T型接头焊接残余应力及变形调控研究

2021-08-08韩成才郭龙龙

西安石油大学学报(自然科学版) 2021年4期

韩成才，郭龙龙

(西安石油大学机械工程学院，陕西西安 710065)

引言

T型接头是最典型的焊接接头，被广泛地应用于舰船、桥梁、车辆、航天、航空、石油化工、起重机械等行业的重要结构中[1-2]。焊接过程中材料受到热源不均匀地加热和冷却，造成焊件膨胀、收缩不均匀，最后导致残余应力和变形，继而对结构的强度、稳定性以及装配精度产生不良影响[3-4]。因此，非常有必要针对T型接头的焊接残余应力、变形调控开展研究。

国内外学者围绕T型接头的残余应力、变形进行了比较广泛的研究。如：李青等[5]利用Sysweld软件建立有限元模型，分析了约束条件对薄板T型接头焊接残余应力及变形的影响；刘阁等[6]利用Sysweld软件分析了316L不锈钢T型、单侧两道焊接头的温度场与应力场；刘胜等[7]采用Abaqus软件分析了Q235钢薄板T型双侧焊接的残余应力及变形；逯世杰[8]等研究了T型接头单侧多层多道焊的残余应力分布和变形的演化特征；沈济超等[9]采用分段移动热源模型计算了船舶T型接头的焊接变形和应力；廖娟等[10]考虑相变，分析了高强钢T型接头单侧多道焊的残余应力及变形；张迪[11]基于Abaqus软件建立有限元模型，对比研究了T型接头MAG焊接、焊趾TIG重熔等状态下的温度场和残余应力场；Nateghi等[12]采用SimufactWelding软件分析了T型接头的翼板坡口形式对温度场、残余应影响规律，并进行实验验证；Deng Dean等[13]基于均匀的体热源模型与高斯面热源模型的共同热作用，利用Abaqus建立了SM400A低碳钢T型焊接头的有限元模型，分析了其挠度变形、角变形及横向收缩；Mato Peric等[14]采用3D单元、3D与2D混合单元建立T型焊接头的有限元模型，分析了其变形、残余应力及计算精度；曹淑芬等[15]对铝合金T型接头双脉冲MIG焊的温度场、应力、变形进行了模拟。然而，关于焊接路径及约束对T型接头多层多道焊残余应力、变形影响的研究比较罕见，有必要开展与其相关的研究。

基于热-弹塑性理论，建立了T型接头的热力耦合有限元模型，并进行试验验证，分析了焊接路径、约束对残余应力和变形的影响规律，研究成果可为T型接头焊接工艺的优化提供依据。

1 试验方法与材料

腹板和翼缘尺寸均为150 mm×350 mm×20 mm，对应的材料为SUS304不锈钢，腹板厚度方向的中间截面与翼缘宽度方向的中间截面重合，腹板和翼缘的两侧、两端分别点焊固定，如图1(a)所示。焊接方法为焊条手工焊，焊接电流100～110 A、焊接电压28～30 V，焊接速度22～24 cm/min，焊道间温度不超过200 ℃，腹板单侧各4道焊缝，两侧依次、逆向焊接，标记为方案A，试样如图1(b)所示。

图1 焊接试验Fig.1 Welding experiment

2 有限元模型的建立及验证

2.1 几何模型及网格划分

根据腹板、翼板、焊缝的实际尺寸和几何形状，建立T型接头的几何模型，并导入Abaqus进行网格划分。由于焊缝及热影响区温度梯度、应力梯度大，为了获得准确的计算结果，采用非均匀的网格划分策略，即在焊缝及热影响区划分细密的网格，在其他区域划分稀疏的网格；此外，为了实现采用Python语言编辑程序控制焊缝单元的逐步、顺次填充，焊缝区域全部划分为六面体网格，如图2所示。

图2 T型焊接接头的网格Fig.2 Grid division of T-shaped welding joint

考虑焊接路径的不同，设计了4种焊接方案，依次称为方案A、B、C、D，其中方案A为焊接试验所采用的工艺，如图3所示。图中的箭头代表对应焊缝的焊接方向，数字代表焊缝的焊接次序。建立几何模型、有限元模型时，忽略焊接方案引起的焊缝几何形状的差异。

图3 焊接方案示意图Fig.3 Schematic diagram of welding schemes

2.2 热源模型及温度场计算

兼顾计算结果的精度、求解效率，选择分段热源模型模拟电弧的加热。此外，考虑焊接过程中焊条与水平面之间夹角对温度分布的影响，在笛卡尔坐标系中，分段热源模型的公式为

(1)

(2)

