焊接应力和变形的数值模拟研究
初弯曲和残余应力对焊接工字钢梁模态影响的数值模拟
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ａ ｌ ｎａ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｍｕ ｌ ｔ ｉ － ｆ ｒ ｅ ｅ ｄ ｏ ｍ－ ｄ ｅ ｇ ｒ ｅ ｅ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ。ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｗｅ ｌ ｄ ｅ ｄ Ｉ — ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｂ ｅ ａ ｍ ｉ ｆ ｘ ｅ ｄ ａ ｔ
ｔ ｗｏ ｅ ｎ ｄ ｓ ｗ ａ ｓ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ｗ ｉ ｔ ｈ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ ｔ ｏ ｎａ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｉ ｔ ｓ ｉ ｍ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ａ ｌ ｐ ａ ｒ ｍｅ ａ ｔ ｅ ｒ ｓ ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ｌ ａ ｄ ｅ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ｌ ａ ｄ ｅ ．
响甚微 ， 可 以忽 略； 而残余应力对结构 的模态影 响较大 ， 不能 忽略 。该结论 对钢结 构设计及 健康检测 有
一
定 的参 考意义 。
关键 词 ： 焊接工字钢梁 ； 振型 ； 频率 ； 初弯 曲； 残 余应力
中图分类号 ： Ｔ Ｕ ３ ９ ２ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ ２ 一ｌ １ ４ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ —０ １ ｏ ５ 一ｏ ５
Ｎｕｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｍｏ ｄ ａ ｌ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｆ ｏ ｒ Ｉ ｎ ｌｕ ｆ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ Ｉ ｎ ｉ ｔ ｉ ｌ ａ Ｄｅ ｌｅ ｆ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｒｅ ｓ ｉ ｄ ｕ ａ ｌ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｎ Ｗ ｅ ｌ ｄ ｅ ｄ Ｉ ． ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ Ｂｅ ａ ｍ
爆炸消除焊接残余应力的数值模拟
１ ）将 盲 孔 法 测 得 的焊 接 残 余 应 力 分 布 预 置 到 模 型 中 ， 算 了爆 炸 载 荷 作 用 下 不 同 布 药 方 式 时 焊 接 残 余 应 力 的 再 分 计 布 ， 将 其 与 对 应 的 实 测 结 果 进 行 比较 。研 究 结 果 表 明 ， 属 材 料 的 塑 性 流 动 是 爆 炸 消 除 焊 接 残 余 应 力 的 根 本 因 素 。 并 金
加卸 载准 则为 ： 若 １ ７＝０ ｄ 一Ｈ ｄ ＞０ 则继 续 塑性加 载 ； ， ６ ， 若 Ｆ：０ ｄ 一Ｈ ｄ ＜０ 则 由塑 性按 弹 性 卸 ， ６ ，
２ ）在 模 型 的 焊 缝 区引 入 面 状 裂 纹来 表 征 焊缝 中 的 凝 固 裂 纹 ， 用 Ａ Ａ Ｕ 利 Ｂ Ｑ Ｓ用 户 自定 义 子 程 序 开 发 的基 于 虚 拟 裂 纹
闭 合 法 的三 维 断 裂单 元 ， 算 能 量 释 放 率 对爆 炸 载 荷 的 响 应 。研 究 结 果 表 明 ， 炸 载 荷 并 不 一 定 会 导 致 裂 纹 的 扩 展 。 计 爆
ｆｃｏｓｏ ｈ ｅｉ ｆ ｌｉｇｒｓｄ ａ ｔ ｓ ｈ ｏ ｇ ｎ ｅ ｐｏｉｅ ｔ ａｍｅ ｔ ａ ｔｒ ｎ ｔｅｒｌ ｆｏ ｄｎ ｅｉｕ ｌｓ ｅ ｓｔｒｕ ｈ ａ ｘ ｌｓ ｒ ｔ ｎ．２）ｗ ｈ ｒｃｅ ｚ ｈ ｌｎ ｒ ｅ ｗｅ ｒ ｖ ｅ ｅ ｃ ａａ ｔｒ ｅ ｔｅ ｐａ ａ ｉ ｃａ ｋ ｉ ｈ ｅｄ ｂ ａ ｆｔｅｍｏ ｅ ｓｔｅｗｅｄｎ ｏｉｉｃ ｔ ｎ ｃａ ｋ，ｎ ｓ Ｂ ｒｃ ｎｔ ｅｗ ｌ ｅ ｄ ｏ ｄ ｌ ｈ ｌｉｇ ｓｌ ｆ ａｉ ｒｃ ａ ｄ ｕ ｅ Ａ ＡＱＵ ｓｒｓ ｂｏ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｄｉ ｏ Ｓ ｕ ｅ ｕ ｒｕ ｉ ｏ ｎ
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。
焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。
焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。
这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。
