焊接顺序和焊接结构对振捣座残余应力的影响

房元斌，蹤雪梅，张华清，殷咸青，张林杰

（1.江苏徐州工程机械研究院，江苏徐州221004；2.徐工集团道路机械分公司，江苏徐州221004；3.西安交通大学，陕西西安710049）

焊接顺序和焊接结构对振捣座残余应力的影响

房元斌1，蹤雪梅1，张华清2，殷咸青3，张林杰3

（1.江苏徐州工程机械研究院，江苏徐州221004；2.徐工集团道路机械分公司，江苏徐州221004；3.西安交通大学，陕西西安710049）

焊接残余应力大小影响整机的性能和使用寿命，研究振捣座的残余应力分布有着重要的工程意义。利用焊接数值模拟手段，对整机振捣座的不同焊接结构和多种焊接顺序进行优化分析，获得振捣座的焊接残余应力分布状况，结合实验手段，验证有限元模型的正确性和有效性。结果表明，采用对称施焊得到的残余拉应力的峰值最小。改变焊接结构形式，加强板在关注位置内侧残余应力分布趋势稳定，而在外侧趋势变化较大，且峰值增大。该研究为优化生产工艺，为后续控制焊接残余应力提供理论依据。

振捣座；焊接结构；残余应力分布；数值模拟

0 前言

一直以来，人们对焊接残余应力做了大量的计算和实验研究[1]。对于典型T接头和平板对接，国内外学者更是深入剖析其机理，总结出很多宝贵的经验[2]，但对于工程问题的研究甚少，尤其是考虑焊接结构和焊接顺序交互作用方面。

工程应用问题关注的往往是实际结构件的焊接残余应力问题，对其简单接头的分布趋势和机理信任程度低，加之复杂因素的影响，大型结构件的残余应力分布更多表现为无规则分布趋势。本研究避免对整体结构件的残余应力分布分析，只研究其关键结构件的关注位置的残余应力分布。整机振捣座结构形式复杂，同时，该位置结构件的焊接质量要求较高，其残余应力分布也直接影响着整机性能和疲劳寿命[3]。对于已成熟的焊接工艺，设计合理的焊接结构，选择合理的焊接顺序[4-5]，有利于提高振捣座使用寿命。

在工程机械领域的焊接数值模拟计算中，有限元方法主要应用于解决焊接变形问题的焊接顺序优化；对于整机焊接残余应力分布的模拟计算，受限于软硬件水平，有限元模型是建立在网格质量差、壳单元、等效拘束条件等假设条件下[6]，这种假设条件必然造成获得残余应力分布结果误差较大，以至于无法获得局部关键位置残余应力的真实分布情况。本研究主要是从焊接结构和焊接顺序两个方面，利用焊接数值模拟，结合实验验证，对整机关键位置振捣座的残余应力分布情况进行局部优化分析。

以工程机械整机产品振捣座焊接为例，在有限元软件分析焊接残余应力分布的基础上，针对不同结构形式，兼顾不同焊接顺序的影响，研究应力场分布情况，最终获得振捣座合理的结构形式和焊接顺序。

1 有限元模型

1.1 模型的建立

工程机械结构件一般尺寸较大，关键位置的结构形式复杂。振捣座实体模型如图1所示。一般采用过渡网格形式划分，由于振捣座焊缝交叉，在焊缝和焊缝周围位置有很高的温度和应力梯度。为了真实反映焊后残余应力分布，同时随着计算机计算能力不断提升，对整体结构进行模块化处理，采用并行技术分析计算。为保证应力场求解精度，在模型网格划分过程中，局部模型采用全细化网格。网格最小尺寸为1 mm，获得振捣座网格模型单元总数484325，节点数555 879。

图1 振捣座实体模型Fig.1Solid model of vibrator

振捣座弯板内部两块加强板间距大小直接影响弯板与连接板焊缝位置残余应力分布。设计原始模型、小间距模型、大间距模型，间距变化为12 mm。在三种间距大小均能保证结构性能的基础上，分析该位置残余应力分布情况，获得不同结构形式的振捣座网格，如图2所示。

