胡峰強(qiáng)，錢(qián)輝，劉祺

(1.南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院，江西 南昌 330031；2.中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330031)

鋼結(jié)構(gòu)焊接在橋梁等領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用，但焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用。目前，有許多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于焊接參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響的研究：余昌蓮等[1]基于有限元軟件對(duì)不同厚度鋼板進(jìn)行了殘余應(yīng)力、殘余變形相關(guān)分析；王若林等[2]模擬出了鋼箱梁的殘余應(yīng)力分布情況；王犇[3]從不同路徑對(duì)U肋板焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值分析；李祖臣等[4]通過(guò)有限元軟件建立Q345R鋼板焊接模型，成功模擬出不同坡口形狀的焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)；黃本生等[5]基于SYSWELD軟件對(duì)Q345異種鋼進(jìn)行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)異種鋼焊接溫度場(chǎng)為不對(duì)稱(chēng)分布，其最大殘余應(yīng)力一般位于焊縫的中部位置；金俊[6]利用ANSYS對(duì)5種不同坡口角度下的薄板進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了在不同坡口角度下焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)；王俊勝等[7]研究了預(yù)熱溫度對(duì)Q370R鋼板的焊接殘余應(yīng)力影響;馬勇[8]研究了正交異性鋼橋面板U肋焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其殘余應(yīng)力分布有極強(qiáng)的局部性。以上研究大多是對(duì)單一參數(shù)進(jìn)行分析，而對(duì)多參數(shù)優(yōu)化方面的很少。本文建立了Q345鋼板對(duì)接焊縫有限元模型，并對(duì)對(duì)接焊縫的坡口形狀、X型坡口多層焊的焊接順序、焊件厚度、焊接速度以及同一道焊的不同施焊方向等數(shù)值模擬，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析。

1 焊接數(shù)值模擬

1.1 焊接有限元模型

焊接模型為2塊長(zhǎng)200 mm×寬100 mm×高10 mm的Q345鋼板，焊接坡口采用V型帶鈍邊，坡口形式如圖1所示，其中數(shù)字1，2，3表示焊道順序?？紤]結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，對(duì)1塊鋼板進(jìn)行掃掠式網(wǎng)格劃分，并分成遠(yuǎn)離焊縫區(qū)、熱影響區(qū)以及焊縫區(qū)域這3塊區(qū)域，在焊縫和熱影響區(qū)的長(zhǎng)度方向劃分2 mm左右的網(wǎng)格，在溫度梯度較小的遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格大小劃分為8 mm，中間采用四面體網(wǎng)格過(guò)渡，如圖2、圖3。

溫度場(chǎng)的計(jì)算單元選用具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)上只有一個(gè)溫度自由度的六面體單元，應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算單元選用與溫度場(chǎng)相對(duì)應(yīng)六面體單元。

圖1 試件坡口尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of groove size of test piece

圖2 整體模型Fig.2 Overall model

圖3 局部詳圖Fig.3 Partial details

1.2 材料有關(guān)參數(shù)

Q345鋼材焊接過(guò)程中鋼材溫度分布在25～2 400 ℃范圍，其對(duì)應(yīng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同溫度下Q345鋼材熱物理、力學(xué)參數(shù)表[9-11]Tab.1 The rmophysical and mechanical parameters of Q345 steel at different temperatures

1.3 焊接熱源模型

不同的焊接方法需選用合適的熱源模型，常見(jiàn)的熱源模型有高斯分布熱源、橢球熱源和雙橢球熱源[12]。本研究采用Goldak提出的雙橢球熱源模型對(duì)焊接熱輸入的分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬，前、后半球能量分?jǐn)?shù)分別為f1=0.6,f2=1.4[13-14]。焊接熱源的移動(dòng)使用生死單元法進(jìn)行模擬。

1.4 邊界條件

采用間接法進(jìn)行熱力耦合計(jì)算，焊件受力不影響溫度場(chǎng)的分析。環(huán)境溫度及母材初始溫度設(shè)為室溫25 ℃,熱流密度梯度無(wú)固定值,對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為30。焊件的位移邊界條件，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的一個(gè)底角施加沿焊縫方向和厚度方向的固定約束，另外一個(gè)底角施加厚度方向固定約束，在對(duì)稱(chēng)面節(jié)點(diǎn)施加正向?qū)ΨQ(chēng)約束。