由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。
因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。
传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。
ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。
文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。
2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。
由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。
在焊接分析中，常用的数值方法包括：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。
差分法：差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。
对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。
但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。
爆炸消除焊接残余应力的数值模拟
爆炸消除焊接残余应力的数值模拟爆炸消除焊接残余应力的数值模拟焊接残余应力是一个常见的问题。
在焊接过程中，高温物质的热膨胀和收缩会导致材料的形状发生变化，进而产生残余应力，这将会影响机械性能和耐用性。
而解决残余应力的方法之一就是爆炸消除技术。
本文将介绍通过数值模拟爆炸消除焊接残余应力的方法。
首先，我们需要建立一个三维的有限元模型。
这个模型应该和我们想要焊接的实际工件尽可能接近。
我们可以使用数值计算软件或者有限元分析软件来构建这个模型。
在建模的过程中，我们需要考虑焊接热源、导热、冷却和热膨胀等因素。
然后，我们需要确定爆炸消除技术的参数。
爆炸消除包括激波、爆炸和喷射等过程。
我们需要考虑爆炸药的种类、粒度和密度、爆炸药与工件之间的距离、爆炸的时间、爆炸的方向和强度等因素。
这些参数的确定需要基于实验和经验，并结合实际情况进行调整。
接下来，我们需要进行数值模拟。
我们将爆炸消除过程和焊接过程连接在一起进行模拟，同时考虑材料的耐热性，热膨胀系数以及变形发生的顺序等因素。
在数值模拟的过程中，我们需要对边界条件进行适当的设定，如限制边界和速度边界。
同时，我们还需要考虑计算时间和内存的限制，保证计算的收敛性和稳定性。
最后，我们需要对模型进行结果分析和数据处理。
我们可以通过结果图表来直观地展现残余应力的分布和变化情况，并进行相关数据的分析和处理。
我们还可以通过比较实验结果和数值模拟结果来验证模型的准确度和可靠性。
总之，数值模拟是一种有效的解决焊接残余应力问题的方法。
通过建立合适的模型，确定正确的参数和进行精确的计算和分析，我们可以更好地掌握焊接残余应力的变化规律，并采取有效的措施来解决这个问题。
对于焊接残余应力的数值模拟分析，我们需要进行相关数据分析，以确定残余应力分布的规律和变化趋势。
首先，我们需要收集和分析关于焊接材料的相关数据，如热膨胀系数、热导率、比热容、密度、杨氏模量和泊松比等。
这些参数对于确定焊接过程中热膨胀和冷却的效应非常重要，尤其是在数值模拟中。
焊接数值模拟
• 熔池部分
– 熔池形状 – 流场、温度场，主要研究成分和工艺因素对熔池形状的影响，针对焊缝形状控制 – 冶金过程
熔池中气体的吸收 各种氧化物氮化物的形成及其作为非均质核心的可能 凝固－熔质元素分布（偏析）凝固组织大小，结晶路径，BTR区间等
• 结构部分
– 热过程－温度分布，预测热影响区大小，冷却时间，Tmax，th，t8/5等 – 力过程－应力应变过程，残余应力和变形，预测裂纹，控制残余应力和变形 – 冶金过程－晶粒长大，相变，氢扩散，接头组织性能预测，冷裂敏感性预测等 – 接头性能与服役行为－不均质、存在缺陷、残余应力－断裂行为（韧性，强度，
• 热加工过程模拟的意义
– 认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的 结果（组织和性能）
– 与制造过程结合，实现快速设计和制造
焊接数值计算
2-1 热加工过程模拟的研究现状 热加工过程模拟的发展历程
• 60年代（起源于铸造）
• 丹麦的Forsund首次采用有限差分计算了铸件凝固过程的传 热。
• 美国随后进行了大型铸钢件温度场的数值模拟
q(x, y, z) q(0,0,0) e3x2 / a2 e e 3z2 / b2 3 y2 / a2
q(0,0,0) 6 3Q a2bπ π
q(x, y) qm eK x2 y2
qm
QK π
；
K
3 R02
q(x, y, z) qm eK x2 y2
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QK πH
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3 K R02
Gauss 圆柱热 源模型
热流密度均匀 分布的柱状热
源模型
H b
H
H
热源示意图 x
焊接数值模拟
电阻点焊过程数值模拟技术研究进展及应用摘要：数值模拟方法一直是研究和电阻点焊过程的有效方法。
详细介绍了电阻点焊过程数值模拟技术的研究现状和进展及其工业应用。
并指出了电阻点焊过程数值模拟及应用的发展方向。
1 引言电阻点焊以其生产效率高、焊接质量易保证、易实现自动化等优点而在汽车、航空及航天等工业领域获得了广泛的应用【1】。