图2 网格模型Fig.2Mesh model

1.2 振捣座材料及焊接工艺参数

振捣座材料选用宝钢Q460，根据厂家提供的材料成分，获得相应的材料性能参数[7]如图3所示。振捣座的焊接方法采用CO2气体保护焊，焊机选用林肯500，焊丝采用ER50-6 φ1.2，焊接效率0.8，钢板不开坡口，焊接工艺参数如表1所示。

图3 Q460热-力参量与温度的关系Fig.3Relationship between thermo-mechanical parameters and temperature of Q460

表1 Q460焊接工艺参数Tab.1Process parameters welding of Q460

1.3 焊接热源及边界条件

焊接热源选Goldak提出的双椭球热源模型①MSC.Marc User's Manual，Volume A，Chapter6.，使用静单元模拟焊接过程中焊缝金属的填充。由于热交换方式热辐射影响程度较小，故只考虑工件表面的对流散热，散热系数设为0.02，焊接周围环境温度设为20℃。

振捣座是在自由焊接过程中完成的，没有外加的拘束，故整体模型只添加保证模型整体刚度的拘束条件，尽量模拟自由焊接工况。在弯板边界施加弹簧约束，以模拟局部模型的自由变形与应力等效释放；连接板和加强板沿焊缝方向在添加位移约束，用来限制纵向位移，而不影响纵向收缩变形，从而模拟其自由焊接工况。

1.4 焊接顺序方案

在振捣座的焊接过程中，总共有10条焊缝，对其进行编号。图1连接板2与弯板外侧x向焊缝为编号1，内侧为编号2，z向焊缝为编号3；连接板1与弯板外侧x向焊缝为编号4，内侧为编号5，z向焊缝为编号6；加强板4与弯板外侧x向焊缝为编号7，内侧为编号8，对应另一块加强板为编号9，编号10。

兼顾现场工艺经验，考虑加强板焊接顺序改变对局部模型残余应力分布的影响，将焊接顺序分为连接板与弯板焊接5种、加强板与弯板焊接4种，制定焊接方案如表2所示，每种连接板与弯板焊接对应4种方案，依次编号。

表2 几种焊接方案Tab.2Several welding schemes

2 焊接结构和顺序对残余应力影响

影响振捣座的应力场主要是焊接残余应力和工作应力。应力分布和峰值区域是裂纹产生的关键因素。焊接残余应力作为初始应力，对振捣座工作性能起重要作用。在问题出现较多的位置，即连接板2与弯板焊缝编号4和连接板1与弯板焊缝编号1，通过模拟分析，有效降低其峰值和均匀化残余应力分布，达到优化残余应力的目的。

2.1 连接板与加强板焊接对残余应力分布影响

在相同的约束条件下，通过模拟不同焊接顺序和焊接结构形式，研究分析残余应力分布情况。上述几种焊接方案的残余拉应力分布对比如图4所示。通过曲线变化规律可以发现，调整加强板与连接板焊接的四种方案对焊接残余应力整体变化曲线的前130 mm分布趋势变化影响较大。从理论上分析，背部焊缝加强板与弯板焊接顺序影响其分布形式；后65 mm曲线变化较小，受背部焊缝的影响程度较小，主要受连接板与弯板焊接不同方案的影响。

2.2 不同间距焊接顺序改变对残余应力峰值影响

由小间距模型残余应力分布分析可知（见图4a），方案4得到的残余拉应力峰值最小，为340.987 MPa，即加强板与弯板焊接方案8、9、7、10，采用由内向外对称施焊的方法得到的残余拉应力的峰值最小。整体变化曲线呈现正态或马鞍形分布，这与经典T型接头和平板对接规律是一致的[8]。

由大间距模型残余应力分布分析可知（见图4b），方案14得到的残余拉应力峰值最小，为376.766MPa，即加强板与弯板焊接方案7、9、8、10，采用由内向外同侧施焊的方法得到的残余拉应力的峰值最小。连接板与弯板焊接方案3、6、1、4、2、5，先焊接3和6，相当于在后续的1、4、2、5焊接中增加模型整体刚度，弱化对称焊接的效果。