2 模擬驗(yàn)證

為了驗(yàn)證雙橢球體熱源模型加載模擬焊接殘余應(yīng)力的適用性，將有限元模擬得到的數(shù)據(jù)同周游[15]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)中縱向殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)值分別為375，405，22，2 MPa，橫向殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)值分別為80，247，112，40 MPa，對(duì)比如圖4、圖5所示。

s/mm圖4 橫向殘余應(yīng)力對(duì)比Fig.4 Comparison of transverse residual stress

從圖4、圖5中可以看出,有限元和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)縱橫向殘余應(yīng)力的分布規(guī)律大致相同，說(shuō)明本文使用雙橢球體熱源模型加載模擬焊接殘余應(yīng)力合理。因此可用此數(shù)值模型來(lái)討論不同參數(shù)下鋼板焊接殘余應(yīng)力的大小及分布。

3 對(duì)接焊縫參數(shù)分析

3.1 不同坡口形狀對(duì)殘余應(yīng)力的影響

研究U型坡口、V型坡口、X型坡口3種坡口形狀下的焊接殘余應(yīng)力的大小及分布。其各自構(gòu)造如圖6、圖7。

s/mm圖5 縱向殘余應(yīng)力對(duì)比Fig.5 Comparison of longitudinal residual stress

(a) U形坡口

從表2可以看出,X型坡口焊接產(chǎn)生等效殘余應(yīng)力最小為372 MPa，V型坡口焊接產(chǎn)生的等效殘余應(yīng)力為427 MPa,U型坡口焊接產(chǎn)生等效殘余應(yīng)力最大為451 MPa，分別高于屈服強(qiáng)度10.72%，13.07%，23.77%。由此來(lái)看使用X型坡口進(jìn)行焊接可以有效地減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

(a) V型坡口

表2 不同坡口形狀等效殘余應(yīng)力Tab.2 Equivalent residual stress of different groove shapes

3.2 X型坡口不同焊道順序?qū)堄鄳?yīng)力的影響

以5層焊為例，研究焊接焊道順序?qū)堄鄳?yīng)力的大小的影響，圖8為X型坡口5層焊不同焊層順序示意圖。并在焊件表面選取分別為位于焊縫中心處且沿焊縫方向上L1和垂直于焊縫方向上L2進(jìn)行分析。圖9為路徑布置圖。

(a) 對(duì)稱(chēng)焊

圖9 焊件上表面路徑線Fig.9 Surface path line of weldment

圖10為X型坡口L1路徑分析圖,s表示沿著焊縫的距離，此路徑下橫縱殘余應(yīng)力都是以焊縫中心對(duì)稱(chēng)分布，在焊縫的兩端縱向殘余應(yīng)力幾乎不存在，而橫向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。圖11為X型坡口L2路徑分析圖，s表示垂直焊縫的距離，可以看出在離焊縫中心10 mm的位置2種殘余應(yīng)力都達(dá)到最大值，但應(yīng)力值隨后急速下降，縱向殘余應(yīng)力在距離焊縫中心20～100 mm處變?yōu)閴簯?yīng)力，橫向殘余應(yīng)力在距離焊縫中心100 mm處殘余應(yīng)力趨近于0。對(duì)稱(chēng)焊與非對(duì)稱(chēng)焊所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布大小都相差較小，可見(jiàn)分層焊不同焊道順序?qū)堄鄳?yīng)力的大小影響不是很大。

s/m(a) 縱向殘余應(yīng)力

s/m(a) 縱向殘余應(yīng)力

3.3 基于不同板厚對(duì)殘余應(yīng)力的影響

研究板厚分別為10,14,18 mm的鋼板在焊縫中線處沿焊縫方向的L1、垂直于焊縫方向L22種路徑下焊接殘余應(yīng)力分布情況。

圖12對(duì)比了不同板厚在路徑L1上橫縱殘余應(yīng)力的大小，可以看出板越厚，焊接產(chǎn)生的縱、橫向殘余應(yīng)力越少。可以看到當(dāng)板厚增加到18 mm時(shí)，橫向殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力變成壓應(yīng)力。圖12(b)中14 mm板厚與18 mm板厚產(chǎn)生的縱向殘余應(yīng)力大致一樣，說(shuō)明當(dāng)板厚達(dá)到一定大時(shí)，對(duì)減少焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生影響不大。圖13對(duì)比了不同板厚在路徑L2上橫、縱殘余應(yīng)力的大小?？芍黾影宓暮穸葧?huì)使近焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力減少，在離焊縫中心線10 mm左右處縱向殘余應(yīng)力最大。圖13(b)中垂直于焊縫方向從焊縫中心區(qū)域到焊件端部橫向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為先上升到拉應(yīng)力峰值后下降到接近于0，且板越厚產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力越少。

