焊接功率对焊件焊后应力应变的影响.pdf

tsVol.42,No.2Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology第4 2 卷第2 期June,20232023年6 月内蒙古科技大学学报焊接功率对焊件焊后应力应变的影响高耀东，马燕军，王鑫鑫，王杰（内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头014010)摘要：为研究焊接功率对复杂焊件焊后应力、变形大小和分布的影响，通过Visual-Environment软件平台建立实体模型，使用SYSWELD焊接软件作为求解器对Q345低合金钢在焊接工艺中选取不同焊接功率来进行仿真模拟.结果表明：1 6 8 0 W焊接功率的为残余应力、变形为3 组方案中的最小值，最大残余应力发生在第一条焊缝的开始处，达到5 9 6.8 3 MPa，最大角变形位置在顶板边缘，变形达到2.2 2 5 mm.仿真模拟发现：与实际2 1 0 0 W焊接工艺对比最大角变形值减小了1 8.6%保证其余焊接参数保持不变，焊接功率越大，焊缝变形程度越大：降低焊接变形的方法之一是控制焊接合理地功率。通过夹具体的数值模拟结果可以为后续实际生产焊接工艺提供可靠依据：关键词：焊接功率；Q345钢；残余应力；焊接变形；数值分析中图分类号：TC404文献标识码：A文章编号：2 0 9 5-2 2 9 5（2 0 2 3)0 2-0 2 0 0-0 5D01:10.16559/ki.2095-2295.2023.02.019The influence of weldingpoweron post-weld stress strain of weldmenGAO Yaodong,MA Yanjun,WANG Xinxin,WANG Jie(Mechanical Engineering School,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou O14010,China)Abstract:To study the influence of welding power on post-weld stress,deformation size and distribution of complex weldments,thesolid model of the welding workpiece was established by the Visual-Environment software platform,and the SYSWELD welding softwarewas used as a solver to simulate Q345 low-alloy steel by selecting different welding powers in the welding process.The results show thatthe residual stress and deformation generated by the welding power of 1 680 W are the minimum among the three schemes,and themaximum residual stress 596.83 MPa occurs at the beginning of the first welding process.The maximum angular deformation position isat the edge of the top plate,the deformation reaches 2.225 mm.The result of our simulation shows that the maximum angle deformationvalue decreases by 18.6%compared with the actual 210 W welding process.To ensure that the remaining welding parameters remainunchanged,the greater the welding power is,the greater weld deformation