T型断续焊接数值模拟研究-副本

T型断续焊接数值模拟研究摘要：焊接较长工件时，焊接变形对设备的实用性及其表面的美观性有一定程度的影响。本文从焊接工艺、焊接顺序、构件定位和焊接参数分析了对焊接变形的影响，对焊前、焊中和焊后的预防方法进行了讨论，以T型焊接件作为仿真模型，围绕焊接顺序，焊接结构进行讨论，采用交错断续、并列断续焊接与连续焊接对比，结合实际方案采用不同的焊接顺序，对焊接过程的变形进行数值模拟，并分析了焊接后的残余变形，结果表明：交错断续焊接的变形量最小，连续焊接次之，并列焊接最大。可对实际焊接过程提供一定的参考价值。关键字：T型接头；焊接变形；残余应力；焊接结构NumericalsimulationofT-shapedintermittentweldingAbstract:Theweldingdeformationhasacertaininfluenceonthepracticabilityoftheequipmentandtheaestheticsofitssurface.Thispaperanalyzestheinfluenceofweldingprocess,weldingsequence,componentpositioningandweldingparametersonweldingdeformation.Thepreventionmethodsbefore,duringandafterbuttweldingarediscussed.Theweldingsequenceandweldingstructurearediscussed.Thedeformationofweldingprocesswassimulatednumericallybycomparingstaggeredintermittentandside-by-sideintermittentweldingwithcontinuouswelding.Theresidualdeformationafterweldingisanalyzedandtheresultsshowthat:Thedeformationofstaggeredintermittentweldingisthesmallest,followedbycontinuouswelding,andthelargestparallelwelding.Itcanprovidesomereferencevaluefortheactualweldingprocess.KeyWords:Ttypeweldjoint;Weldingdeformation;Residualstress;Weldingstructure-引言随着社会的不断发展，科技的不断进步，对制造业提出了更高的标准，与此同时也对焊接的要求也越来越严格，虽然连接技术发展迅速，但由于焊接有其他连接方式没有的优点，在使用中比较方便，仍然是连接金属最常用、方便的方法，但在焊接完成后由于受力不均匀，受工件的约束不能自由收缩和膨胀，容易产生变形的现象。T型焊是指将两个相互垂直的构件用角焊缝连接起来的焊接方式，是一种比较常见的焊接结构，根据不同的焊接方式，能承受一定大小的力和力矩，由于其结构和焊接方式比较简单，广泛应用于生活中，同时也在石油化工、起重设备、航空航天、车辆、农业设备、桥梁等方面广泛应用。在焊接过程中存在剧烈的局部温度变化，产生瞬态热变形，焊接结束冷却至室温后会导致工件产生塑性残余变形。焊接变形在一定程度上对焊接接头质量有影响。从而对焊接构件的安全性造成影响，在制造成本不变的情况下，结合实际焊接条件，科学地改变焊接工艺，降低焊接变形对工件造成的影响[1]。实践证明，改变焊接的结构和焊接工艺可以有效地减小焊接变形，其中断续焊是焊接工艺方式中的一种，主要用在焊接比较长的工件时，不需要完全焊接的非关键连接的工件。