式中：qs(x,y,z)为热流密度；qsm为热流密度最大值；a为椭球长度参数；b为椭球宽度参数；θ为焊条与水平面的夹角；(xc,yc,zc)为焊接起点的坐标；ts为热源作用时间；vm为焊接速度。

基于Abaqus软件建立焊接有限元模型时，以1 s为时间步长建立焊接分析步，每个连续的冷却过程作为1个冷却分析步，利用Python语言编辑程序实现分析步的快速、高效建立；同时，焊接中涉及焊缝材料的逐步填充，该过程的模拟通过修改Abaqus的关键词实现，即“MODEL CHANGE,TYPE= ELEMENT/ ADD”。此外，Abaqus温度场分析时，与坐标、时间相关的热源密度无法直接添加，因此利用Fortran语言编辑Abaqus软件的热源接口DFLUX子程序，将分段热流密度施加到温度场分析的模型上。各节点的温度可通过求解非线性传热方程

(3)

来获得[16]。式中：c为比热容；ρ为密度；t为时间；kx、ky、kz分别为x、y、z方向上的热传导率；T为温度；q为热源密度。

同时，考虑材料热性能参数随温度的非线性变化；此外，为了模拟熔池流动对温度场的影响，对母材和焊缝材料的热传导系数进行修正，即将其熔点以上的热传导系数值设置为熔点处的3倍[17-18]。将与空气接触的表面设置为对流、辐射表面，对流换热系数取值15 W/(m2·℃)，热辐射系数取值0.7。

2.3 应力与应变计算

在应力场计算过程中，使用与温度场完全相同的网格模型，并将温度场计算结果作为应力场计算的载荷，通过Abaqus的Predefine Field实现温度载荷的施加，从而求解焊接过程中的位移、应变和应力。所采用的单元类型为C3D8R单元，与温度场分析相对应。假设材料的弹性应力-应变关系符合Hooke定律，塑性行为符合Von Mises准则[19]；利用各向同性硬化准则模拟焊接中的加工硬化现象[20]；通过设置退火温度模拟材料的退火效应[21]。计算模型中的力学边界条件仅用于避免模型发生刚性运动，约束如图2所示，即将图示位置的X、Y、Z方向的自由度全部约束。

2.4 模型的有效性验证

方案A的有限元模拟变形、实测变形，如图4所示。可以看出：底板两侧的变形最明显，主要表现为角变形，模拟值与实测值吻合良好。这表明：建模方法正确，所建立的模型准确，能够准确反映焊接变形与应力的分布。

图4 变形模拟值与实测值的对比Fig.4 Comparison of simulated deformation with test deformation

3 焊接路径对残余应力、变形的影响

3.1 对残余应力的影响

方案A焊接对应的残余应力分布如图5所示。由图5可见：焊缝及其邻近区域的Von Mises应力峰值大于焊缝材料的屈服强度；纵向残余应力的峰值大于横向、焊缝厚度方向的残余应力，且大于焊缝材料的屈服强度。焊缝区域产生高残余应力的原因是：奥氏体不锈钢本身加工硬化倾向显著，多层多道焊接过程中材料会产生较大的塑性变形，产生塑性变形区域内的材料发生加工硬化、屈服应力增大，产生比焊缝材料屈服强度更高的残余应力。

图5 方案A对应的残余应力(单位:Pa)Fig.5 Residual stress of welding scheme A

不同方案焊接残余拉应力峰值，如图6所示。由图6可知：方案B、C、D对应焊件的焊接残余应力峰值分布规律与方案A相同；各方案对应焊缝及其邻近区域的Von Mises应力峰值大于焊缝材料的屈服强度；焊接路径对横向、焊缝厚度方向的残余应力峰值有显著影响，对纵向残余应力峰值影响不明显；与方案A相比，方案D的Von Mises应力，Y、Z方向的应力降低了3.0%、4.1%、8.9%，X方向的应力增加了12.8%。

图6 不同方案焊接残余拉应力峰值Fig.6 Peak values of residual stress of different welding schemes

3.2 对焊后变形的影响

方案A焊接对应的变形分布，如图7所示。由图7可见：T型接头的变形以底板两侧的角变形为主，即底板在Z轴正方向的变形为主要变形；X、Y方向的焊接变形明显小于Z方向的变形。不同路径焊接对应的变形，如图8所示。可见：与实际焊接方案B相比，方案D总变形及X、Y、Z方向的变形减小幅度为19.6%、15.3%、2.1%、20.8%。因此，焊接路径对总变形、分量有显著影响，合理地规划焊接路径有助于降低焊接变形。综合考虑焊接路径对残余应力、变形的影响，对T型接头采用方案D进行焊接，所得的焊后残余应力、变形相对较小。