然而电阻点焊又是一个高度非线性的电、热、力等变量作用的耦合过程，其中包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等，且电阻点焊熔核形成过程的不可见性和焊接过程的瞬时性给试验研究带来了很大困难，使人们对电阻点焊的过程机理一直缺乏比较深入的认识。
计算机技术和数值模拟技术的发展为电阻点焊研究提供了有效的理论分析手段，国内外的学者一直在尝试利用数值模拟的方法来研究点焊过程，已相继建立了许多数值模型，并取得了很多突破。
2 点焊过程数值模拟分析方法的演化过程【2】数值模拟技术应用于电阻点焊源自20 世纪60 年代，研究者们依据描述力、热、电过程的基本方程并对方程中参数变化和边界条件进行简化和假设，建立了点焊过程的数学模型，进而用数值模拟的方法对点焊过程温度场、电流场、电势和应力、应变场进行求解，用以研究点焊过程机理。
其分析方法从有限差分发展到有限元，模型从一维发展到三维，从单场分析发展到多物理场耦合分析，考虑的因素越来越多并且越来越接近实际。
学者Chang 【3】对此有过详细的总结。
总的来说，点焊数值模拟分析方法的演化大致可以分为以下4个阶段。
（1）有限差分法【3】。
有限差分法在早期对碳钢电阻点焊电热分析中应用得非常多。
其优点是计算简单，收敛性好，但是有限差分法无法求解力学问题。
因此，焊接过程中的力效应和热电效应的相互作用无法通过有限差分法来表征和求解。
（2）有限单元法【3】。
1984 年，学者Nied 【4】首次采用有限单元法来模拟电阻点焊过程中的预压阶段和通电阶段，他指出忽视预压阶段接触半径的变化是产生后续误差的根源，并通过计算获得了预压阶段电极和工件（E ／W）及工件之间（W／W）的实际接触面积，并以此计算结果来进行热、电耦合分析。
转向架构架箱形梁焊接温度场及应力场数值模拟分析
转向架构架箱形梁焊接
目
皿
度场及应力场数值模拟分析
黄 ４ ｎ ：中 国工程物 理研 究院工 学院 ，讲 师 ，四川 绵 阳， ￣＇ ｌ － 夏伯才 ：中 国工程物 理研 究院工 学院 ，教授 ，四川 绵阳 ， 刘 锦雄 ：中国工程物 理研 究院工 学院 ，讲 师 ，四川 绵 阳 ，
构 为向的要载传可避免 地会 产 箱 形 转架 焊接 过 程 中不 部，要生 架组而 重承和力件主南 梁 作焊成
，
件 的焊接数值模拟分析计算仍存在很大难度。
１ 有 限 元建模 分析
以某 一 机 车 为 例 ，转 向架 构 架 侧 梁材 料 为 １ ６Ｍｎ
残余 应力 。若 能对 焊接残余应力进 行分析预测 ，了解其
和 所 需 时 间 急 剧 增 加 ，使 实 际 焊 接 过 程 的 模 拟 难 以 实
焊接 过程 中 ，焊接 局部加 热到很高温度 ，整个焊接
现 。冈此 ，在焊缝 区域 内采用 细 网格 划分 ，以提 高计 算 温度变化 十分剧烈 ，必 须考虑材料 特征参数 随温度变化
精 度 ，远 离 焊 缝 区域 采 用 稀 疏 网格 划 分 ，以 此 减 少 整 个 的 因素 ，低 温时这些特 性参数 可以从 手册查 到 ，但高温 模型的计算量。
T2-YQ345异质材料焊接残余应力及变形数值模拟
T2-Y/Q345异质材料焊接残余应力及变形数值模拟张敏， 张文辉， 肖继明， 董玉凡， 褚巧玲(西安理工大学，西安，710048)摘要： 利用ANSYS 有限元软件基于APDL 命令流对T2-Y/Q345异质材料平板对接接头的温度场、残余应力和横向收缩进行数值模拟计算. 同时，对焊接接头的温度、残余应力及横向收缩进行测量. 结果表明，与T2-Y 侧相比，Q345侧存在较大的温度梯度. 沿焊缝方向，T2-Y 与Q345侧横向应力和纵向应力分别为双驼峰状和帽状分布. 在垂直于焊缝的中央界面的上表面，纵向应力与横向应力在焊缝和热影响区的应力分布均不连续，并在Q345侧存在较大应力梯度. 此外，T2-Y/Q345横向收缩最大位置位于焊缝中间部位，且向两端逐渐减小. 数值模拟结果与试验结果相对比，两者基本吻合，验证了ANSYS 有限元计算的可靠性.关键词： 异质材料；数值模拟；温度场；残余应力；横向收缩中图分类号：TG 404 文献标识码：A doi ：10.12073/j .hjxb .201911060010 序言随着现代科技技术的飞速发展，单一性能材料已无法满足工程需求. 铜钢异质接头兼具铜和钢的特性，因此广泛应用于发电、电子、石油化工、核工业等不同行业[1-3]. 焊接是结构部件生产过程中可靠而优秀的金属连接工艺，其操作简单且成本低廉. 在焊接时不可避免的会产生残余应力和变形，从而导致构件产生疲劳失效、应力腐蚀开裂，并影响焊接结构件的稳定性、装配精度及弯曲强度[4-5].在异种材料焊接[6-7]过程中，由于两者材料性能相差较大，导致两者焊后残余应力及变形较大，严重影响焊接接头的使用性能. 如何控制焊后产生的残余应力对异种材料焊接尤为重要，目前国内外学者做了异种材料焊接接头性能的研究，但大多数集中在异种材料焊接接头的组织、性能和元素迁移等方面[1, 8-9]，而对于异种材料在焊接过程中瞬态温度场、应力场及焊后残余应力和变形研究较少.随着计算机和数值模拟技术的快速发展，有限元数值模拟已经成为预测焊接变形可靠的技术. 利用有限元数值模拟技术可以比较直观地了解焊接过程瞬态温度场、应力场和应变场的变化趋势[10-14].蔡建鹏等人[12-14]利用ABAQUS 软件分析了Q345/SUS304异种钢对接接头在焊接过程中温度场、应力场及变形场的变化趋势，并研究了不同坡口形式对Q345/SUS304异种钢焊接接头残余应力及变形的影响. 