1、金属铸锻焊技术CastingForgingWelding上半月出版热加工工艺2012年第41卷第11期近年来，国内外为适应建筑、露天矿山、铁路车辆、桥梁隧道等领域的快速发展，越来越多的T型Q345钢焊接结构被需求1。 在焊接结构中，残余应力和变形的存在， 是导致焊接裂纹和接头强度降低的重要因素， 严重影响焊接结构的承载能力及使用寿命2，并存在较大的安全隐患(譬如降低结构的抗震性能)。 焊接工艺是决定焊接接头质量的重要因素， 而合理的焊接顺序是制定优化的焊接工艺的关键。 因此，在实际生产中，采用合理的焊接顺序进行焊接加工向来为焊接工程人员所重视； 有关焊接顺序对焊接结构残余应力， 焊接变形的影响
2、机理也向来为焊接研究人员所关注3-4。除了实验手段， 近年来数值模拟方法也常用于研究焊接学科的基础问题和工程应用问题。 采用数值模拟方法代替实际试验，不仅节约试验成本，而且可以有效提高生产率，具有重要的工程应用价值5-6。本研究以工程常用Q345D低合金高强钢T型接头双面焊为研究对象， 基于有限元分析方法模拟2种焊接工序的焊接过程。 应用SYSWELD软件进行数值模拟时， 考虑了材料热物理性能与温度的非线性关系，以及相变潜热对温度场的影响，实现温度场和应力应变场的耦合计算。 分析了不同焊接顺序的温度场、热循环曲线、残余应力和残余变形的分布。 旨在为Q345D钢T型接头双面焊接实际焊接生产提供理
3、论参考。1试验材料及方法试验设备：PHONIX-300焊机一台(带行走小车)；焊接热循环曲线测试系统一套。试验材料：Q345D钢板8块，尺寸200mm100mm8 mm，正火态；准1.6 mmH08Mn2Si焊丝一盘。焊接方式：半自动焊；直流反接；干伸长1012mm；保护气体为CO2，气体流量为15 L/min。焊接工艺如图1所示：其中，工艺为同向同时焊接工艺对 Q345D 钢 T 型接头双道 MAG 焊接变形和应力影响的有限元分析胡 建（上海曼威机械有限公司 研发部， 上海201619）摘要：以Q345D低合金高强钢T型接头双面焊接过程的数值模拟为研究对象，利用SYSWELD有限元分析软件，
4、选择双椭球热源模型，模拟不同焊接工艺下Q345D钢T型接头双面焊接过程。数值模拟时，考虑材料热物理性能与温度的非线性关系，以及相变潜热对温度场的影响。 基于模拟结果，预测了不同焊接工艺下的温度场、变形场和引力场的演变规律及分布特征，并进行了理论分析。关键词：Q345D钢；焊接变形；残余应力；热循环曲线；数值模拟中图分类号：TG404文献标识码：A文章编号：1001-3814(2012)11-0143-04Numerical Simulation of Effect ofWelding Process on Welding Deformation andStress in Q345D Steel
5、 T-joint Double-side MAG WeldedHU Jian（R & D Department, Shanghai MAW Mechanical Co., Ltd., Shanghai 201619, China）Abstract：The simulation of T-joint double-sided welding process of low alloy high strength steel Q345D was studiedby SYSWELD finite element analysis software. During simulation, the dou
6、ble ellipsoid heat source mode was selected, andthe whole process of T-joint double-sided welding of Q345D steel was dynamically simulated. In the simulation, thenonlinear relationship between materials thermal and physical properties and the temperature, as well as the influence oftransformation la
7、tent heat on the temperature field were considered. Based on the simulation results, the evolution anddistribution of temperature field, welding deformation and stress under different process were predicted in theory.Key words：Q345D steel; welding deformation; residual stress; thermal cycle curve; n
8、umerical simulation收稿日期:2012-02-07作者简介:胡建(1979- ),女,安徽桐城人,工程师,硕士,主要研究方向:机械设计及模拟;电话:13585875987;E-mail:143金属铸锻焊技术CastingForgingWelding2012年06月Hot Working Technology2012 , Vol.41,No.11焊接； 工艺为反向同时焊接；W1，W2分别表示焊缝；S1，S2分别表示焊缝的起始点；E1，E2分别表示焊缝的结束点。2有限元模拟2.1有限元模型及约束条件模型网格划分如图2(a)所示。 主要为8节点六面体，局部过渡区域为6节点五面体单元
