摘要：明确焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响对于保证焊接质量以及焊件的加工效率具有重要意义。本文主要探讨了焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响，在具体分析中主要从分段焊、多道焊、多层焊对T形接头焊接残余应力场的影响等方面进行分析。
关键词：焊接顺利；T形接头焊接残余应力场；影响分析
引言
焊接是一个快速升温并随后快速冷却的过程，焊接物理现象包括焊接时的传热过程、金属的熔化和凝固、电磁、冷却时的相变、变形、焊接应力等。焊接时，在焊件上将产生局部高温的不均匀温度场，焊缝中心处的温度可达1500℃以上，焊缝填料受热向外膨胀但受到周围母材的约束，从而在焊件内产生较大的温度应力，此应力会随着温度和时间发生不断的变化，某些部位的焊接应力甚至达到材料的屈服强度而发生塑性变形，在焊件冷却后残存于内部成为残余应力。焊接所产生的残余应力和变形，可对焊接结构质量产生重大影响。在实际结构中，多数开裂都是从焊缝处发起的，因此对焊接温度场和应力场进行分析是十分必要的。
1、有限元模型的建立和网格划分
焊件尺寸及相关参数如下：焊件材质为低碳钢25#，焊丝为H08Mn2SiA，焊件几何尺寸为120mm×120mm×6mm，焊缝位于焊件的Y-Z平面中心线。焊接电压25V，电流180A，焊接速度10mm/s，电弧有效半径r=6mm，焊接热效率η=0.75。在ANSYS有限元分析中，经常会涉及到对称性的构件。ANSYS给我们提供了对称和反对称两种对称分析类型。如果分析对象呈对称的几何形状，且所受载荷也对称的话，根据其对称性，可以只考虑采用计算模型的一半进行分析，采用对称分析可以节省计算时间，提高工作效率。对称面每增加一个，有限元模型就相应地减少近一半。因此，本文取焊件模型的一半进行数值模拟分析，模型如图1所示。
图1几何模型图
ANSYS提供了两种网格划分方式，一种是自由网格划分，另一种是映射网格划分。自由网格对于单元形状无限制，并且没有特定的准则。与自由网格相比，映射网格对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。映射面网格只包含四边形或三角形单元，而映射体网格只包含六面体单元。而且，映射网格只适用于典型具有规则形状明显成排的单元。如果想用这种网格类型，必须将模型生成具有一系列相当规则的体或面才能接受映射网格划分。映射网格对载荷的施加和收敛的控制是非常有利的，实际应用中也是优先选用映射网格划分，当映射网格划分不能实施时，才考虑选用自由网格进行补充[3]。对于有限元分析来说，网格划分是其中最关键的一个步骤，网格划分的好坏直接影响到求解的精度和速度。由于焊接是一个温度随时间和空间都急剧变化的过程，温度梯度很大。因此，在进行网格划分时，焊缝及其附近的网格要控制得比较细，而远离焊缝的区域可以划得较粗。为了获得一个良好的瞬态焊接温度场，焊缝处的单元网格最好控制在2mm以下。本文对焊件网格划分的控制如下：焊缝处的单元长度为2mm，采用六面体映射网格；过渡处单元的长度为4mm，采用四面体自由网格；而远离焊缝的区域其单元长度为8mm，采用六面体映射网格。最终的网格划分有限元模型如图2所示。
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图2有限元模型网格划分
2、多道焊对T形接头焊接残余应力场的影响分析
2.1有限元模型建立
模型建立过程中，为保证整个模型整体的刚度要求，可在模型中增设两个支撑板，由于在后期实际模拟分析中，单元数量以及计算周期之间的联系较为紧密，对此可在支撑板单元划分过程中进行粗分。焊接期间，为保证模拟计算的准确性，对于焊缝以及焊缝周边的应力场以及温度场变化情况应重点考虑，同时在划分单元的时候也要求较为精细，但是从计算周期角度考虑，距离焊缝区域较远的可不必细分。材料模型中采用的材料为1Cr12NiWMoNb，焊接方法采用的是融化极气体保护焊，设置好相关参数，电压为30V、电流为240A、焊接速度为5mm/s。
2.2焊接方案的确定
整个焊缝可分三个段落进行焊接，想要明确焊接方向对多道焊应力场的影响，对于不同焊段则应采用不同的焊接方案。
2.3多道焊焊接残余应力场
根据确定的方案以及模拟过程可知，在焊板纵向残余应力场分布方面，焊缝以及焊缝周边区域属于主要残余拉应力，焊接纵向残余压应力以距离焊缝较远的区域为主。
3、多层焊对T形接头焊接残余应力场的影响分析
3.1有限元模型建立
多层焊模型结构将其划分为八节点六面体单元，总数量为26038个，节点数量为23744个，过渡圆角半径为45mm，模拟过程中采用的模型材料、材料参数、热源模型以及焊接热源模型等均相同。
3.2多层焊接方案的确定
同样的设置不同方案用于研究不同焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响。
3.3焊接残余应力分析
多层焊对T形接头焊接残余应力场的影响与多段焊以及多道焊较为接近。
4、分析结果与数据处理分析
Sysweld是模拟焊接的专业软件，能够准确的按照用户的提前选定的热源的数学方程、热源校核的参数、设计要求等进行动态焊接模拟。并能准确的模拟出实际焊接过程的温度场、热应力场的变化以提取到结构优化所需要的各种数据。
4.1T型接头焊接温度场的分析
焊接焊缝的时间设置为8s，7.5s时间的温度云图， 通过云图可以看出，焊源在熔融区呈现椭圆形状，在焊源前方等温线密集，温度梯度大；焊源后方，等温线稀疏，温度梯度小；焊源的温度在1800°左右；在9s时刻，焊接结束，此刻云图，此后进入焊缝冷却时间，可以看出，温度由1800°开始逐渐降温；1000s后，焊件基本冷却结束，得知，焊件中间部位的温度比较高，由图中数据可知，温度在34°左右。根据实际要求，可以采取实效处理等相关热处理工艺对重要焊件的T型接头的焊缝进行热处理。5.2T型接头焊接应力场的分析
4.2.1焊接应力场的分析
T型焊接接头在7.5s时的受力变形云图。
4.2.2焊缝纵向残余应力分析
在焊接冷却过程中，为研究焊缝纵向残余应，在图1所示焊缝处，纵向均匀取出12个元素，纵向应力，如表1所示。表1焊缝纵向各元素残余应力
由表1得出，在冷却过程中，纵向拉应力逐渐变大，但在局部部分，出现压应力现象。这是由于Sysweld软件本身考虑了相变因素，由于某些相的膨胀[15]，会导致焊缝局部的拉应力减小，甚至变为压应力。所以分析的结果与实际焊接过程中的焊缝处的纵向残余应力为拉应力相符合，对焊接过程的模拟是有效的。
结束语
不同焊接工艺中焊接顺序对T形接头焊接残余应力场影响具有相似性，根据研究结果，对于分段焊可采用先两端后中间的方法进行焊接，对于多道焊焊接过程中应保持首尾相接，对于多层焊接则需要使用对称施焊方法，这样能够降低焊接过程中的残余拉应力，提高焊接质量。
参考文献:
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论文作者:孙霄年,张延邦,曹鲁东
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/9
标签：网格论文; 残余论文; 应力论文; 力场论文; 模型论文; 单元论文; 纵向论文; 《防护工程》2019年第1期论文;