焊接参数对钢板对接坡口焊温度场与残余应力的影响分析

许鑫，黎明

(苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215011)

焊接技术以其高效性、灵活性成为钢结构中最常用的连接方法，但焊接是局部集中加热的工艺技术，会使焊缝及周边区域温度分布不均，从而产生残余应力与残余变形[1]。残余应力不仅会引起构件变形导致尺寸误差，还会对疲劳强度、结构稳定性、使用寿命等多方面产生不利影响，因此，如何在钢结构的焊接过程中有效预测与控制残余应力大小和分布对提高钢结构的稳定性和疲劳寿命有重要意义。

钢板坡口对接焊是钢构件连接的主要焊接形式之一，焊接中的温度场和应力场分布一直是国内外焊接研究的热点及难点问题[2-4]。近年来，运用有限元方法模拟并分析焊接热传导、焊接热-弹-塑性应力和变形等领域的技术不断成熟[5]。蔡建鹏等[6]研究了不同坡口形式对异种钢对接接头残余应力和变形的影响，发现异种钢交界处应力不连续、V形坡口角变形更大。史建兰等[7]分析了坡口形式对半管夹套焊接温度和残余应力的影响，发现开坡口焊接易焊透、焊缝成型质量好及焊缝根部残余应力相对较小。孙加民等[8]模拟并实测了电渣焊接头典型位置的热循环曲线，验证了电渣焊温度场计算方法的有效性，也为进一步研究和预测焊接头残余应力及变形奠定了基础。在现场工程应用中，手工电弧焊应用更为广泛，对如何减少诸如板厚、焊接速度、焊接热输入等焊接参数引起的焊接残余应力的需求更为迫切，而目前此类研究尚少。

本研究基于ABAQUS有限元分析软件，以Fortran开发模拟热源子程序，对钢板坡口对接焊进行热-弹-塑性数值模拟分析，并运用该计算方法对Q345钢平板对接接头的温度场及应力场进行数值模拟，对比分析了焊接参数对焊接温度场与残余应力的影响。

1 有限元模型的建立与验证

1.1 几何模型及网格划分

本文所分析的数值模型几何尺寸为长600 mm，宽150 mm，厚度分别为12、16、20 mm 3种。

焊接钢板，坡口形式，焊道布置及路径L1、L2线，盖面焊中点A见图1，坡口形式为60°的V形坡口。由于对接焊接头附近应力较为集中，为确保模拟精度及降低分析时间，在焊缝区附近采用较密网格，在远离焊缝区采用稀疏网格。钢板及对接焊缝采用coupled temp-displacement C3D8T六面体单元模拟。试件的几何模型及网格划分见图2。

图1 焊接钢板、坡口形式及焊道布置(mm)

图2 几何模型及网格划分

1.2 材料热物理及力学性能参数

本文焊缝和母材均采用相同材料Q345钢进行模拟研究。在焊接过程中，焊缝及母材的热物理及力学性能参数会由于焊接热源的作用而发生变化，在热弹塑性分析中考虑材料热物理和力学性能与温度相关。钢材的物理性能和力学性能见表1。

表1 Q345钢板材料性能

表1(续)

1.3 移动热源模拟

由于双椭球热源模型[9](double ellipsoidal heat source model，DEHSM)克服了平面高斯热源模型无法考虑熔深的缺陷，本文采用DEHSM模拟移动热源模型。采用Fortran语言编写热源子程序DFLUX来模拟双椭球热源，在ABAQUS提交任务时调用该子程序模拟计算。对于对接焊缝，随着时间的增加，热源中心沿对接焊缝表面作直线移动，实现热源的移动。热输入的前、后半部分双椭球热源分布见公式(1)、(2)，其具体分布见图3。

(1)

(2)

式中：ff，fr为前、后椭球能量份额参数，ff+fr=2,Q=ηUI；η为焊接有效热功率系数，取0.85，U为焊接电压；I为焊接电流；af和ar分别为前半椭球和后半椭球的长度参数；b为椭球宽度参数；c为椭球深度参数；v为焊接速度；t为时间。本文针对双椭球热源参数做简化处理，假定ff=fr=1，af=ar。

图3 双椭球热源分布

1.4 焊接工艺参数及热输入

本文共设计了9个分析算例：板厚分别为12、16、20 mm；焊接速度分别为5、10、15 mm/s；焊道数为2、3、4道。焊接工艺参数见表2，对比研究计算方案见表3。