9、，本模型节点总数为5.2419104，单元总数为6.64104。实际焊接过程中工件没有外部夹持， 在力学计算中，通过在模型节点定义预位移为零(刚性约束)，阻止节点某一自由度的移动， 防止有限元模型的刚性平动和转动。有限元模型刚性约束如图2(b)所示。2.2热学分析热源模型采用3-D双椭球热源模型，热流密度在前后半球区域内的分布可用式(1)、(2)描述。对于前半椭球：qf(x,y,z)63姨(ffQ)afbc姨exp -3x2af2-3y2b2-3z2c2姨姨,x0 (1)对于后半椭球：qr(x,y,z)63姨(frQ)arbc姨exp -3x2ar2-3y2b2-3z2c2,x0 (2)式中：
10、Q为热输入功率，Q=UI，为电弧的热效率，=0.87；U为焊接电压；I为焊接电流；af、ar、b、c分别为热源模型高斯参数；ff、fr为前、 后半椭球体内热输入的份额，且ff+ fr=2，取ff、fr值分别为1.2和0.8。 热源模型参数值见表1。热源在对模型加热过程中的热传导是一个非线性过程， 对于此过程中的瞬态非线性传热分析方程可表述为7：c坠T坠t=坠坠x(坠T坠x)+坠坠y(坠T坠y)+坠坠z(坠T坠z)+ql(t0)(3)式中：T为材料的瞬时温度，；为材料的热导率，W/ (mm)；ql为热源单位时间产生的热量，W/mm3；为材料密度，g/mm3；c为材料的比热容，J/(g)。在实际焊
11、接时， 被焊工件将通过对流和辐射方式与外部环境(空气)进行热交换。 在有限元计算时，焊接模型与周围空气之间的对流热交换可用New-ton冷却方程描述为：qa=-ha(Ts-Ta)(4)式中：qa为工件与空气之间的热交换能量；ha为对流热交换系数；Ts为工件表面温度；Ta为周围空气的温度，取为20。在模拟计算中，假设ha是不随温度变化的定值8，取值为1010-6W/(mm2)。通过热辐射散失的热量 ，遵循Stefan-Boltzman定理，可描述为：qr=-0(Ts+273)4-(Ta+273)4(5)式中：为辐射系数，取值为0.89；为Stefan-Boltz-man常量，其值为5.6710-
12、8W/(m2K4)。在热学计算中，需要用到的材料属性有导热率、比热容、密度。 其中，比热容和密度是从室温到熔点间取值，热导率是从室温到固相线之间取值。2.3力学分析力学计算采用与温度计算时完全相同的有限元模型。 计算方法为温度-应力耦合，也就是说在热学部分计算结束后， 程序自动将各节点的温度循环作为热载荷，求解整个焊接过程的位移、应变和应力。该计算方法要求在模拟前， 需将材料的热学性能属性和力学性能属性同时赋予给有限元模型的相应单元。力学计算需要用到的材料力学属性有弹性模量、屈服应力、热应变、泊松比，这些属性的取值范围为室温到固相线之间。力学计算中，忽略了相变对塑性的影响，假设材料弹性应力-应
13、变关系符合各向同性Hooke定律，塑性行为符合VonMises准则； 材料加工硬化性能W1W2xyzz图2有限元网格模型及约束条件Fig.2 Finite element mesh model and constraint(a)网格模型(b)约束条件xy图1焊接工艺示意图Fig.1 Schematic diagram of welding processW1W2S1S2E2E2S1S2W1W2xyE1E1表1热源模型参数Tab.1 Heat source model parametersU/VI/Aqf/(Wmm-3)qr/(Wmm-3)af/mmar/mmb/mmc/mm26.1180362
14、43555工艺：同向同时焊接工艺：反向同时焊接zzy144金属铸锻焊技术CastingForgingWelding上半月出版热加工工艺2012年第41卷第11期通过各向同性准则来描述，应力应变关系可表述为：d=Depd-CthdT(6)Dep=De-Dp(7)式中：De为弹性刚度矩阵；Dp为塑性刚度矩阵；Cth为热刚度矩阵；d为应力增量；d为应变增量；dT为温度增量。 总应变可描述为：total=e+p+th(8)式中：e、p、th分别表示弹性应变、塑性应变和热应变。 其中，热应变是通过各向同性准则来表述，即Lx=Ly=L。另外， 定义材料固相线温度(TS)为1440，液相线温度(TL)为15
15、05，材料的力学性能失效点(TF)为1300 ，即在加热时， 当材料某点温度大于1300 后，该点等效塑性应变就设为零；在冷却时，温度降到低于1300 后，材料可以从新经历加工硬化。3模拟结果分析3.1温度场模拟结果分析图3和图4分别是工艺和工艺不同时刻的工件温度场云图。比较两图可以发现，在整个焊接过程的前半时间区间(t=010s)， 工艺熔池最高温度始终高于工艺熔池最高温度，焊接刚开始(t=1s)时，熔池温度差值为3.38 ；至焊缝中部位置(t=10s)时，熔池温度差值为8.58 。 但在焊接过程的后半时间区间(t=1020s)，工艺熔池最高温度开始逐渐小于工艺熔池最高温度，在热源中心离开焊