is.One of the ways to reduce the welding deformation is tocontrol the welding power.The results of the specific numerical simulation of the clamp can provide a reliable basis for the subsequentactual production of welding process.Key words:welding parameters;Q345 Steel;residual stress;welding deformation;numerical analysis金属结构焊接过程中不可避免的出现焊接变形以及焊接残余应力，是因为构件各部分受热不同，出现不同程度的热膨胀进而导致结构的精度降低。专用夹具体的焊接质量影响着后续工序生产精度，所以对夹具体的焊后应力变形的控制就很有必要。Q345合金钢具良好的可塑性、焊接性，被广泛运用于焊接领域 2 所以本文使用Q345作为焊接材料。而焊接功率是造成焊缝残余应力和焊缝变形的重要因素，所以有必要分析焊接功率对夹具体的残余应力及焊接变形的关系。*作者简介：高耀东（1 9 6 6），男，内蒙古科技大学教授，研究方向为有限元开发及应用。通信作者：e-mail：1 0 9 7 1 8 4 9 9 7 q q.c o m收稿日期：2 0 2 2-0 5-2 6201高耀东，等：焊接功率对焊件焊后应力应变的影响由于焊接在工程领域作为一种极为重要的金属结构件连接手段，因此研究者对此进行了广泛的研究于文霞等 3 对不锈钢薄带进行研究，发现家磁退火能够有效降低不锈钢的残余应力刘彬等 4.5 对T型接头、平板对接等焊接变形进行了预测与测试，通过有限元分析研究发现焊接顺序的控制的改善能够有效的控制焊接变形以及残余应力潘德刚 6 针对铝合金构建的焊接变形情况通过有限元模拟以及实验方法分析获得焊接接头的参数优化、焊接顺序优化，发现变形规律并减小焊接变形彭聪等 7.8 研究了不同激光功率以及不同的焊接速度对焊接接头的变形影响，研究结果表明，焊接接头的热输人功率增大会导致接头的焊接深度增加，相对低电流TIG焊接相比，激光焊接使得焊接断裂形式从脆性断裂变为了塑性断裂文献 9 1 1 研究表明模拟是研究相关因素影响焊接变形问题的有效工具然而，在焊接功率影响方面，此类研究，尤其是在复杂结构体焊接变形模拟方面，还不完善或处于初级阶段.以专用夹具体结构为例，使用焊接仿真软件SYSWELD进行多道角焊缝焊接模拟，从优化焊接功率方面来分析焊接残余应力以及焊接变形的分布及变形情况，模拟出最佳焊接工艺参数，找到焊接功率的最优方案并为实际焊接工艺提供科学指导。1有限元模型建立1.1有限元模型的建立及网格划分图1 几何模型为夹具体焊接结构底板的直径为1 5 0 0 mm，底板的孔径为1 0 0 mm，厚度为2 0 mm.顶板的外径为1 1 0 0 mm，内径为5 0 0 mm，厚度为20mm“L型”肋板的厚度为1 2 mm.由于夹具具体结构形状对称，为节约计算时间、提高运算效率，利用1/4 模型对夹具体进行温度场、残余应力及变形的计算几何模型通过proe建模软件进行绘制，然后专业网格划分软件Hypermesh进行网格划分.绘制过程为保证计算效率，需要进行划分区域（焊缝区、热影响区、远缝区），在离热源区域越近网格的越密集随着距离的增加，网格逐渐变大在网格过度位置要保证网格间的共节点，以免出现不收敛的问题.图1几何模型图1.2性能材料参数本课题采用Q345低合金钢高强钢，其力学性能优良，焊接性能良好之前不少学者做过试验，通过实验得到不同温度下Q345低合金高强钢的性能参数，为此研究提供了基础数据,如表1 所示 1 0 表1Q345性能参数比热容热膨胀系数1 0-6屈服强度弹性模量热导率温度/(J kg*1.-1)/MPa/CPa/(W m1.