黄本生等人[15]基于SYSWELD 软件分析了Q345/316L 异种钢对接接头焊接残余应力及变形，同时探讨了热输入对Q345/316L 异种钢焊后残余应力及变形的影响. Lee 等人[11, 16]研究了SM400/SUS304异种钢对接接头焊缝的温度场及应力场分布，比较了SM400/SUS304异种钢对接接头与相应同等尺寸的SM400和SUS304对接接头的残余应力. Xia 等人[17]利用ABAQUS 软件模拟研究了焊接顺序对SIS2172/SUS304异种钢焊接接头多层多道的温度场及应力场的影响. 以ANSYS 软件为平台，借助APDL 命令流，采用热弹塑性有限元法对板厚5 mm 的T2-Y/Q345异质材料对接接头的温度场、应力场及变形进行数值模拟计算，并通过试验对数值模拟结果进行验证. 文中研究了铜钢异质材料焊接过程的温度场、残余应力及横向收缩分布规律，为铜钢异质材料焊接提供理论指导.1 试验方法试验选用300 mm × 75 mm × 5 mm 的T2-Y 紫铜和Q345低合金钢平板对接接头. 图1为焊接试板示意图. 为了补偿由于铜的高导热性而产生的热收稿日期：2019 − 11 − 06基金项目：国家自然科学基金资助项目(51974243)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2019JZ-31)；陕西省自然科学基金(2019JQ-284)；陕西省教育厅基金(19JK0573).第 41 卷 第 4 期2020 年 4 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol .41(4):67 − 72April 2020损失，在铜侧开单边45°V 形坡口[1]. 坡口间隙为2 mm ，为了保证坡口间隙在焊前对其进行点焊固定. 焊前使用120目SiC 砂纸机械打磨清理除锈，再用无水乙醇擦拭并用超声波清洗器除去表面污染物，最后用丙酮擦拭. 采用非熔化极惰性气体保护电弧焊(TIG)方法施焊，焊接填充材料为ϕ1.2 mm 的S201纯铜焊丝，焊接保护气体选用Ar 气体，焊接电流200 A ，电弧电压20 V ，焊接速度2 mm/s .焊接方向Q345755T2-Y300θ = 45°2图 1 焊接试板示意图(mm)Fig. 1 Schematic of welding test board为了测量铜钢异质材料焊后横向收缩和残余应力，测试位置如图2所示. 首先，焊前预先分别在两块试板上各钻5个ϕ2 mm 的孔，如图2a 所示，并用游标卡尺分别测量焊前每组孔的初始距离L 1 ~L 5，焊后孔距L'1 ~ L'5，两者之差即为T2-Y/Q345对接接头焊后横向收缩. 在焊接过程中，沿着焊缝方向用K 型热电偶分别测定在焊缝上表面距铜侧和钢侧坡口边缘4.5 mm 处的温度，在Origin 中绘出焊接过程中的温度变化曲线. 焊后将表面的焊渣打磨干净，并用酒精将表面擦拭干净，再用ZDL-Ⅱ型残余应力钻孔装置对T2-Y/Q345对接接头焊后残2 有限元模型的建立2.1 热源模型Goldak 等人[18]提出双椭球热源模型用于模拟各种弧焊的温度场焊接热输入，其前半部分椭球内的热流密度分布函数为后半部分椭球内的热流密度分布函数为式中：Q = ηUI ，η为焊接热效率，取为0.75；a 1，a 2，b ，c 为双椭球形状参数；f 1，f 2为前后椭球能量分配系数，f 1+ f 2 = 2.2.2 热源模型根据图1所示的焊接试板尺寸，在ANSYS 中建立有限元模型，并对其网格划分，其有限元模型及网格划分如图3所示，其中单元数为73 200个，节点数为84 258个. 由于焊接是一个不均匀的加热过程，且在焊接过程焊缝及其附近区域的温度梯度较大，因此在焊缝及其附近区域用细小网格划分，在远离焊缝区域用稀疏网格划分. 实际焊接是在无外部拘束(自由变形)的条件下完成，为了模拟实际焊接的自由变形，同时防止模型发生刚性移动，建立如图3所示的力学边界条件.边界条件yz x O焊接方向图 3 边界约束条件Fig. 3 Boundary constraint由于焊缝金属填充材料(S201)与母材T2-Y 的材料性能差异较小，所以焊缝选用与母材T2-Y 相同的材料性能参数. 母材Q345与T2-Y 的材料性能参数如图4所示.2.3 求解采用热-应力间接耦合(不考虑应力场对温度焊接方向(a) 横向收缩7075150505050235023焊接方向T2-Y10Q3457075(b) 残余应力图 2 测试位置(mm)Fig. 2 Position of measuring. (a) transverse shrinkage ；(b) residual stress68焊 接 学 报第 41 卷场的影响)运用“生死单元技术”计算T2-Y/Q345异质材料对接接头的温度及应力应变场. 在温度场求解中选用3D实体热单元SOLID70，在计算时，先把所有焊缝单元都冻结，在焊接过程中将热源到达区域的焊缝单元逐步激活. 在残余应力计算过程中，采用移动分段热源，计算其瞬态温度场，将计算结果作为应力场求解的载荷，对其残余应力进行计算. 在应力场求解时需要将温度场的计算结果读入，并把热单元转变为结构单元，即SOLID70-SOLID185. 同时在ANSYS求解设定选项时采用完全瞬态积分法、打开大变形选项，此外选用完全牛顿-拉普拉斯(full newton raphson)法迭代，为了能够使非线性求解收敛，需要打开自动时间步长.3 模拟结果及分析3.1 温度场分析图5为焊接75 s温度场云图，在焊接过程中先将未焊区域的焊缝单元冻结，在焊接中逐步激活未焊接区域. 由图5可知，在热源没有到达区域的单元被冻结，因此这些区域是没有温度的. 热源在焊缝区域温度最高，最高温度为2 380 ℃. 同时，在焊接热源的作用下焊接热源前方的温度梯度较后方更为密集. 