当焊件的两侧对称焊接时，可以改变焊接方式采用间歇焊接的方法来减小焊接变形。本文以T型构件为模型。采用CO2气体保护焊进行焊接数值模拟，由于在实际工程中焊缝较为复杂，通过试验的方法去测量焊接残余应力与变形比较困难，随着有限元数值模拟在工业应用中逐渐成熟，因此可以采用有限元数值模拟方法来计算不同的焊接顺序和焊接结构对焊接变形的影响[2]。基于数值模拟可以为实际的焊接过程提供理论依据[2]。1焊接热源模型热源模型的选取是影响仿真结果的关键因素，也是焊接数值模拟的基础。由于热源的温度局部集中、升温快速的特性，建立合理的热源模型在一定程度上可以提高计算精度，热源模型主要有集中、平面、体积分布热源模型。集中热源是将热源看作点、线、面作用在焊缝处，由于计算过程不需要迭代计算，所以比较广泛应用于工业中。平面热源模型包括平面高斯热源模型和双椭球热源模型，主要用于电弧冲击相对较小、熔池较浅的焊接方式。体积热源分布有均匀体热源模型、半球状热源模型、螺旋高斯体热源模型和双椭球热源模型，体热源模型适用于计算精度要求较高的情况和高能量焊接方式[3]。根据焊接类型和精度要求选取合理的热源模型，常用的有双椭球热源模型和高斯热源模型，本文选用与实际焊接工况相近的熔池前后两部分不对称分布的双椭球热源。具体参数如下[4]：前半部分热源分布：后半部分热源分布:式中：表示双椭球内热源的热流分布；表示椭球的前后半轴；QUOTEa、、、QUOTEc为椭球形状参数；、QUOTEf2=2araf+ar，；，为热源效率，QUOTEU为焊接电压（），为焊接电流（）。为了确保模拟结果的一致性，在仿真计算中均使用相同的热源模型和焊接参数。前轴长1.5mm，后轴长6mm，宽度5mm，深度5mm，高斯参数3，热源前端比例因子0.4。相关焊接参数：环境温度为常温20℃，对流换热系数20，接触换热系数1000，辐射换热系数0.6，焊枪移动速度10mm/s，电流180A，电压25V，效率0.8。2有限元模型2.1网格的划分采用的几何模型是T形构件，使用建模软件SolidWorks建立构件的三维模型。如图1所示，底板尺寸为，立板尺寸为。划分网格采用HyperMesh。考虑到计算精度和效率，离焊缝较远的网格较稀疏，靠近焊缝的网格较密。如图2所示，整体上采用从密集到稀疏的过渡。整个模型共有18580个节点和17600个单元。图1几何模型图2网格模型2.2材料特征[5]模型中使用的焊接材料是机械中常用的普通碳素结构钢Q235。在仿真中，考虑了Q235的机械性能和热物理性能随温度的变化。假设焊接材料和基础材料具有同样的机械参数和热物理性能。材料参数见表1表1材料参数（Q235）温度/(℃)比热容/()密度/()热导率/()泊松比250.4467852.254.93840.2902000.5177789.850.62500.2974000.6177718.443.57800.3056000.7907647.136.77610.3147000.9507611.434.15390.3188000.8537575.732.27600.3218500.6017557.927.71070.34313000.6717397.433.26130.369表2焊丝与母材的化学成分（质量分数）材料CCuFeMnNPSiSAlMoNiTiQ2350.150.498.2931.10.010.02—0.027————G2Si10.1—97.681.1——0.65—0.020.150.150.152.3焊缝位置如图3所示，立板和底板之间主要有2道焊缝。图3焊缝位置2.4焊接结构断续焊接分为两种：交错断续和并列断续。