反变形量对S355钢T型接头变形与残余应力影响的数值分析

孙进发，刘明伟，刘海龙，杜文普

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司质量管理部，山东青岛266000；2.大连交通大学材料科学与工程学院，辽宁大连116028）

0 前言

焊接由于方法经济、灵活，可简化结构细节，节约材料，提高生产效率[1]，目前广泛应用于船舶、机车、车辆、桥梁、锅炉等工业领域，以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程、大型厂房、高层建筑等重要结构。

T型接头是一种应用较为广泛的焊接形式，其焊接过程中发生的焊接变形和残余应力是影响焊接产品精度和性能的重要因素。焊接变形及残余应力将影响到腐蚀、裂纹、疲劳强度等力学性能[2]，同时也会对材料的物理机械性能产生巨大影响，对T型接头的强度造成很大危害。

近年来，国内外学者在焊后变形及残余应力的预测与控制方面进行了大量研究。清华大学赵海燕[3]、张建强等提出用生死单元法模拟多层多道焊及焊缝金属的熔敷，同时将运动高斯点热源分割为分段的带状高斯热源，兼顾计算精度和计算效率。航空制造工程研究所的关桥[4]深入研究了焊接变形预测与控制，并在薄壁焊接结构低应力无变形控制技术方面取得诸多研究成果。T.Inoue等[5]研究伴随相变的温度变化过程中温度、相变和热应力之间的耦合效应，提出了耦合条件下本构方程的一般形式。

现有研究成果很少涉及反变形对结构变形与残余应力的影响，针对S355钢T型接头的焊接模拟研究更是鲜有报道。本研究基于有限元数值仿真方法，以T型接头的S355钢为研究对象，模拟其在不同反变形量下的变形与残余应力分布，获得反变形量对T型接头焊接变形及残余应力的影响规律。

1 实验结构与生产工艺

T型接头试件的尺寸为：翼板200 mm×100 mm×8 mm，腹板 200 mm×200 mm×8 mm。根据 ISO9606与ISO9692焊接标准设计的焊缝为a5角焊缝，焊两层，如图1所示。

图1 T型接头结构简图

焊接方法为熔化极活性气体保护焊（MAG），保护气体 ISO14175M21[φ（Ar）82%+φ（CO2）18%]，焊接填充材料为ISO14341-A-G 42 4 M G3Si1。焊接工艺参数如表1所示。

表1 焊接工艺参数

2 有限元模型建立

2.1 热源模型选择与校核

采用双椭球热源模型作为变形仿真热源。双椭球热源是一种体积分布热源[6]，其热源模型表现为空间三维分布，既考虑了热流在作用面的平面分布，又考虑了热源热能量沿板厚方向的分布。目前较好的是A.Goldak提出的双椭球形热源模型，该模型充分考虑了热源在焊接过程中的前、后端温度变化不同步特点，并使模型对热源的描述较半球形及椭球形热源更为准确。双椭球热源模型如图2所示。

图2 双椭球热源模型

为获得准确的热源模型，需对其进行热源校核。首先给出双椭球热源模型热源参数的初始值，将计算结果与实际焊缝的熔池形状进行比较，通过不断调整使模拟结果与熔池形状一致，得到正确的热源模型。Sysweld软件本身提供平均热循环曲线的求解方法。在热源校核后得到的平均热循环曲线如图3所示。将该热循环曲线编辑整理后导入，即可使用该热源进行焊接变形仿真计算。

2.2 网格模型

图3 焊接平均热循环曲线

在焊接过程中，由于热源输入高度集中，为了提高计算精度，焊缝处的网格必须非常细小（最小单元应控制在2 mm以下），而远离焊缝的网格应稀疏分割，以减少单元中节点的数量，从而减少计算时间[7]。虽然在平面模型中可使用三角形单元，在三维模型中也可使用楔块（三角形几何拉伸）和四面体单元，但是这些单元在计算温度应力时因应力梯度较大会影响计算精度。所以，一般选用四边形和六面体单元。

将几何模型进行网格划分并建立必要的组：模型的单元总数24 250个；节点总数21 361个，3D单元数18 080个。网格划分如图4所示。

图4 T型接头有限元模型

在计算过程中，为了防止试件刚体移动，需要对试件施加一定约束，且这些约束尽可能与实际加工一致，如图5所示。

图5 焊接约束条件

为了清晰地对比不同反变形量对焊接变形和残余应力的影响，采取四种反变形方案：方案一为未施加反变形量的自由状态；方案二为施加反变形量0.1 mm；方案三为施加反变形量0.3 mm；方案四为施加反变形量0.5 mm。