16、缝时刻(t=20s),工 艺熔 池 最 高 温 度 为2737.67 ,工艺熔池最高温度 为2615.52 ,温 度 差 为122.15。 分析认为，这是由于工艺为同向同时焊接， 两热源相互影响，热量相互叠加，所以在焊接过程的前半时间区间，熔池最高温度值较高。而工艺为反向同时焊接，每一道焊缝的热源对另一道焊缝区域产生焊前预热作用，因此，当过了焊缝中部的位置，热源进入母材预热区域，因此熔池最高温度有较大的提高。3.2焊接变形模拟结果分析图5和图6分别是工艺和工艺不同时刻的工件变形云图。可看出，焊接刚开始时(t=1s)，工艺的最大变形量大约是0.35mm； 工艺的最大变形量约是0.38 mm；焊接
17、刚结束时(t=20 s)，工艺的最(a)t=1s(b)t=10s(c)t=20s图3工艺温度场动态演变云图()Fig.3 Contours of temperature field dynamic evolution of process()图4工艺温度场动态演变云图()Fig.4 Contours of temperature field dynamic evolution of process ()(a)t=1s(b)t=10s(c)t=20s图5工艺变形演变云图(mm)Fig.5 Contours of deformation of process(mm)(a)t=1s(b)t=10s(
18、c)t=20s图6工艺变形演变云图(mm)Fig.6 Contours of deformation of process(mm)(a)t=1s(b)t=10s(c)t=20s145金属铸锻焊技术CastingForgingWelding2012年06月Hot Working Technology2012 , Vol.41,No.11大变形量大约是1.05 mm； 工艺的最大变形量约是1.18 mm；焊件冷却至t=100s时，工艺的最大变形量约是1.18 mm； 工艺的最大变形量约是1.13 mm。 比较发现，在焊接过程中，工艺瞬时变形量始终小于工艺，而冷却后的残余变形却相反，工艺残余变形量反
19、而大于工艺。分析认为，两种工艺下焊接变形的差异， 主要是由温度场分布的不同引起的。 在焊接过程中，局部热源分布的不同，引起不同的局部塑性变形，最终产生不同变形量。尽管在焊接过程中，工艺有较大的瞬时变形，但是焊接结束时，其焊缝最高温度低于工艺，焊缝冷却时间较短，导致最终残余变形量大于工艺。3.3焊接残余应力模拟结果分析图7和图8分别是工艺和工艺不同时刻的工件应力场云图。可看出，焊接刚开始时(t=1s)，工艺和 工 艺的 最 大 热 应 力 分 别 是377.309和378.649 MPa；焊接刚结束时(t=20 s)，工艺和工艺的最大热应力分别是380.013和456.811 MPa；焊件冷却至
20、t=100s时工艺和工艺的最大残余应力分别是478.843和493.116 MPa。 结合变形场的模拟结果可以发现， 焊接应力同变形具有相反的变化趋势，这是因为在自由约束条件下，焊接应力可以通过工件的变形得到释放， 因此较大的焊接变形的工件拥有较小的焊接残余应力。图7工艺应力场演变云图(MPa)Fig.7 Contours of stress field evolution of process (MPa)(a)t=1s(b)t=10s(c)t=20s4结论（1） 相同焊接规范下的T型接头双道MAG焊接，在焊接的前半时间区间，同向同时焊接工艺的熔池最高温度大于反向同时焊接， 在焊接的后半时间区
21、间则小于反向同时焊接。（2） 由于不同工艺下焊接热源温度场分布的差异性，造成不同的焊接变形和残余应力分布特征，同向同时焊接工件具有较大的残余变形和较小的焊接残余应力， 异向同时焊接工件则具有较小的残余变形和较大的残余应力。参考文献：1刘志刚，苏白兰，韦弦Q345钢板焊接性能研究J河南冶金，2003，11(1):14-152郭钊Q345钢的焊接顺序及其应用研究J科技创新导报，2008，26:1113胡晓萍，屈朝霞，李自刚，等Q345D钢结构梁腹板对接接头裂纹分析J理化检验，2006，42(8):416-4184雷卡林()焊接热过程计算M北京:中国工业出版社，19585汪苏，张瑛莉，蔡玲玲，等航空
22、发动机加力燃烧室扩散器外壁环缝焊接模拟J热加工工艺，2006，35(23):82-846陈楚数值分析在焊接中的应用M上海:上海交通大学出版社，19857武传松焊接热过程数值分析M哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，19908Kiyoshima S，Quick Welder User，Manual SResearch Centerof Computational Mechanics IncMTokyo，20059Kiyoshima S，Deng D，Ogawa K，et alInvestigations onwelding residual stresses in penetration nozzles by means of 3Dthermal elastic plastic FEM and experiment JComput MaterSci，2009，46:987-990(a)t=1s(b)t=10s(c)t=20s146