(a)交错断续(b)并列断续图4断续焊两种分类3不同焊接顺序、结构下数值模拟[6]利用专业焊接仿真有限元软件对Q235钢板进行T型焊接数值模拟，分别对三种焊接方式仿真计算焊接过程中的温度和变形的大小，以及对焊接完成后的残余变形进行分析。焊接模拟过程中，对工件添加重力，给底板添加支撑进行焊接，在焊接完成后冷却，使其冷却到室温，以确保变形和应力不受温度的影响，分析两块板变形的情况。3.1连续焊接为了分析不同焊接顺序对焊接变形的不同影响，根据实际焊接情况设计了焊缝方案，如图5所示。相同的序号表示两个焊缝同时焊接，而不同的序号表示焊缝的焊接顺序：方案a方案b方案c方案d图5连续焊焊接方案在上述方案中，方案a和方案b是两个焊枪同时焊接，a是从左到右同时焊接，b是在相反方向上焊接，而方案c、方案d是用一个焊枪进行两次焊缝焊接，方案c是在第一次焊缝完成后再焊接另一焊缝。两条焊缝的焊接方向相同。方案d也采用顺序焊接，但两个焊缝的焊接方向不同。3.2交错断续对于交错断续焊接，如图6所示，可以根据焊接顺序将其分为以下方案：方案a方案b方案c方案d方案e图6交错断续焊接方案在上述交错焊接方案中，方案a、方案b和方案c均由单个焊枪焊接。方案a总体上从左到右进行焊接，方案b是先在一侧焊接，然后在焊接后从另一侧焊接回初始位置，方案c中的第一次焊接后，再进行另一侧焊接沿相同方向焊接。方案d是两个焊枪的同时焊接，两个焊枪同时在相反的方向上焊接，方案e两个焊枪的焊接方向相同，如图6所示。3.3并列断续同样，并列断续可以根据焊接顺序分为以下几种方案：方案a方案b方案c方案d图7并列断续焊接方案与连续焊接相同，方案a和b是两个焊枪的同时焊接，a是从左到右的同时焊接，b是在相反方向的同时焊接，方案c和d是两侧的一个焊枪，解决方案c是在一侧的焊接完成后在另一侧焊接。两侧的焊接方向相同。方案d也被顺序焊接，但是两侧的焊接方向不同。4变形结果分析与讨论焊接过程中变形的主要原因是焊缝处局部加热温差过大造成的。加热时产生的组织和热变形会受到焊件的刚度条件限制。在焊接加热过程中产生的变形和应力称为瞬态应力应变。冷却后，瞬态应力得到部分释放，在工件上依然存在的应力和变形称为残余应力变形。变形最大处均位于离焊缝较远的位置，可选取底板的两侧和立板的上侧来进行变形分析，由于T型为对称结构，所以采取只分析底板的右侧和立板的上侧进行分析，即不讨论A3-F3，只对A1-F1和A2-F2进行分析讨论，如图8所示。图8焊接后变形测量点对于底板右侧A1-F1不同焊接结构顺序下的变形量的大小，并列断续中采用方案c变形最大，最小变形出现在方案b中，但方案b相对于方案d波动较大；交错断续的变形量波动虽然较大，但采用方案a的变形量和波动大小比较小；连续焊接由于是满焊，与其余两种断续焊相比相对均匀，采用方案c的变形量最小。通过对比以上三种焊接，可以看出交错断续焊接、连续焊接的最大变形均在方案b中，分别为0.6221mm、1.468mm，最小变形量为并排断续时的方案b为0.1518mm，连续焊接中变形最大的方案c是0.2562mm。总体上看，连续焊接比其他两种焊接方式变形量大，交错断续变形量最小，但是变形不均匀，如图9所示。并列断续交错断续连续焊接图9底板右侧变形量在立板上侧取测量点A2-F2。在并列断续中，方案d的变形量比较小，方案b的变形量最大。在交错断续焊接中，方案e和方案d的变形量较小，但方案d变形量比较稳定。在连续焊接中，最大和最小变形量出现在方案d中，但是方案a的变形量很小且稳定。比较这三种焊接方法，最小变形和最大变形均在连续焊接的方案d中出现，最小变形量为交错断续中的方案e，如图10所示。并列断续交错断续连续焊接图10立板上侧变形量5结论使用焊接模拟软件，研究了三种焊接方案（连续焊接、并列断续焊接和交错断续焊接）在不同焊接顺序下的T型接头的变形情况。