-l)2046111.93432104820053313.02761994740061114.21671844160078814.80.616336150078115.00.372351.3焊接工艺参数本次焊接所采用的焊接方式是熔化极氩弧焊（M I G），进行左右交替焊接在仿真中热源模型选取双椭球型热源模型双椭球热源 1 2 改善了高斯热源在高能量束焊接时，不能将厚焊件电弧击穿的问题，并对椭圆热源与实际焊接中上半段温度梯度大、下半段温度分布缓慢的缺陷进行了改良，为了最大程度模拟实际焊接过程，图2 中显示了这个模2022023年6 月第4 2 卷第2 期内蒙古科技大学学报拟仿真的焊接顺序所有焊道均采用5 mm/s的焊接速度，以焊接功率中3 7.5 V的焊接电压，3 5 0 A的焊接电流为基础，设置1 6 8 0 和2 5 2 0 W的焊接功率做对比热效率为0.8.焊接工艺中的焊接速度对焊接温度场的分布有很大影响，温度场的变化会导致应力应变场的变化。7982图2焊接顺序焊接仿真中的温度场和结构的边界条件温度场边界包括温度、热对流、热辐射3 种环境温度设为2 0,采用公式(1)1 3 施加热对流和热辐射.0.668 T0T500入：(1)L0.231T-82.1T 500式中：入为对流换热系数,W/(mC);T为温度，.在焊接过程需要限制焊接的移动或转动，同样有限元仿真也要限制其模型的自由度，防止计算中出现刚性位移导致计算出错本文选择的约束方式为底板的3 点式约束，四分之一模型处进行X,Y方向的对称约束，这样的约束方式既可以控制空间中3个方向上的位移，又可以使焊件的残余应力与变形得到有效的释放，如图3 所示。图3位移边界条件2焊接模拟及其数据分析2.1应力场的分析由图4、表2 可知，等效残余应力集中于焊缝和热影响区，扩散的范围较小.2 1 0 0 W焊接功率的最大等效应力分布在第二条焊缝中间位置，达630.47MPa，超过了Q345的屈服极限，发生塑性变形和疲劳裂纹发现随着焊接功率的提高可以看出其等效残余应力也在上升，1 6 8 0 W功率能够有效控制焊后残余应力的大小。(a)(b)(c)630.44640.51587.98588.41576.28522.18546.38512.04456.38504.35447.81390.58383.57324.79462.32319.34258.99420.29255.11193.19378.28190.87127.39336.23126.6461.59294.2062.404.21252.17-1.83-70.01210.15-66.06-135.81168.12-130.30-201.50-194.53-267.40126.09-258.77-333.2084.06-323.00-399.0042.030.001Z7图4 2 1 0 0 W残余应力（单位：MPa）（a)等效残余应力；(b)横残余应力；(c)纵向残余应力图4 所示，3 种残余应力的主要分布位置，最大横向拉伸应力在第三条焊缝处，其值达到640.5MPa;最大横向压缩应力在底板与肋板相接的位置，值为3 2 3.0 MPa;第六条焊缝位置为最大纵向拉伸应力，值为5 2 3.2 MPa;第七道焊缝位置为最大纵向压应力，值为3 9 9.6 MPa.数值较大的横向拉伸残余应力主要出现在焊缝与底板相焊接的位置，在远离焊缝的大多位置均为5 0 MPa左右的横向拉伸应力；纵向拉伸应力主要集中在第二条、第四条焊缝位置，其余位置（顶板、底板表面）大多表现为203高耀东，等应力应变的影响30MPa左右纵向残余压应力，由于金相组织受热发生相变，焊缝区出现拉应力，远离焊缝区的部位受到压应力.表2三种功率的等效应力峰值焊接功率最大等效应力最小等效应力/W0mx/MPaOmin/MPa1680596.831.352.100630.431.212520638.581.682.2残余应力的局部分布为了验证上述结论，针对焊后残余应力进行局部对照，顶部位置的提取路径如图5 所示。提取路径图5残余应力提取路径600-1680W500-2100W-2320W400300200100%100200300400500600距离/mm图6提取路径上等效残余应力2.62.42.2-2520Wuu/2.01.81.61.41.20100200300400500600距离/mm图7提取路径上横向残余应力图由图6,7 可以看出，1 6 8 0 W在局部提取路径节点上等效应力均小于其它2 种焊接功率，在焊缝处3 组功率均出现应力的突变情况在焊缝的同一位置焊接的功率的变化，残余应力值的大小也在改变从大多数节点上可以发现，1 6 8 0 W的等效残余应力小于方案为2 1 0 0 W和2 5 2 0 W的等效残余应力在将3 种焊接功率进行分析的情况下，经过整体和局部的共同对比可以发现，当焊接功率为1680W时，其等效残余应力峰值和提取路径上各点的取值均达到最小值。