埋弧焊焊接及校正過程數(shù)值模擬

王軍 劉世忠 康峰

摘要：針對(duì)金屬結(jié)構(gòu)在焊后易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和焊接變形的問題，以一種對(duì)焊鋼制梁為例，采用有限單元法模擬埋弧焊焊后的殘余應(yīng)力和變形。結(jié)果表明，鋼制梁焊后存在較大的殘余應(yīng)力，且縱向殘余應(yīng)力大于橫向殘余應(yīng)力。以焊接結(jié)果為初始條件，分析是否考慮殘余應(yīng)力對(duì)校正后鋼制梁應(yīng)力分布的影響，結(jié)果顯示校正后焊縫處仍存在較大的應(yīng)力，因此焊接殘余應(yīng)力不能忽略。

關(guān)鍵詞：埋弧焊;殘余應(yīng)力;變形校正;應(yīng)力分布;有限單元法

0? ? 前言

金屬結(jié)構(gòu)在焊接過程中，由于結(jié)構(gòu)各部分膨脹收縮程度不同或在膨脹收縮時(shí)受到限制等原因，在焊縫金屬和靠近焊縫的母材區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和殘余變形，影響結(jié)構(gòu)的尺寸精度和受力特性。

焊接過程中的變形和殘余應(yīng)力可通過固有應(yīng)變法、熱塑性法和局部整體映射法進(jìn)行理論計(jì)算[1]。由于復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)和焊接過程中的熱力非線性等原因，具體工程分析時(shí)可借助ANSYS、ABAQUS和MSC.MARC等通用有限元平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)[2-3]，或直接應(yīng)用焊接專用軟件SYSWELD[4-5]和Quick Welder[6]計(jì)算?，F(xiàn)有文獻(xiàn)多關(guān)注焊接過程的數(shù)值模擬，而對(duì)于焊接變形的校正關(guān)注較少。文獻(xiàn)[7-8]使用ANSYS對(duì)不同焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了變形校正模擬，但均忽略了焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力。研究表明，有時(shí)殘余應(yīng)力甚至?xí)^材料的屈服應(yīng)力[9]，因此是否可以忽略焊接殘余應(yīng)力有待商榷。

文中以一種對(duì)焊鋼制梁（以下簡(jiǎn)稱梁）為例，首先使用有限元軟件ABAQUS（達(dá)索，2016）模擬埋弧焊焊接過程的殘余應(yīng)力和變形，然后以焊接結(jié)果為初始條件，對(duì)比分析焊接殘余應(yīng)力對(duì)校正后梁的應(yīng)力分布的影響。

1 有限元分析

焊接過程是一個(gè)伴隨相變、熱傳導(dǎo)和結(jié)構(gòu)變形的高度非線性的物理過程，校正過程則是一個(gè)使用外加載荷使結(jié)構(gòu)發(fā)生彈（塑）性變形的過程，梁依次經(jīng)歷加熱、冷卻和校正三個(gè)過程，對(duì)比分析不含殘余應(yīng)力只包含變形的校正過程，如表1所示。

1.1 材料參數(shù)

梁的材料為Q345鋼材，在焊接過程中，金屬材料性能隨溫度急劇變化，因此需要考慮材料物理性能、力學(xué)性能與溫度的關(guān)系，但是由于試驗(yàn)難以測(cè)定高溫下材料的熱物理特性和力學(xué)特性，故引用文獻(xiàn)[10]中的參數(shù)作為計(jì)算依據(jù)。

1.2 有限元模型

建立梁的幾何模型，對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。加熱分析步的時(shí)間步長(zhǎng)為0.1 s，防止出現(xiàn)“ 躍階 ”現(xiàn)象[11]。在冷卻分析步中，假設(shè)對(duì)梁經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間冷卻達(dá)到穩(wěn)態(tài)。對(duì)兩底面施加y向位移約束，對(duì)模型施加對(duì)流換熱和輻射換熱邊界條件，如表2所示。通過單元生死技術(shù)描述焊縫金屬的填充過程。建立的有限元模型如圖1所示。

對(duì)接焊接采用工藝性較好的自動(dòng)埋弧焊。由于埋弧焊焊接熔池體積大、焊縫熔深大，焊接過程中熔池形狀為前大后小，因此假設(shè)焊點(diǎn)形狀為雙橢球分布模型，熱源前后1/4橢球的熱流分布分別為[12]：