结果表明：(1)三种不同类型的焊接方法，变形量从小到大的是交错断续焊接、连续焊接、并列断续焊接。(2)采用断续焊接的方式会对工件的应力场和组织场产生影响。(3)断续交错焊接可以减小焊接变形。在间歇焊接时，应同时考虑焊接变形和焊接应力。可以考虑通过调整断续的焊接间隙大小来改变焊接变形和焊接应力。参考文献：[1]马庆飞,李志芳,陈辉,杨小坡.焊接方向对T型接头焊接变形的影响[J].中小企业管理与科技(下旬刊),2018(04):155-156.[2]刘胜,楚锡华,徐远杰,何勇.薄板T型焊残余应力数值模拟与试验研究[J].热加工工艺,2017,46(03):238-241+245.[3]谷京晨,童莉葛,黎磊,王立,尹少武,白世武.焊接数值模拟中热源的选用原则[J].材料导报,2014,28(01):143-146.[4]李瑞英,赵明,吴春梅.基于SYSWELD的双椭球热源模型参数的确定[J].焊接学报,2014,35(10):93-96+117-118.[5]闫德俊,刘雪松,杨建国,方洪渊,杨永强.焊接过程数值模拟材料参量的确定[J].焊接学报,2012,33(09):24-28+114.[6]刘国宁,李楠楠,宋晓辉,马利伟,周明阳,姚鹏,邢军伟.焊接顺序对T型接头焊接温度场、应变场和应力场的影响[J].热加工工艺,2019,48(13):142-147.

附录资料：不需要的可以自行删除HYPERLINK不用鼠标怎么用键盘操作电脑.有哪些快捷键?快捷键大全F1显示当前程序或者windows的帮助内容。F2当你选中一个文件的话，这意味着“重命名”F3当你在桌面上的时候是打开“查找：所有文件”对话框F10或ALT激活当前程序的菜单栏windows键或CTRL+ESC打开开始菜单CTRL+ALT+DELETE在win9x中打开关闭程序对话框DELETE删除被选择的选择项目，如果是文件，将被放入回收站SHIFT+DELETE删除被选择的选择项目，如果是文件，将被直接删除而不是放入回收站CTRL+N新建一个新的文件CTRL+O打开“打开文件”对话框CTRL+P打开“打印”对话框CTRL+S保存当前*(糙)*作的文件CTRL+X剪切被选择的项目到剪贴板CTRL+INSERT或CTRL+C复制被选择的项目到剪贴板SHIFT+INSERT或CTRL+V粘贴剪贴板中的内容到当前位置ALT+BACKSPACE或CTRL+Z撤销上一步的*(糙)*作ALT+SHIFT+BACKSPACE重做上一步被撤销的*(糙)*作Windows键+M最小化所有被打开的窗口。Windows键+CTRL+M重新将恢复上一项*(糙)*作前窗口的大小和位置Windows键+E打开资源管理器Windows键+F打开“查找：所有文件”对话框Windows键+R打开“运行”对话框Windows键+BREAK打开“系统属性”对话框Windows键+CTRL+F打开“查找：计算机”对话框SHIFT+F10或鼠标右击打开当前活动项目的快捷菜单SHIFT在放入CD的时候按下不放，可以跳过自动播放CD。在打开word的时候按下不放，可以跳过自启动的宏ALT+F4关闭当前应用程序ALT+SPACEBAR打开程序最左上角的菜单ALT+TAB切换当前程序ALT+ESC切换当前程序ALT+ENTER将windows下运行的MSDOS窗口在窗口和全屏幕状态间切换PRINTSCREEN将当前屏幕以图象方式拷贝到剪贴板ALT+PRINTSCREEN将当前活动程序窗口以图象方式拷贝到剪贴板CTRL+F4关闭当前应用程序中的当前文本（如word中）CTRL+F6切换到当前应用程序中的下一个文本（加shift可以跳到前一个窗口）在IE中：ALT+RIGHTARROW显示前一页（前进键）ALT+LEFTARROW显示后一页（后退键）CTRL+TAB在页面上的各