2.3不同焊接速度下残余变形的分析图示8 夹具体的整体变形均为角变形，其变形值较大，达到2.2 2 5 mm，集中在焊缝区域和顶部的边沿处焊接残余变形是伴随着残余应力而发生的，其中焊缝区和近缝区的温度升高，焊缝区和近缝区的受热和膨胀受周边冷态金属的约束而发生压缩和塑性变形在焊接时，这一部位无法自由地压缩，会被周围的金属拉扯，从而导致最后的残余变形 1 5 .通过对比图9 提取路径上各点角变形，1680W为最优焊接功率。它在3 种焊接方案中变形最小，达到了较好的焊接效果。通过有限元分析研究发现焊接功率的合理设置能够有效的控制焊接变形以及残余应力该方法可帮助焊接设计人员进行焊接工艺参数设计和工程师编制焊接工艺提供可靠的借鉴.表3 3 种功率下的焊接变形焊接功率最大整体变形最大角变形/WXmax/mmXmax/mm16802.2252.20621002.7342.7142.5203.7202.6482.2252.0771.9281.7801.6321.4831.3351.1871.0380.8900.7420.593N952390.4450.2970.1480.000图81680W整体变形云图（单位：mm）2042023年6 月第4 2 卷第2 期内蒙古科技大学学报500-1680W4002100W-2520W3002001000-100-200050100150200250距离/mm图9提取路径上各点角变形图3结论本文以1 6 8 0 2 5 2 0 W焊接功率为范围、Q345钢为原料焊接形成的专用夹具体复杂结构中的应力应变问题进行了模拟，得到以下结论：1）当其他焊接参数保持不变时，焊接残余应力和焊缝变形随着焊接功率的增加而变大.2)1680W焊接功率的为残余应力、变形为3组方案中的最小值，在第一条焊缝开始位置出现最大残余应力，达到5 9 6.8 3 MPa；最大变形位置在顶板的边缘处，变形达到2.2 2 5 mm3)通过焊接仿真模拟发现，与现有焊接工艺对比最大角变形值减小了1 8.6%.合理的焊接功率可以有效地改善焊接的品质.参考文献：1王中辉，李冬雪.焊接数值模拟技术的发展现状.焊管,2 0 1 0,3 3(0 6)：2 8.2李娅娜.焊接变形预测与控制的数值方法研究及工程应用 D.大连：大连交通大学，2 0 1 0.3于文霞，邢淑清，张思雨，等.电磁能退火对3 0 1 不锈钢薄带残余应力及性能的影响 门.内蒙古科技大学学报,2 0 1 9,3 8(0 1):4 1.4刘彬.T型接头不同坡口焊接角变形预测和控制方法研究 D.武汉：武汉理工大学,2 0 1 7.5顾颖.U肋加劲钢桥面板焊接残余应力与变形研究D.成都：西南交通大学,2 0 1 6.6潘德刚.铝合金构件焊接变形研究及焊接工艺优化D.长春：吉林大学,2 0 1 4.7LANG Q,ZHANG X L,SONG G,et al.Effects of dif-ferent laser power and welding speed on the microstruc-ture and mechanical properties of TRIP joints in laser-TIGarc hybrid lap fller wire weldingJ.Materials TodayCommunications,2021,29:102925.8彭聪，高向东，刘桂谦，等.激光功率对高强钢DP780一铝合金5 0 5 2 异种材料焊接的影响 J.机床与液压,2 0 2 1,4 9(0 7):2 2.9钱海盛，张宇，邓红川,等.焊接工艺参数对Q235钢焊接残余应力的影响.热加工工艺,2 0 1 5,4 4（0 5）：169.10周广涛，刘雪松，闫德俊，等.顶板焊接顺序优化减小焊接变形的预测.焊接学报,2 0 0 9,3 0(0 9)：1 0 9.11陈锋.焊接工艺对不锈钢焊接变形的研究 D.上海：上海交通大学,2 0 0 9.12莫春立，钱百年，国旭明，等.焊接热源计算模式的研究进展.焊接学报,2 0 0 1（0 3）：9 3.13何志刚，蔺鹏臻，刘应龙.考虑焊接残余应力的钢桥面板U肋焊接处局部应力分析 刀.工程科学与技术,2 0 2 0,5 2(0 4):1 3 2.14佟国臣.金属结构焊接变形的控制与矫正.世界有色金属，2 0 1 7（1 3）：2 5 2.（责任编辑：师宝萍）