表2 焊接工艺参数

表3 计算方案

相同坡口以不同焊道数焊接时产生的热量不同，焊接热输入可同时兼顾焊接电压、电流及焊接速度3种因素，焊接热输入公式见式(3)。

q=ηIU/v

(3)

1.5 边界条件和初始条件

焊接结构表面与外界存在温度差异，表面与周围介质会产生热传递，主要通过对流换热和热辐射的形式进行。在焊接温度场分析中，母材内外表面均考虑对流和辐射边界条件，对流换热系数取10 W/(m2·K)，辐射发射率取为0.85，模型初始温度和室温取20 ℃。

在应力分析中，为限制模型的刚体位移，使远离对接焊缝钢板的两侧面x=0，y=0，z=0。

1.6 有限元模型验证

图4给出了基于热弹塑性有限元模型的钢板在焊接作用下焊缝背面C点沿x方向随时间变化的应变值同试验结果的对比，图中的试验曲线为文献[10]中钢板焊缝背面的试验结果。

图4 C点x方向应变随时间的变化

由图4可知，模拟曲线峰值和谷值较试验曲线略小些，模拟曲线起始存在应变压缩和拉伸阶段。无论是从整体趋势还是峰值应变上进行对比，模拟结果与试验曲线吻合较好，可采用热-弹-塑性有限元模型进行钢板焊接性能的研究。

图5 1 836 s时的温度场

2 温度场分析

图5是1 836 s时焊接温度场分布云图，图中等温线呈带状分布，焊接热源前端等温线密集，温度梯度大，热源后端等温线稀疏，温度梯度小。图6是1 836 s时沿路径L1的温度分布曲线，其最高温度达1 000 ℃，温度场分布左右对称，近缝区温度较高，远离焊缝区温度迅速下降至室温。

图6 1 836 s时温度沿路径L1的分布

图7比较了9个算例盖面焊上测点A的热循环曲线。

(a)Case1、Case2、Case3热循环曲.线

(b)Case4、Case5、Case6热循环曲线

由图7(a)可知，3个算例热循环曲线吻合良好，说明在同等热输入下板厚对焊接温度场影响很小。由图7(b)可知Case4、Case6峰值温度分别为1 420、710 ℃，后者较前者焊接速度增加2倍，而峰值温度降低了50%；焊接过程中钢板从室温上升至峰值温度很短，3个算例依次用时4.5、2.5、1.5 s；而冷却降温过程相对缓慢，Case4、Case6盖面焊A点分别用时900、850 s冷却至室温，可见随着焊接速度加快，其温度上升速度和冷却速度也相对加快，但温度峰值却随焊速的增加而降低，由此可知，温度场峰值与焊接速度成反比。图7(c)对应的是3种焊道形式(2道焊、3道焊、4道焊)，一定容积焊槽在等量热输入下，随焊道数的增加，焊道平均热输入在降低，盖面焊峰值温度也在降低，可见温度场峰值与焊接热输入成正比关系。

(c)Case7、Case8、Case9热循环曲线图7 A点热循环曲线

3 焊接残余应力分析

3.1 路径L1上残余应力

图8比较了沿路径L1上3组共9个算例纵向残余应力分布情况。由图8可知，3组试件L1线上纵向残余应力分布状况和整体趋势吻合良好，可见板厚、焊速及焊道数对L1线上纵向残余应力影响很小。但由于热源温度高度集中，在焊缝区域纵向残余应力较大，残余应力峰值达360 MPa，超过了钢板常温下的屈服应力(345 MPa)，这是由于加工硬化作用的效果，从应力分布趋势发现，应力整体呈“几”字型分布。

(a)Case1、Case2、Case3纵向残余应力

(b)case5、case4、case6纵向残余应力

(c)Case7、Case8、Case9纵向残余应力图8 L1线纵向残余应力分布

对比图8(b)曲线发现，焊缝区域应力影响范围随焊接速度的加快而变窄，近缝区的纵向残余压应力也相对减小，这是由于随着焊接速度加快，移动热源作用于母材时间短，使得垂直于焊缝方向的焊接区域到达峰值温度的区域较窄。由图8(c)曲线对比可知，纵向残余拉应力峰值随焊道数的增加而降低了8、32 MPa，由于同等焊槽分多条焊道施焊，Case9盖面焊热输入为(0.288 J/mm)，小于Case7盖面焊热输入(0.528 J/mm)，单道焊接热输入变小，引起应力叠加变小。

