焊接方向?qū)型接頭焊接變形的影響

馬慶飛 李志芳 陳輝 楊小坡

【摘 要】論文以T型接頭為研究對(duì)象，采用熱彈塑性有限元方法，研究分析了不同焊接順序，主要是焊接方向?qū)附幼冃蔚挠绊?，結(jié)果表明：T型接頭立板的最大變形量在焊接收弧位置；采用分段退焊時(shí)，立板的焊接變形量比較均勻且最小。

【Abstract】In this paper， taking the T-joint as the research object， the influence of different welding sequence， mainly welding direction on welding deformation is studied by using thermoelastic-plastic finite element method. The results show that the maximum deformation of the vertical plate of the T-joint is at the welding arc closing position， and that the welding deformation of the vertical plate is uniform and minimal when the welding step back is adopted.

【關(guān)鍵詞】有限元；T型接頭；焊接順序；焊接變形

【Keywords】finite element； T-joint； welding sequence； welding deformation

【中圖分類號(hào)】TG404 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）04-0155-02

1 引言

T型接頭是將互相垂直的被連接件用角焊縫連接起來(lái)的接頭，能承受各種方向的力和力矩，它是一種常用的焊接接頭，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)，在航空航天、石油化工、車輛和農(nóng)業(yè)設(shè)備、港口起重機(jī)械和森工機(jī)械、船舶、橋梁、壓力容器和管道的支撐結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)用廣泛。焊接過(guò)程中存在不均勻的加熱和冷卻，導(dǎo)致焊接完成后產(chǎn)生殘余焊接變形。焊接變形不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的美觀和裝配性能，同時(shí)會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[1-2]。通過(guò)優(yōu)化焊接順序，在不增加制造成本的情況下，降低焊接變形。本文以T型接頭為例，采用有限元的方法，模擬不同焊接工藝產(chǎn)生的焊接變形。

2 有限元模型

幾何模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示，網(wǎng)格劃分是為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率，焊縫及其附近網(wǎng)格劃分細(xì)小，原理焊縫的位置網(wǎng)格較為粗大，網(wǎng)格劃分完成后共有54250單元，64404個(gè)節(jié)點(diǎn)。幾何模型長(zhǎng)度為500mm，高度為200mm，寬度為150mm。文中采用熱彈塑性有限元方法分析了T型接頭的焊接變形。在熱彈塑性有限元分析中，采用單向耦合的方式進(jìn)行計(jì)算，即先進(jìn)行溫度場(chǎng)的計(jì)算，然后將溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果以熱載荷形式加載到應(yīng)力計(jì)算模型中進(jìn)行應(yīng)力求解，在計(jì)算溫度場(chǎng)和應(yīng)力分布時(shí)，考慮了材料的熱物理性能和力學(xué)性能隨溫度變化的特性，同時(shí)假定焊縫金屬與母材具備相同的熱物理性能和力學(xué)性能。

3 方案結(jié)果分析及討論

數(shù)值模擬過(guò)程中，把底板完全約束住，只考察立板的變形情況，計(jì)算共分為四種方案，方案1：一道焊縫焊接完畢，焊接順序標(biāo)注在圖2中。方案2：焊縫分兩段焊接，從兩端向中間焊接，焊接順序標(biāo)注在圖4中。方案3：焊縫分為兩段焊接，采用分段退焊的焊接順序，標(biāo)注在圖6中。

3.1 方案1

焊接順序如圖2所示，從圖2可以看出，整條焊縫采用一次焊接完成的焊接順序，位移云圖如圖3所示，由于考察立板的變形，焊接完成后顯示X方向的位移云圖（即圖中箭頭所示方向），從圖3看以看出：立板在焊接結(jié)束位置的變形量為4.053mm，明顯大于焊接起始點(diǎn)的位移量2.769mm。對(duì)于T型接頭，焊接完成后由于焊縫的收縮產(chǎn)生角變形，而底板完全約束，所以立板產(chǎn)生了明顯的X方向的位移。角變形的產(chǎn)生主要是由于焊縫的橫向收縮引起，橫向收縮沿焊縫長(zhǎng)度方向的分布不均勻，隨著焊接的進(jìn)行，橫向收縮逐漸增大，增大到一定程度趨于穩(wěn)定，即先焊焊縫的橫向收縮對(duì)后焊焊縫產(chǎn)生擠壓作用，使得后者的橫向收縮增大，因此橫向收縮沿焊縫長(zhǎng)度方向逐漸增大并趨于穩(wěn)定[3]。從仿真的位移云圖上可以看出，焊接結(jié)束點(diǎn)位置，立板產(chǎn)生的位移量明顯大于焊接起始點(diǎn)立板的位移量。

3.2 方案2

方案2的焊接順序如圖4所示，采用從兩端向中間焊接的焊接順序。垂直立板方向的位移云圖如圖5所示。從位移云圖可以看出：立板最大位移量在第二道焊縫結(jié)束點(diǎn)位置附近。第一道焊縫起弧點(diǎn)位置位移量最小。由于先焊焊縫對(duì)

后焊焊縫有橫向的收縮力，所以后焊焊縫產(chǎn)生的位移量大

于先焊焊縫產(chǎn)生的位移量。最大的位移量出現(xiàn)在第二道焊縫結(jié)束位置附近。但最大位移量未出現(xiàn)在第一道焊縫與第二道焊縫交點(diǎn)位置，可能由于焊接預(yù)熱的作用，當(dāng)?shù)诙篮缚p基本結(jié)束時(shí)，第一道焊縫的熱已經(jīng)傳導(dǎo)一定距離，對(duì)第二道焊縫有一定的預(yù)熱作用，減小了第二道立板的變形量，所以立板的最大位移量未出現(xiàn)在第一道焊縫和第二道焊縫交點(diǎn)位置。

3.3 方案3

方案3焊接順序標(biāo)注于圖6中，采用分段退焊的焊接順序，第二道焊縫的結(jié)束點(diǎn)與第一道焊縫的起始點(diǎn)相接。位移云圖如圖7所示，從位移云圖可以看出，最小位移出現(xiàn)在第二道焊縫開(kāi)始點(diǎn)位置，其值為3.162，最大位移量出現(xiàn)在距離第二道焊縫結(jié)束點(diǎn)180mm的位置，其值為3.367mm，比較最大和最小位移量，差別較小。這主要是因?yàn)?，焊接開(kāi)始點(diǎn)位置產(chǎn)生的橫向收縮較小，同時(shí)第二道焊縫結(jié)束點(diǎn)與第一道焊縫開(kāi)始點(diǎn)相交，所以產(chǎn)生的變形比較均勻。

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法，分析了不同焊接順序產(chǎn)生的焊接變形，可以得出以下結(jié)論：①采用有限元的方法，驗(yàn)證了沿焊縫方向，橫向收縮逐漸變大，并趨于穩(wěn)定。②對(duì)于T型接頭，中間部位的剛性大于端部的剛性。③分段焊接產(chǎn)生變形量小于一道焊縫焊接產(chǎn)生的變形量，而分段退焊時(shí)的變形趨勢(shì)最為均勻且最小。

【參考文獻(xiàn)】

【1】方洪淵.焊接結(jié)構(gòu)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

【2】田錫唐.焊接結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

【3】Dieter Radaj.焊接熱效應(yīng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.