此外，焊缝热源温度分布是不对称的，呈现不规则椭球形状，其中Q345侧较T2-Y侧温度梯度更为密集，而T2-Y侧等温线宽度更宽，这是因为两者热导率的差异所造成的，T2-Y紫铜的热导率为Q345低合金钢的8倍，使得T2-Y紫铜传热及冷却速率更快. 图6为焊缝两侧距上表面焊缝中心8 mm处的热循环曲线. 由图6可以看出，Q345侧峰值温度为1 200 ℃，T2-Y侧峰值温度为990 ℃. Q345侧较T2-Y侧其热循环曲线更为“陡峭”，其原因为两者热传导速度的差异.24.985 8286.746548.505810.2651 072.021 333.781 595.541 857.32 380.822 119.06温度T/℃T2-YQ345MXX图 5 焊接接头温度云图Fig. 5 Temperature contour of the welding jointT2-Y 侧Q345 侧1 2501 0007505002500255075100125150T2-YQ34588焊缝中心线焊接时间t/s图 6 温度热循环曲线Fig. 6 Temperature thermal cycles3.2 应力场分析图7 和 图8为T2-Y/Q345异质材料焊接接头在图2所示位置横向应力σy和纵向应力σx的模拟值及测试值. 由图可知，有限元数值模拟值与实测值基本吻合. 由图7a和图7b可知，在T2-Y侧和Q345侧沿焊缝方向其纵向应力变化趋势基本一致，均呈帽状分布. 其中，T2-Y侧其纵向应力整体表现为拉应力特征，在沿焊缝方向80 ~ 210 mm处纵向应力保持为均值140 MPa左右，高于母材在常图 4 材料性能参数Fig. 4 Material performance parameters. (a) Q345 lowalloy steel；(b) T2-Y red copper第 4 期张敏，等：T2-Y/Q345异质材料焊接残余应力及变形数值模拟69温下的屈服强度90 MPa ，这是由于加工硬化而导致的[13, 15]；在Q345侧纵向应力分布与T2-Y 侧基本一致. 图7c 为垂直于焊接方向中部位置纵向应力σx 及测试值；焊缝及其两侧纵向应力表现为拉应力，而在远离焊缝两侧表现为压应力. 在T2-Y 侧的熔合线附近其纵向应力峰值为117 MPa ，这与T2-Y 紫铜在常温下的屈服强度(90 MPa)十分接近. 而在Q345侧的焊接熔合线附近出现拉应力峰值510 MPa ，其应力值超过Q345低合金钢在常温下的屈服强度345 MPa ，计算误差可能与焊接接头的精准本构关系设定与实际情况有所偏离有关，另外高温区的材料热力学参数的使用仅仅借助于一般资料，与焊接实际情况也有不符[12]，从而导致的计算误差. 除此之外，在Q345侧熔合线附近应力梯度明显比T2-Y 侧大，其主要有以下两个原因：①在焊接过程中T2-Y 侧的热导率大，其温度梯度(图5)较小，等温线较宽，温度变化较为平缓；Q345侧温度变化较T2-Y 侧更为不均匀，因此在其冷却过程中会产生更大的应力[13, 18]；②T2-Y 与Q345两种材料性能差异较大，其中后者线膨胀系数是前者的3倍. 由于母材T2-Y 与焊缝材料性能基本一致，而母材Q345与焊缝材料为异种材料，两距离 D /mm180120600−60050100150200250300模拟值实测值(a ) T2-Y 侧沿焊缝方向距离 D /mm4003002001000050100150200250300(b ) Q345 侧沿焊缝方向模拟值实测值距离 D /mm 6004002000000020406080100120140焊缝T2-YQ345(c ) 垂直于焊缝方向模拟值实测值图 7 纵向残余应力Fig. 7 Longitudinal residual stress. (a) T2-Y side alongthe weld direction ；(b) Q345 side along weld direction ；(c) perpendicular to weld direction距离 D /mm(a ) T2-Y 侧沿焊缝方向100500050100150200250300−50−150−100模拟值实测值(b ) Q345 侧沿焊缝方向距离 D /mm500−50−100−150−20050100150200250300模拟值实测值(c ) 垂直于焊缝方向距离 D /mm 020406080100120140模拟值实测值8060400−20−4020焊缝T2-YQ345图 8 横向残余应力Fig. 8 Transverse residual stress. (a) T2-Y side alongthe weld direction ；(b) Q345 side along weld direction ；(c) perpendicular to weld direction70焊 接 学 报第 41 卷者材料性能差异较大，在焊接加热冷却过程中热膨胀效应比较显著，因此在Q345侧应力梯度较大.由图8a ~ 8b可知，在T2-Y侧和Q345侧沿焊缝方向其横向应力均呈现双驼峰状分布. 在T2-Y侧和Q345侧两者横向应力均呈现两端受压中间受拉的分布趋势，且横向拉应力较小，其峰值分别为60和40 MPa，而两端压应力较大，其峰值分别为−110和−170 MPa；其原因为焊接过程是局部瞬时加热使焊接材料熔化并填入焊缝，而焊缝附近的母材由于受热膨胀而产生压缩变形；焊接完成后随着热源的离开，焊缝金属冷却结晶而产生横向收缩，由于沿焊缝方向不同位置的收缩量不同，导致在焊缝附近表现为拉应力特征，而在远离焊缝处表现为压应力特征[19]. 图8c为T2-Y/ Q345异质材料焊接接头在垂直于焊接方向中部位置横向应力σy及测试值，其横向残余应力在T2-Y和Q345两侧表现为拉应力，且两者在远离焊缝处其应力值趋于0 MPa；而在焊缝及其两侧应力变化较为复杂，在Q345侧的横向应力方向上的应力梯度较大，与前面分析结果一致. 