图9比较了沿路径L1上3组试件横向残余应力分布情况。由图中发现，焊缝区域横向残余应力变化剧烈，呈M型分布，焊缝中心应力较小，接近于0 MPa，母材区域沿焊缝重心往外应力逐渐降低。

由图9(a)可知，在同等焊槽和焊道下，随着板厚的增加，L1线上横向残余应力逐渐降低，Case1峰值应力250 MPa降到Case3的168 MPa，降幅高达33%，可见随着板厚的增加，焊道散热面积增大，温度消散更快，焊道内部残余应力减少。由图9(b)可知，母材处Case5算例较Case4应力减小90 MPa，Case6算例较Case4应力减小46 MPa，随着焊接速度的增加，横向残余应力不断在减小，但应力缩减幅度在变小；焊接速度达到15 mm/s时应力趋于平稳，且平均值25 MPa已然很小，此焊速可作为16 mm板厚合适焊接速度。且由图9(c)可以看出，Case9试件除焊缝区域外母材应力趋于平稳，波动较小，这是由于同焊槽同热量下，随焊道数的增加，每一焊道平均焊接热输入减小，而散热面积基本不变，内外温差变小，进而近缝区残余应力降低，可见增加焊道数能较好的减小横向残余应力。

3.2 路径L2上残余应力

(a)Case1、Case2、Case3横向残余应力

(b)Case4、Case5、Case6横向残余应力

(c)Case7、Case8、Case9横向残余应力图9 L1线横向残余应力分布

图10对比了沿路径L2上3组试件纵向残余应力分布情况。由图可知，焊缝区域纵向残余压应力相对较小，而沿路径1/5和4/5处压应力较大，整体呈W型分布；从应力分布趋势可知，随着板厚或焊接速度或焊道数的增加，L2线上纵向残余应力整体上在不断降低，且W型应力分布逐步转为U型应力分布。随板厚每增加4 mm，L2线上纵向残余应力平均降低20 MPa；随焊接速度每增加5 mm/s，应力降幅从1/3降为1/4，可见焊速的增加对应力的降低有范围性；每增加一条焊道，应力平均降幅分别为40、10 MPa，且路径L2中部应力逐渐较为平稳，温度梯度较小，说明增加焊道有利于减少应力集中。

(a)Case1、Case2、Case3纵向残余应力

(b)Case4、Case5、Case6纵向残余应力

(c)Case7、Case8、Case9纵向残余应力图10 L2线纵向残余应力分布

图11对比了沿路径L2线上3组试件的横向残余应力分布情况。图中发现，焊缝区域横向残余拉应力最大，而起焊和收焊位置应力最小，整体上接近0 MPa；从应力分布趋势发现，随着板厚或焊接速度或焊道数的增加，L2线上横向残余应力整体上在不断降低，路径中部应力逐渐较为平稳，且整体应力分布呈倒U型。厚板每增加4 mm，路径中部应力降低25 MPa；焊接速度每增加5 mm/s，中部应力降幅50%；焊道数增加至4条，路径上应力已然较为平稳，且中部应力均在平均值18 MPa附近，可见20 mm坡口焊选用4条焊道较好。

(a)Case1、Case2、Case3横向残余应力

(b)Case4、Case5、Case6横向残余应力

(c)Case7、Case8、Case9横向残余应力图11 L2线横向残余应力分布

4 结论

1)温度场峰值与板厚因素无关，与焊接速度成反比关系，与焊接热输入成正比关系。

2)对比路径L1、L2上残余应力计算结果发现，随着板厚、焊接速度和焊道数的增加，无论是残余拉应力还是压应力均呈降低趋势。

3)L1、L2线上纵横向残余应力呈一定形状的应力分布，有规律可循。L1线上纵向残余应力呈“几”字分布，横向残余应力呈M型分布；L2线上纵向残余应力呈W型或U型分布，横向残余应力呈倒U型分布。

4)工程应用中，可适当提高焊接速度、增加焊道数：对于16 mm板厚，5 mm/s焊接速度为宜；对于20 mm板厚，4条焊道为宜。