的计算更加准确可靠，进一步提高了焊接工艺优化中数值模拟的可靠性和准确性。

三角接头焊接残余应力场
米塞斯应力峰值主要分布在焊接区域。

在厚度方向上，焊件上的残余应力分布基本一致，应力分布相对均匀；纵向残余拉应力主要发生在焊缝及其附近，而纵向残余压应力主要发生在远离焊缝的区域和焊缝两端。

焊接横向残余应力的峰值区域主要分布在焊缝周围，残余拉应力存在于焊缝两端。

焊接顺序对沿厚度方向的热应力和残余应力影响不大。

vonMises应力在450兆帕至540兆帕之间波动，残余应力沿厚度方向在15兆帕至15兆帕之间波动。

也就是说，在平行于焊件的表面上，沿厚度方向的vonMises应力和残余应力沿焊接方向变化很小，基本相等。

对于两段焊的角焊缝，分段焊的焊后区域可以有效降低焊前区域的残余应力，尤其是横向残余应力。

此外，焊缝起止端的焊趾处存在残余压应力，但压应力幅值相对较小，而焊件中部的焊趾逐渐转化为残余拉应力，残余拉应力幅值随着距离的增加而增大。

由于分段焊接对焊接横向残余应力的影响规律与纵向残余应力相似，这里省略了横向残余应力的情况。

为了验证焊接方向和顺序对横向收缩的影响，选取了焊件最边缘的一排点进行了四种方案的变形规律研究。

由于各方案的焊接横向变形规律相似，这里主要分析方案D。

从方案D中焊接件的横向变形曲线可以看出，中间截面的焊接变形相对较小，两个截面的焊接变形相对较大。

这是因为方案D是从中间向两侧焊接，焊接变形随着焊缝的填充而增大，在焊件两端最大。

为了更符合实际情况，沿焊缝方向设置三个点焊，即生成三组网格元素来约束两个焊件的相对位置。

点焊分布在焊缝的两端和中部，但中部的点焊不在中心，而是在中部的左侧位置，所以横向变化最小。

3 形状位于中间偏左，出现横向变形峰的右端为
8.18毫米.通过对焊接横向变形的分析可以发现，沿焊缝方向，横向收缩逐渐增大并趋于稳定，点焊位置会明显影响其变形。

对于四种方案，取焊件中间垂直于焊缝的一排点来研究其变形规律。

随着距焊缝距离的增加，变形峰值主要出现在远离焊缝的区域，即焊件边缘，四种方案对对角变形的影响规律相同。

通过分析比较，可以得出角焊缝变形以横向变形为主，方案C明显优于其他三种方案，焊件横向变形峰值为6.67mm，纵向变形峰值为0.344 mm，这是因为方案C分段焊接的起弧位置在焊件两端，两段焊缝的起弧区域相距较远，焊接方向相反。

由于横向收缩沿焊接方向逐渐增大，当两端焊缝相对时，最大横向变形应出现在焊件中心。

但由于板角焊接，中部焊件的刚度最大，所以其横向变形在四种方案中最小。

另外，对比不同方案的残余应力峰值，不难发现方案C的残余应力最小，四种方案的vonMises应力相同。

综上所述，通过比较不同方案的应力和变形，方案C是最优的焊接顺序。

4结论
（1）基于等密度体热源模型和热弹塑性有限元方法，得出焊接顺序对带对角接头板应力和变形的影响规律。

（2）基于ABAQUS软件，利用Python语言编辑程序建立分析步骤，控制焊缝元素的顺序填充，利用Fortran语言开发热源子程序，建立焊接热固耦合有限元模型。

建立的有限元模型能准确反映焊接温度场、残余应力和变形。

（3）角节点最主要的变形是横向角变形，纵向变形较小。

对于以角接为主的构件，需要控制其横向角变形，以提高构件的精度；沿焊缝方向，横向角变形逐渐增大并趋于稳定，不同的点焊位置会明显影响其变形。

（4）对于两段焊接、四层焊缝填充的板间角焊缝，焊后区域可以有效降低第一焊接区域的残余应力，尤其是横向残余应力。

（5）通过比较四种方案的残余应力和变形，可以得出方案C是最优的焊接顺序，即从两端到中间的焊接顺序可以大大减小横向变形和应力，有利于提高焊件结构的使用寿命和精度。

参考文献
[1]薛松柏，王博，张亮，等．中国近十年绿色焊接技术研究进展[J]．材料导报，2019，33（9）：2813-2830．
[2]何冠中，楼铭，马运五，等．铝钢电阻单元焊接头力学性能模拟[J]．上海交通大学学报，2019，53（5）：108-115．
[3]杨辉，张国栋，李正刚，等．焊接顺序对Cr13型抗磨板表面堆焊变形的影响[J]．焊接学报，2017，38（4）：90-94．。