2.3 加强板焊接结构对残余应力分布影响

通过调整加强板间距大小，改变焊接结构形式，由图4可知，加强板在关注位置内侧残余应力分布趋势稳定，而在关注位置外侧残余应力分布趋势变化较大，且峰值增大。

从理论上分析，大间距模型的加强板位于外侧，在关注位置焊缝连接板一侧产生的力矩较大，而在弯板一侧产生的力矩较小。从温度场分析，其关注位置变形较小，相对应力值较大，而弯板一侧变形大，应力值小。因而，大间距模型应力分布最大。相对应小间距模型，加强板位于内侧，在弯板一侧产生力矩较大，关注位置形成残余应力值小。

3 试验验证

3.1 仿真结果分析

通过分析焊接结构和焊接顺序对关注位置残余应力分布结果可知，大间距残余应力峰值较高，且整体应力值较大，故排除该试验方案。选择原始模型现有工艺方案和小间距模型最佳方案，进行试验验证和对比试验。

3.2 试验验证

为保证试验模型与仿真模型更加接近，在板材的下料过程中，选用同一批次的钢材，且均矫形工艺，拼焊后结构件的尺寸精度高，保证振捣座结构件焊接是建立在相同基准下进行的验证试验。测量获得残余应力结果，如图5所示。

图4 不同间距模型残余应力分布Fig.4Residual stress distribution

考虑到盲孔法残余应力测量[9]精度，选择间隔30 mm测量，后50 mm仿真模拟结果变化较大，而实际测量只能测量两点，故存在一定的误差。由图5可知，仿真残余应力的结果在数值和分布上与试验结果较为吻合，验证了建立有限元模型的正确性和有效性。

图5 残余应力分布Fig.5Residual stress distribution

通过比较发现，小间距模型方案4应力峰值低于原始工艺方案。从后续振动时效、超声冲击等降低残余应力工艺考虑，方案4因其局部位置出现峰值，降低残余应力效果更好，因此，从实际工艺条件考虑，建议采用小间距方案4。

4 结论

（1）调整加强板与连接板焊接的对焊接残余应力整体变化曲线的前130 mm，分布趋势变化影响较大；后65 mm曲线变化受调整加强板与连接板焊接影响程度较小。

（2）采用对称施焊的方法获得的残余拉应力的峰值最小。小间距模型方案4残余拉应力的峰值最小，即由内向外对称施焊。

（3）改变焊接结构形式，加强板在关注位置内侧残余应力分布趋势稳定，而在关注位置外侧残余应力分布趋势变化较大，且峰值增大。

（4）验证建立有限元模型的正确性和有效性。从实际工艺条件考虑，建议采用小间距方案4。

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Influence of welding sequence and welding structure on residual stress of vibration seat

FANG Yuanbin1，ZONG Xuemei1，ZHANG Huaqing2，YIN Xianqing3，ZHANG Linjie3
（1.JiangsuXuzhouEngineeringMachineryResearchInstitute，Xuzhou221004，China；2.Xugong Group Road Machinery Corporation，Xuzhou 221004，China；3.Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China）

Welding residual stress affects the performance and service life of machine,studying the residual stress distribution of vibration seat has important engineering significance.By welding numerical simulation method，the different welding structures and various welding sequences of vibration seat are optimized and analyzed to obtain the welding residual stress distribution of vibration seat，and the correctness and validity of the finite element model are validated combining with the experimental method.The results show that the minimum peak of residual tensile stress is got by symmetry welding.Changing the welding structure，the residual stress distribution trend of reinforcing plate on the inside of concern location is stable，but the trend changes greatly in the outside of concern location and the peak increases.This research provides theoretical basis for optimization of production technology and subsequent control of welding residual stress.

vibration seat；welding structure；residual stress distribution；numerical simulation

TG404

A

1001－2303（2016）06－0075-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.15

2015-12-12；

2016-01-20

房元斌（1985—），男，山东威海人，工程师，硕士，主要从事焊接数值模拟仿真及焊接工艺技术的研究。