这种应力梯度是异种金属焊接的特征，而这种特征是由于异种金属之间材料性能差异导致的. 文献[11, 15, 20]指出，材料的焊后变形和残余应力主要受以下因素影响，即式中：T为材料的屈服温度；R eL为材料的屈服强度；α为材料的热膨胀系数；E为材料的弹性模量.将图4中T2-Y紫铜与Q345低合金钢的相关数值代入式(3)得出Q345低合金钢的屈服温度约为T2-Y紫铜的3倍. 屈服温度越低越容易产生残余应力[12, 21]. 因此焊后在T2-Y侧更容易产生焊后残余应力.3.3 横向收缩分析图9为图2b所示位置横向收缩的模拟值与实测值，两者结果基本吻合. 由图9可知，模拟得到焊后横向收缩平均值为为1.313 mm，横向收缩率1.313%；试验测得焊后收缩平均值为1.256 mm，横向收缩率1.256%. 其中焊缝中部横向收缩最大为1.5 mm，在焊接起始端横向0.7 mm. 在对接板中部横向收缩最大，并且向起弧端和收弧端逐渐递减. 其原因为T2-Y/Q345异质材料焊接接头在焊接过程中发生了面外翘曲变形，翘曲变形会引起横向距离缩短效应；同时，焊接时由于点焊固定的作用使得在中间部位的横向收缩大于两端.图 9 横向收缩Fig. 9 Transverse shrinkage4 结论(1)利用有限元软件ANSYS结合试验结果对T2-Y/Q345异质材料在焊接过程的温度场、应力场及变形场进行计算分析，数值模拟与试验结果基本吻合，验证了数值模拟的准可靠性及准确性.(2) 根据温度场结果表明，由于T2-Y与Q345两种异质材料热导率的差异，使得在焊接过程温度云图中呈现不规则的双椭球，且在Q345侧存在较高的温度梯度.(3) 根据应力场结果表明，在T2-Y和Q345侧沿焊缝方向的横向应力都呈现双驼峰分布；纵向应力都呈现帽状分布；在垂直于焊缝的中央截面上表面，无论是纵向应力还是横向应力在焊缝及热影响区应力分布均比较复杂，且在Q345侧存在较大的应力梯度.(4) 根据横向收缩结果表明，在T2-Y/Q345对接接头的中间部位横向收缩最大，在起弧和收弧处横向收缩较小.参考文献Shiri S G, Nazarzadeh M, Sharifitabar M, et al. 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Materials & Design, 2014, 60: 678 − 684.[21]第一作者简介：张敏，1967年出生，博士，教授，博士研究生导师；主要从事焊接成形过程的力学行为及其结构质量控制、焊接凝固过程的组织演变行为及其先进焊接材料的研究；发表论文100余篇；Email ：zhmmn@xaut .edu .cn .（编辑： 戴红）72焊 接 学 报第 41 卷Zn15Al5Cu3In solder has the largest spread area on the Cu base material, reaching 110 mm2, which is 69% higher than the base solder.Key words: copper-aluminum brazing；brazing filler metal；spreadability；microscopic interfaceEffect of welding speed and welding current on humping bead of vertical high-speed GMAW ZHANG Li， GUO Zhen， ZHOU Wei， BI Guijun， HAN Bing (Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology, Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing, Guangzhou，510070, China). pp 56-61Abstract:Influence of welding speed and welding current on humping bead in the process of vertical high-speed gas metal arc welding (GMAW) was studied using the independently developed wall-climbing robot. The results show that when the welding speed or welding current exceeds a certain critical value, humping bead will generate in vertical high-speed GMAW. Moreover, the backflow liquid flow with high momentum generated by arc pressure, droplet impact force and gravity in the weld pool is the main reason for the formation of humping bead in vertical high-speed GMAW. Welding speed and current have a significant effect on the morphology of humping bead. When the welding current remains unchanged, as welding speed increases, both the spacing between