式中 q1、q2分別為熱源前、后1/4橢球的熱流分布函數(shù)（單位：J/m·s）;A1、A2分別為前、后1/4橢球的x方向半軸長(zhǎng)度（單位：mm）;B為y方向的半軸長(zhǎng)度（單位：mm）;C為z方向的半軸長(zhǎng)度（單位：mm）; f1和 f2分別為前、后1/4橢球能量分配系數(shù)，且 f1+ f2=2;Q為有效熱源功率（單位：W），在Q=ηUI中， η為熱源效率，為88%;I為焊接電流，范圍為290～330 A;U為電弧電壓，范圍為33～38 V。計(jì)算時(shí)電流和電壓取中間值。

2 結(jié)果及討論

實(shí)際生產(chǎn)中較少關(guān)注焊接結(jié)構(gòu)的溫度變化，更關(guān)注焊接造成的殘余應(yīng)力和變形，以便進(jìn)行校正。故以下省略溫度結(jié)果，主要討論梁的殘余應(yīng)力和變形。

2.1 焊接殘余應(yīng)力和變形

焊縫金屬冷卻后，焊縫縱向收縮使得焊縫和近焊縫處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，查看Mises等效應(yīng)力，最大值為304 MPa，接近母材的屈服強(qiáng)度345 MPa，因此不能忽略焊接造成的殘余應(yīng)力（見圖2a），縱向殘余應(yīng)力明顯大于橫向殘余應(yīng)力（見圖2b、2c）。提取沿焊縫路徑焊接變形，y向最大位移為0.446 mm（見圖3），位于焊縫上第133號(hào)節(jié)點(diǎn)。

2.2 校正后的應(yīng)力分布

若金屬結(jié)構(gòu)在經(jīng)過焊接加熱后產(chǎn)生的變形超過許用范圍，則需要對(duì)其進(jìn)行校正。在校正過程中，校正載荷抵消或部分抵消殘余應(yīng)力，結(jié)構(gòu)發(fā)生復(fù)雜的彈塑性變形。在進(jìn)行焊接校正分析時(shí)，只考慮焊接變形而忽略殘余應(yīng)力則會(huì)導(dǎo)致結(jié)果相差較大。以下在彈性范圍內(nèi)討論是否考慮殘余應(yīng)力時(shí)，在校正后的應(yīng)力分布。

首先需要獲得焊接變形后的幾何特征，新建立一個(gè)模型并將焊接變形后的幾何特征導(dǎo)入，此時(shí)的模型為孤立網(wǎng)格，只包含空間節(jié)點(diǎn)信息，需要重新定義梁的材料屬性。對(duì)模型定義2.1節(jié)的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果，得到包含焊接變形和殘余應(yīng)力的有限元模型。在第133號(hào)節(jié)點(diǎn)上施加y向位移-0.446 mm，獲得經(jīng)過校正后的應(yīng)力分布。未包含殘余應(yīng)力而只需要導(dǎo)入變形后的幾何特征，不定義預(yù)應(yīng)力場(chǎng)，位移載荷相同。

對(duì)比圖2c，如考慮殘余應(yīng)力，校正后一部分載荷用于抵消結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，應(yīng)力仍然集中在焊縫區(qū)域但區(qū)域明顯減小，最大值由304 MPa減小到222 MPa （見圖4a）。而未考慮殘余應(yīng)力只考慮焊接變形時(shí)，應(yīng)力很小且分布較為分散（見圖4b）。

3 結(jié)論

采用通用有限元軟件ABAQUS模擬了一種對(duì)焊鋼制梁經(jīng)過埋弧焊焊接后的殘余應(yīng)力和變形，并以焊接結(jié)果為初始條件，對(duì)比分析是否考慮殘余應(yīng)力時(shí)，梁經(jīng)過校正后的應(yīng)力分布，得到以下結(jié)論：（1）焊后，梁結(jié)構(gòu)在焊縫和近焊縫處存在較大的殘余應(yīng)力，已接近母材的屈服極限，校正分析時(shí)不能忽略。（2）以焊接結(jié)果為初始條件，對(duì)比分析是否考慮殘余應(yīng)力時(shí)梁經(jīng)過校正后的應(yīng)力分布?？紤]殘余應(yīng)力時(shí)，載荷抵消了部分殘余應(yīng)力，校正后應(yīng)力仍集中在焊縫處，因此不能忽略。

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