s/m(a) 橫向殘余應(yīng)力

s/m(a) 縱向殘余應(yīng)力

3.4 基于不同焊接速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

為探究焊速對(duì)焊件殘余應(yīng)力的影響，分別選取4，6，8 mm·s-1的焊接速度對(duì)Q345鋼板進(jìn)行焊接模擬，路徑選取沿焊縫方向的路徑L1和垂直于焊縫方向的路徑L2，得到其殘余應(yīng)力如圖14所示。

s/m(a) 縱向殘余應(yīng)力

可看出,當(dāng)焊接速度為4 mm·s-1時(shí)產(chǎn)生的橫向、縱向殘余應(yīng)力都是最大的，焊速增加到6，8 mm·s-1時(shí)，焊接殘余應(yīng)力都有所減少，但焊接橫向殘余應(yīng)力減少的幅度有所降低，分析原因可能是速度加快熱輸入量減少，殘余應(yīng)力隨之有所降低。圖15(a)中焊接速度的增加使得縱向殘余應(yīng)力的峰值離焊縫中心更近。由此可以說(shuō)明：焊接速度的增加會(huì)使得焊縫區(qū)域影響范圍變窄。從圖15(b)看出，橫向殘余應(yīng)力的峰值位置受焊接速度的影響不大，但離焊縫中心越遠(yuǎn)殘余應(yīng)力越小，且橫向殘余應(yīng)力會(huì)隨著焊速的增加而減少。綜上，為減少焊接所產(chǎn)生殘余應(yīng)力，可以適當(dāng)?shù)卦黾雍附訒r(shí)的速度。

s/m(a) 縱向殘余應(yīng)力

3.5 基于不同坡口角度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

在坡口角度分別為45°、60°、75°的條件下進(jìn)行模擬，路徑選取為焊件上表面焊縫中心處沿焊縫方向上，圖16為3種坡口角度的橫、縱殘余應(yīng)力對(duì)比圖。

由圖16可以得出：對(duì)于不同的坡口角度而言，焊接縱向殘余應(yīng)力大體上均隨著坡口角度的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。且隨坡口角度的增加，其殘余應(yīng)力的增加幅度變大。這是因?yàn)槠驴诮嵌仍酱?，所需要的焊縫區(qū)域的填充材料就越多，材料越多熔化產(chǎn)生的熱量就越大，導(dǎo)致殘余應(yīng)力也相應(yīng)加大。橫向殘余應(yīng)力受坡口角度的變化的影響較小。因此在焊接時(shí)應(yīng)盡量選擇較小坡口角度進(jìn)行焊接。

s/m(a) 縱向殘余應(yīng)力

3.6 基于不同焊接方向?qū)堄鄳?yīng)力的影響

模擬分中對(duì)稱(chēng)焊、分中段退焊法2種方法下的對(duì)接焊，焊縫長(zhǎng)度為200 mm，焊件厚度為6 mm，如圖17所示。

(a) 分中對(duì)稱(chēng)焊法

圖18為2種焊接方向殘余應(yīng)力對(duì)比圖，由圖可以看到兩者殘余應(yīng)力峰值主要分布在焊縫起終點(diǎn)以及中部區(qū)域，這是因?yàn)閮烧呓允菬o(wú)論從兩端向中間焊或是中間向兩端焊，其焊縫兩端和中部區(qū)域皆是起終點(diǎn)，而起終點(diǎn)的殘余應(yīng)力較高。分中段退焊的縱、橫向殘余應(yīng)力峰值比分中對(duì)稱(chēng)焊的縱、橫向殘余應(yīng)力峰值小，但殘余應(yīng)力分布情況大體相同。因此可知，分中段退焊相比于分中對(duì)稱(chēng)焊更有利于減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

s/m(a) 縱向殘余應(yīng)力

4 結(jié)論

本文基于ANSYS有限元軟件，建立了對(duì)接焊縫有限元模型，分析了對(duì)接焊縫在坡口形狀、X型坡口多層焊的焊接順序、焊接厚度、焊件速度、焊接坡口角度以及焊槍的施焊方向等焊接參數(shù)影響下殘余應(yīng)力的變化情況。得到以下結(jié)論：

(1) 此焊接有限元模型是可靠的，可以用于鋼結(jié)構(gòu)焊接溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)模擬，進(jìn)行焊接的參數(shù)優(yōu)化分析。

(2) 采用焊縫類(lèi)型為X型坡口、焊接方向?yàn)榉种卸瓮撕?，并且在一定范圍?nèi)增加板的厚度、焊接的速度以及減小焊接坡口角度都能夠有效減少焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。