humps and the height of hump decrease steadily firstly, then the rate of reduction decreases, while the width of bead decreases steadily. When the welding speed remains unchanged, as welding current increases, the spacing between humps increases firstly and then decreases, the height of hump increases firstly and then remains unchanged, while the width of bead increases steadily. In addition, the liquid metal appears to flow down when welding speed is too small or welding current is too large.Key words: wall-climbing robot；vertical high-speed GMAW；humping bead；welding speed；welding currentStress field and mechanical properties of laser metal deposited aluminum alloys TAO Wang， WANG Xian，CHEN Ao， LI Liqun (State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin，150001, China). pp 62-66Abstract:Through grooves in the 6 mm thickness ZL114A aluminum plate were repaired by the laser metal deposition process, and the filling powder was AlSi10Mg powder. In order to determine the scanning strategy, the residual stress generated with different scanning strategies was calculated by numerical simulation. The process of laser melting deposition was realized by the path scanning method with the smallest residual stress, and the influence of defects and heat input on the mechanical properties of the test workpiece was further studied. The results show that the layer-by-layer scanning strategy generated less the residual stress compared with the parallel scanning strategy. In terms of mechanical properties, by optimizing the process, the tensile strength of the tensile specimens has reached 268 MPa, which is 89% of the tensile strength of the substrate. Besides, the fracture location of the specimen was not along the interface between the deposition area and the substrate, but in the overlapping area between the deposition tracks.Key words: laser melting deposition；mechanical prop-erties；stress field；numerical simulationNumerical simulation of welding residual stress and distortion in T2-Y/Q345 dissimilar materials ZHANG Min， ZHANG Wenhui， XIAO Jiming， DONG Yufan， CHU Qiaoling (Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China). pp 67-72Abstract:Based on the APDL command flow of ANSYS finite element software to calculate the temperature field, residual stress and lateral shrinkage of the T2-Y/Q345 heterogeneous flat plate butt joint. The temperature, residual stress and lateral shrinkage of the welded joint are measured. The results