T型接头施加反变形的位置如图6所示。

图6 T型接头反变形施加位置

3 结果与分析

3.1 焊接变形计算结果

在上述焊接参数、热源模型和有限元模型的基础上，利用SYSWELD软件对S355钢T型接头的焊接过程进行数值模拟，观察并分析焊后残余应力与变形的数值与分布状态。四种方案的焊后变形分布云图如图7所示。4种方案的试板变形趋势相同，呈向有焊缝一侧翘曲变形，且距焊缝越远，变形数值越大。其中腹板的变形远远大于翼板变形，为T型接头的主要焊接变形。对比4种方案可知，反变形量越大，T型接头的焊后变形最大值越小。

3.2 焊接残余应力计算结果

四种方案下T型接头焊后Von-mises等效应力分布云图如图8所示。由图8可知，T型接头焊后残余应力集中在焊缝区，最大值约为474 MPa。这是因为焊缝附近产生塑性变形的高温金属在收缩过程中受到的约束较小，导致母材上的应力无法释放，从而形成局部高应力区。由于多层多道焊中每一道焊道对前一道焊道具有热处理作用，消除了部分内应力，因此焊道中的应力较小。远离焊缝区域的等效应力迅速减小，边缘处应力值接近于0。对比四种方案的残余Von-mises等效应力可知，四种方案的结果几乎相同，因此反变形的施加及大小对T型接头残余应力基本没影响。

为了清晰对比T型焊接接头在不同反变形量下的变形情况，在该T型接头的腹板选取3条线，从左到右依次记为S1、S3、S2，翼板选取一条线记为S4；距离焊趾处15 mm分别作为腹板变形提取位置和翼板变形提取位置，如图9所示。对比4种方案下相同提取位置的变形大小，结果如图10所示。由图10可知，腹板上的节点集变形均为拉伸变形，距离焊趾处越远，其变形量越大；翼板上的节点集变形趋势相同。4种方案同一节点的变形量随着施加反变形量的增加而减小。

图7 板厚方向变形分布

图8 Von-mises等效应力分布

为了清晰对比该T型焊接接头在不同反变形量下产生的残余应力，在该T型接头的腹板距离焊趾15 mm处选取一条线，记为L1；翼板距离焊趾处15 mm处选取一条线记为L2，翼板底部垂直于焊缝方向的中心线记为L3，分别作为腹板残余应力提取位置和翼板残余应力提取位置，如图11所示。分别对比四种方案下相同提取位置的纵向及横向残余应力大小，结果如图12、图13所示。

由图12、图13可知，T型接头的焊后纵向和横向残余应力集中在焊缝附近，且焊接起始端与结束端的应力较小。4种方案的残余应力大小与趋势几乎一致，因此反变形对S355钢的焊后残余应力影响很小。

图9 变形提取位置

4 结论

利用Sysweld有限元分析功能对S355钢T型接头多层多道焊进行数值模拟，得到焊接变形及残余应力场的分布图，并通过提取相同位置的变形与残余应力数值，对比分析后得出反变形对焊接变形及残余应力的影响规律，得出以下结论：

图10 焊件表面板厚方向变形分布

（1）S355钢T型接头焊后整体呈向有焊缝一侧的翘曲变形，距焊缝越远变形越明显，变形最大值为0.483 mm，出现在腹板边缘处。在腹板施加反变形后，焊接变形最大值减小。

图11 残余应力提取位置

图12 纵向残余应力分布

图13 横向残余应力分布

（2）S355钢T型接头的焊缝区及热影响区存在较大Von-mises等效应力，焊缝区以外的等效应力值迅速减小。应力最大值约为474 MPa，出现在焊根处，而焊道中应力值较小。

（3）对比不同反变形量下相同位置的焊后变形与残余应力分布，发现施加反变形可整体降低焊后变形，且反变形量越大，焊后变形越小。四种方案的焊后横向残余应力与纵向残余应力大小与分布都很接近。因此通过施加合理的焊接反变形量可以有效减少焊接变形且不影响残余应力。