埋弧焊焊接及校正过程数值模拟

王军 刘世忠 康峰

摘要：针对金屬结构在焊后易产生残余应力和焊接变形的问题，以一种对焊钢制梁为例，采用有限单元法模拟埋弧焊焊后的残余应力和变形。结果表明，钢制梁焊后存在较大的残余应力，且纵向残余应力大于横向残余应力。以焊接结果为初始条件，分析是否考虑残余应力对校正后钢制梁应力分布的影响，结果显示校正后焊缝处仍存在较大的应力，因此焊接残余应力不能忽略。

关键词：埋弧焊;残余应力;变形校正;应力分布;有限单元法

0    前言

金属结构在焊接过程中，由于结构各部分膨胀收缩程度不同或在膨胀收缩时受到限制等原因，在焊缝金属和靠近焊缝的母材区域内会产生热应力和残余变形，影响结构的尺寸精度和受力特性。

焊接过程中的变形和残余应力可通过固有应变法、热塑性法和局部整体映射法进行理论计算[1]。由于复杂的焊接结构和焊接过程中的热力非线性等原因，具体工程分析时可借助ANSYS、ABAQUS和MSC.MARC等通用有限元平台进行二次开发[2-3]，或直接应用焊接专用软件SYSWELD[4-5]和Quick Welder[6]计算。现有文献多关注焊接过程的数值模拟，而对于焊接变形的校正关注较少。文献[7-8]使用ANSYS对不同焊接结构进行了变形校正模拟，但均忽略了焊接结构的残余应力。研究表明，有时残余应力甚至会超过材料的屈服应力[9]，因此是否可以忽略焊接残余应力有待商榷。

文中以一种对焊钢制梁（以下简称梁）为例，首先使用有限元软件ABAQUS（达索，2016）模拟埋弧焊焊接过程的残余应力和变形，然后以焊接结果为初始条件，对比分析焊接残余应力对校正后梁的应力分布的影响。

1 有限元分析

焊接过程是一个伴随相变、热传导和结构变形的高度非线性的物理过程，校正过程则是一个使用外加载荷使结构发生弹（塑）性变形的过程，梁依次经历加热、冷却和校正三个过程，对比分析不含残余应力只包含变形的校正过程，如表1所示。

1.1 材料参数

梁的材料为Q345钢材，在焊接过程中，金属材料性能随温度急剧变化，因此需要考虑材料物理性能、力学性能与温度的关系，但是由于试验难以测定高温下材料的热物理特性和力学特性，故引用文献[10]中的参数作为计算依据。

1.2 有限元模型

建立梁的几何模型，对模型进行有限元网格划分。加热分析步的时间步长为0.1 s，防止出现“ 跃阶 ”现象[11]。在冷却分析步中，假设对梁经过较长时间冷却达到稳态。对两底面施加y向位移约束，对模型施加对流换热和辐射换热边界条件，如表2所示。通过单元生死技术描述焊缝金属的填充过程。建立的有限元模型如图1所示。

对接焊接采用工艺性较好的自动埋弧焊。由于埋弧焊焊接熔池体积大、焊缝熔深大，焊接过程中熔池形状为前大后小，因此假设焊点形状为双椭球分布模型，热源前后1/4椭球的热流分布分别为[12]：

式中 q1、q2分别为热源前、后1/4椭球的热流分布函数（单位：J/m·s）;A1、A2分别为前、后1/4椭球的x方向半轴长度（单位：mm）;B为y方向的半轴长度（单位：mm）;C为z方向的半轴长度（单位：mm）; f1和 f2分别为前、后1/4椭球能量分配系数，且 f1+ f2=2;Q为有效热源功率（单位：W），在Q=ηUI中， η为热源效率，为88%;I为焊接电流，范围为290～330 A;U为电弧电压，范围为33～38 V。计算时电流和电压取中间值。

2 结果及讨论

实际生产中较少关注焊接结构的温度变化，更关注焊接造成的残余应力和变形，以便进行校正。故以下省略温度结果，主要讨论梁的残余应力和变形。

2.1 焊接残余应力和变形

焊缝金属冷却后，焊缝纵向收缩使得焊缝和近焊缝处产生较大的拉应力，查看Mises等效应力，最大值为304 MPa，接近母材的屈服强度345 MPa，因此不能忽略焊接造成的残余应力（见图2a），纵向残余应力明显大于横向残余应力（见图2b、2c）。提取沿焊缝路径焊接变形，y向最大位移为0.446 mm（见图3），位于焊缝上第133号节点。

2.2 校正后的应力分布

若金属结构在经过焊接加热后产生的变形超过许用范围，则需要对其进行校正。在校正过程中，校正载荷抵消或部分抵消残余应力，结构发生复杂的弹塑性变形。在进行焊接校正分析时，只考虑焊接变形而忽略残余应力则会导致结果相差较大。以下在弹性范围内讨论是否考虑残余应力时，在校正后的应力分布。

首先需要获得焊接变形后的几何特征，新建立一个模型并将焊接变形后的几何特征导入，此时的模型为孤立网格，只包含空间节点信息，需要重新定义梁的材料属性。对模型定义2.1节的预应力场结果，得到包含焊接变形和残余应力的有限元模型。在第133号节点上施加y向位移-0.446 mm，获得经过校正后的应力分布。未包含残余应力而只需要导入变形后的几何特征，不定义预应力场，位移载荷相同。

对比图2c，如考虑残余应力，校正后一部分载荷用于抵消结构的残余应力，应力仍然集中在焊缝区域但区域明显减小，最大值由304 MPa减小到222 MPa （见图4a）。而未考虑残余应力只考虑焊接变形时，应力很小且分布较为分散（见图4b）。

3 结论

采用通用有限元软件ABAQUS模拟了一种对焊钢制梁经过埋弧焊焊接后的残余应力和变形，并以焊接结果为初始条件，对比分析是否考虑残余应力时，梁经过校正后的应力分布，得到以下结论：（1）焊后，梁结构在焊缝和近焊缝处存在较大的残余应力，已接近母材的屈服极限，校正分析时不能忽略。（2）以焊接结果为初始条件，对比分析是否考虑残余应力时梁经过校正后的应力分布。考虑残余应力时，载荷抵消了部分残余应力，校正后应力仍集中在焊缝处，因此不能忽略。

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