show that compared with the T2-Y side, there is a larger temperature gradient on the Q345 side. Along the weld direction, the lateral stress and longitudinal stress on the T2-Y and Q345 sides are double hump-shaped and cap-shaped, respectively. On the upper surface of the central interface of the weld, the stress distribution of the longitudinal stress and the lateral stress in the weld and the heat-affected zone are discontinuous, and there is a large stress gradient on the Q345 side. In addition, the maximum lateral shrinkage of T2-Y/Q345 is at the middle part of the welding seam, which gradually decreases towards both ends. The numerical simulation results are basically agreed with the test results, which verifies the reliability of ANSYS finite element calculation.Key words: dissimilar materials；numerical simula-tion；temperature field；residual stress；transverse shrinkageIV TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION2020, Vol. 41, No. 4。
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焊接应力和变形的数值模拟研究
焊接应力和变形的数值模拟研究
摘要：焊接是一种重要的金属连接方式，在工程领域得到广泛应用。
然而，焊接过程中产生的应力和变形可能会导致焊接接头的质量不达标或功能失效。
为了实现高质量的焊接，数值模拟成为了研究焊接应力和变形的重要工具。
本文通过对焊接过程中应力和变形的数值模拟研究进行总结和分析，旨在深入探讨焊接过程中应力和变形的产生机制和影响因素，为实现高质量的焊接提供理论指导和工程应用建议。
1. 引言
焊接是一种通过热和压力将金属材料连接在一起的加工工艺。
焊接过程中，由于高温和热应力的作用，焊接接头容易产生应力和变形。
这些应力和变形可能会影响焊接接头的力学性能和寿命，甚至导致焊接接头的破裂。
因此，研究焊接应力和变形的产生机制和特性，对于确保焊接接头的质量和可靠性具有重要意义。
2. 焊接应力和变形的数值模拟方法
数值模拟是研究焊接应力和变形的有效手段之一。
常用的数值模拟方法包括有限元方法、有限差分法、边界元方法等。
其中，有限元方法是最常用的数值模拟方法之一，具有计算精度高、计算效率高等优点。
本文将主要以有限元方法为基础，进行焊接应力和变形的数值模拟研究。
3. 焊接应力和变形的产生机理
焊接过程中，应力和变形的产生主要是由于以下几个因素的综合作用：焊接热源的热输入、材料的热物理性质、焊接接头的几何形状等。
具体而言，焊接热源的热输入会引起焊接接头的
温度场分布的变化，从而导致焊接接头内部发生热膨胀或热收缩，产生应力和变形。
另外，焊接接头在冷却过程中也会发生冷却收缩，进一步增加焊接接头的应力和变形。
4. 焊接应力和变形的影响因素
焊接应力和变形的程度和特性受多种因素的影响，包括焊接接头的几何形状、材料的物理性质、焊接过程的参数等。
焊接接头的几何形状对于焊接应力和变形的分布和大小具有重要影响。
一般来说，焊接接头的几何形状越复杂，焊接应力和变形的程度越大。
材料的物理性质也会影响焊接应力和变形的特性，包括热膨胀系数、热导率等。
此外，焊接过程的参数，如焊接速度、焊接温度、焊接压力等，也会对焊接应力和变形产生明显的影响。
5. 焊接应力和变形的优化控制方法
为了减小焊接应力和变形的程度，提高焊接接头的质量和可靠性，可以采取一些优化控制方法。
例如，可以通过调整焊接参数来控制焊接热输入，减小应力和变形的产生。
此外，也可以通过优化焊接接头的几何形状，改变下料方式等方式来减小焊接应力和变形的程度。
6. 结论
数值模拟是研究焊接应力和变形的重要手段，可以有效地揭示焊接应力和变形的产生机理和特性。
焊接应力和变形的程度和特性受多种因素的影响，包括焊接接头的几何形状、材料的物理性质、焊接过程的参数等。
为了减小焊接应力和变形的程度，提高焊接接头的质量和可靠性，可以采取优化控制方法。
通过深入研究焊接应力和变形，将为实现高质量的焊接提供理论指导和工程应用建议
综上所述，焊接应力和变形是焊接过程中不可忽视的重要问题。
数值模拟的方法可以有效地预测和分析焊接应力和变形的特性，为焊接接头的设计和优化提供理论依据。
研究发现，焊接接头的几何形状、材料的物理性质以及焊接过程的参数都对焊接应力和变形产生影响。
为了减小焊接应力和变形的程度，提高焊接接头的质量和可靠性，可以通过调整焊接参数、优化焊接接头的几何形状等方式进行优化控制。
未来的研究应更加深入地研究焊接应力和变形的机理，提出更有效的控制方法，以推动焊接技术的发展和应用。