框架中切换（加shift反向）F5刷新CTRL+F5强行刷新激活程序中的菜单栏F10执行菜单上相应的命令ALT+菜单上带下划线的字母关闭多文档界面程序中的当前窗口CTRL+F4关闭当前窗口或退出程序ALT+F4复制CTRL+C剪切CTRL+X删除DELETE显示所选对话框项目的帮助F1显示当前窗口的系统菜单ALT+空格键显示所选项目的快捷菜单SHIFT+F10显示“开始”菜单CTRL+ESC显示多文档界面程序的系统菜单ALT+连字号(-)粘贴CTRL+V切换到上次使用的窗口或者按住ALT然后重复按TAB，切换到另一个窗口ALT+TAB撤消CTRL+Z使用“Windows资源管理器”的快捷键如果当前选择展开了,要折叠或者选择父文件夹左箭头折叠所选的文件夹NUMLOCK+负号(-)如果当前选择折叠了，要展开或者选择第一个子文件夹右箭头展开当前选择下的所有文件夹NUMLOCK+*展开所选的文件夹NUMLOCK+加号(+)在左右窗格间切换F6可以使用Microsoft自然键盘或含有Windows徽标键的其他任何兼容键盘的以下快捷键。在任务栏上的按钮间循环WINDOWS+TAB显示“查找：所有文件”WINDOWS+F显示“查找：计算机”CTRL+WINDOWS+F显示“帮助”WINDOWS+F1显示“运行”命令WINDOWS+R显示“开始”菜单WINDOWS显示“系统属性”对话框WINDOWS+BREAK显示“Windows资源管理器”WINDOWS+E最小化或还原所有窗口WINDOWS+D撤消最小化所有窗口SHIFT+WINDOWS+M关闭所选文件夹及其所有父文件夹按住SHIFT键再单击“关闭按钮（仅适用于“我的电脑”）向后移动到上一个视图ALT+左箭头向前移动到上一个视图ALT+右箭头查看上一级文件夹BACKSPACE五、使用对话框中的快捷键目的快捷键取消当前任务ESC如果当前控件是个按钮，要单击该按钮或者如果当前控件是个复选框，要选择或清除该复选框或者如果当前控件是个选项按钮，要单击该选项空格键单击相应的命令ALT+带下划线的字母单击所选按钮ENTER在选项上向后移动SHIFT+TAB在选项卡上向后移动CTRL+SHIFT+TAB在选项上向前移动TAB在选项卡上向前移动CTRL+TAB如果在“另存为”或“打开”对话框中选择了某文件夹，要打开上一级文件夹BACKSPACE在“另存为”或“打开”对话框中打开“保存到”或“查阅”F4刷新“另存为”或“打开”对话框F5选择项目时，可以使用以下快捷键。目的快捷键插入光盘时不用“自动播放”功能按住SHIFT插入CD-ROM复制文件按住CTRL拖动文件创建快捷方式按住CTRL+SHIFT拖动文件立即删除某项目而不将其放入SHIFT+DELETE“回收站”显示“查找：所有文件”F3显示项目的快捷菜单APPLICATION键刷新窗口的内容F5重命名项目F2选择所有项目CTRL+A查看项目的属性ALT+ENTER或ALT+双击可将APPLICATION键用于Microsoft自然键盘或含有APPLICATION键的其他兼容键七、Microsoft放大程序的快捷键这里运用Windows徽标键和其他键的组合。Windows徽标+PRINTSCREEN将屏幕复制到剪贴板（包括鼠标光标）Windows徽标+SCROLLLOCK将屏幕复制到剪贴板（不包括鼠标光标）Windows徽标+PAGEUP切换反色。Windows徽标+PAGEDOWN切换跟随鼠标光标Windows徽标+向上箭头增加放大率Windows徽标+向下箭头减小放大率八、使用辅助选项快捷键目的快捷键切换筛选键开关右SHIFT八秒切换高对比度开关左ALT+左SHIFT+PRINTSCREEN切换鼠标键开关左ALT+左SHIFT+NUMLOCK切换粘滞键开关SHIFT键五次切换切换键开关NUMLOCK五秒用AIT+TAB还有微软微标的个键，方向键。最多的是用到AITF1显示当前程序或者windows的帮助内容。F2当你选中一个文件的话，这意味着“重命名”F3当你在桌面上的时候是打开“查找：所有文件”对话框F10或ALT激活当前程序的菜单栏windows键或CTRL+ESC打开开始菜单CTRL+ALT+DELETE在win9x中打开关闭程序对话框DELETE删除被选择的选择项目，如果是文件，将被放入回收站SHIFT+DELETE删除被选择的选择项目，如果是文件，将被直接删除而不是放入回收站CTRL+N新建一个新的文件CTRL+O打开“打开文件”对话框CTRL+P打开“打印”对话框CTRL+S保存当前*(糙)*作的文件CTRL+X剪切被选择的项目到剪贴板CTRL+INSERT或CTRL+C复制被选择的项目到剪贴板SHIFT+INSERT或CTRL+V粘贴剪贴板中的内容到当前位置ALT+BACKSPACE或CTRL+Z撤销上一步的*(糙)*作ALT+SHIFT+BACKSPACE重做上一步被撤销的*(糙)*作Windows键+M最小化所有被打开的窗口。Windows键+CTRL+M重新将恢复上一项*(糙)*作前窗口的大小和位置Windows键+E打开资源管理器Windows键+F打开“查找：所有文件”对话框Windows键+R打开“运行”对话框Windows键+BREAK打开“系统属性”对话框Windows键+CTRL+F打开“查找：计算机”对话框SHIFT+F10或鼠标右击打开当前活动项目的快捷菜单SHIFT在放入CD的时候按下不放，可以跳过自动播放CD。在打开word的时候按下不放，可以跳过自启动的宏ALT+F4关闭当前应用程序ALT+SPACEBAR打开程序最左上角的菜单ALT+TAB切换当前程序ALT+ESC切换当前程序ALT+ENTER将windows下运行的MSDOS窗口在窗口和全屏幕状态间切换PRINTSCREEN将当前屏幕以图象方式拷贝到剪贴板ALT+PRINTSCREEN将当前活动程序窗口以图象方式拷贝到剪贴板CTRL+F4关闭当前应用程序中的当前文本（如word中）CTRL+F6切换到当前应用程序中的下一个文本（加shift可以跳到前一个窗口）在IE中：ALT+RIGHTARROW显示前一页（前进键）ALT+LEFTARROW显示后一页（后退键）CTRL+TAB在页面上的各框架中切换（加shift反向）F5刷新CTRL+F5强行刷新激活程序中的菜单栏F10执行菜单上相应的命令ALT+菜单上带下划线的字母关闭多文档界面程序中的当前窗口CTRL+F4关闭当前窗口或退出程序ALT+F4复制CTRL+C剪切CTRL+X删除DELETE显示所选对话框项目的帮助F1显示当前窗口的系统菜单ALT+空格键显示所选项目的快捷菜单SHIFT+F10显示“开始”菜单CTRL+ESC显示多文档界面程序的系统菜单ALT+连字号(-)粘贴CTRL+V切换到上次使用的窗口或者按住ALT然后重复按TAB，切换到另一个窗口ALT+TAB撤消CTRL+Z使用“Windows资源管理器”的快捷键如果当前选择展开了,要折叠或者选择父文件夹左箭头折叠所选的文件夹NUMLOCK+负号(-)如果当前选择折叠了，要展开或者选择第一个子文件夹右箭头展开当前选择下的所有文件夹NUMLOCK+*展开所选的文件夹NUMLOCK+加号(+)在左右窗格间切换F6可以使用Microsoft自然键盘或含有Windows徽标键的其他任何兼容键盘的以下快捷键。在任务栏上的按钮间循环WINDOWS+TAB显示“查找：所有文件”WINDOWS+F显示“查找：计算机”CTRL+WINDOWS+F显示“帮助”WINDOWS+F1显示“运行”命令WINDOWS+