肖翰林，姬书得，方喜风，王 新，高双胜 ，王玉晓

(1.沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136；2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术工程部，山东 青岛 266111)



航空宇航工程

搭接接头直线往返摆动焊温度及应力场的数值模拟

肖翰林1，姬书得1，方喜风2，王 新2，高双胜1，王玉晓1

(1.沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136；2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术工程部，山东 青岛 266111)

在焊接工程中采用直线往返摆动焊接，利用有限元软件SYSWELD进行了MIG焊接搭接接头的温度场与应力场的数值模拟。结果表明，温度场与应力场的分布规律都与直线往返摆动的运丝方式有关，在摆动焊接过程中，焊缝的部分区域被周期性的二次加热，一次加热区的温度峰值(875 ℃)要低于二次加热区域的温度峰值(967 ℃)，纵向残余应力在焊缝和热影响区主要表现为拉应力。纵向残余拉应力在焊缝区域呈周期性的波动，且后焊区域的值高于先焊区域。

直线往返摆动焊；搭接接头；温度场；残余应力场

为了使一次焊接获得较宽的焊缝，减少焊道次数，在实际焊接中常常使用摆动焊接，这种焊接工艺可以大幅缩短焊接时间，提高生产效率，因此，此工艺在实际焊接中应用广泛，并且逐渐趋于成熟。对于熔化焊接过程的数值模拟，国内外学者主要研究的工艺有两种：非摆动(直线运丝)[1]和“Z”字型摆动[2-8]。姬书得等人[2]利用串状热源模型对手工摆动焊接过程的温度及应力场进行了模拟。蹤雪梅等人[4]根据电弧摆动的方向和速度特点，建立了阶梯模型，并用它模拟摆动焊过程的温度场。李晋梅等人[5]利用有限元软件ANSYS，基于带状热源模拟了“Z”字型摆动焊接过程的温度场。但目前未见到关于模拟直线往返摆动工艺的相关报导。

本文利用焊接专业有限元软件SYSWELD，以实际焊接中使用的直线往返摆动焊接方式为例，对MIG焊接搭接接头过程的温度场和残余应力场进行了数值模拟，并对模拟结果进行了详细的分析，为实际焊接过程中运丝方式的选择提供了理论依据。

1 MIG焊的有限元模型

1.1 模型材料及网格划分

焊丝采用SAF-ER5356，板件材料为A7N01-T4铝合金，接头形式为搭接接头，上下两板尺寸相同，均为500mm×150mm×12mm，上板开有55°的坡口。同时，模拟用的两种材料在不同温度下的热物理性能参数(如密度、热导率和比热容)和力学性能参数(如屈服强度、泊松比、弹性模量和线膨胀系数)见文献[9]。根据SYSWELD材料库的结构形式，把相应的材料参数输入到材料库文件中，建立了焊丝SAF-ER5356和A7N01-T4铝合金的材料库文件，用SYSWELD软件读取此文件便可进行计算。

搭接接头的三维实体模型使用CATIA建立，再用Hypermesh对其进行网格划分，生成SYSWELD可识别的网格文件.ASC。在划分网格过程中，网格划分得越细，计算的精度越高，同时消耗的计算时间也越长。如果网格划分得过于粗大，虽然可以缩短计算时间，但是会影响到计算结果的精度。由于焊缝及其附近区域的温度梯度较大，而远离焊缝区域的温度梯度较小，为了平衡计算效率和计算精度之间的矛盾，在焊缝及其附近区域将网格细分，而远离焊缝的区域网格划分得比较粗大。划分的网格如图1所示。

1.2 热源模型及焊接工艺参数

SYSWELD中提供了多种热源模型，其中双椭球热源模型的热流密度分布可以反映出沿深度方向焊接束流对焊接温度的影响，因此本文采用双椭球热源模型来描述MIG焊接过程的热输入[10-15]，其数学表达式如下所示。

前半部分椭球内的热源分布为：

图1 模拟用三维网格划分

x≥0

x<0

ff与fr为前后部分的能量分配参数，其值分别为1.6和0.4。af,ar,b与c为高斯参数，af是前半部椭球的长度，ar是后半部椭球的长度，b为熔宽的1/2，c为熔深。基于试验结果，热源模型中的熔宽、熔深与热效率分别是10 mm、4 mm与0.7。如图1(b)所示的焊缝是由两层两道组成的；第一层为非摆动(直线运丝)焊接；第二层为直线往返摆动焊接，其焊接过程中各层的电流与电压见表1。本文主要分析第二道的摆动焊接，摆动方式如图2。

表1 搭接接头MIG焊的焊接工艺参数

1.3 其它条件

在模拟过程中，板件散热的边界条件主要考虑其自由表面与空气的对流散热和辐射散热，设置暴露在空气中的总散热系数为25 W/m2℃。

图2 直线往返摆动焊接示意图

第一道与第二道的引弧与收弧处到下板两端的距离均是10 mm；当第一道焊接完成模拟结果中的收弧处的温度降到70℃时，才开始进行第二道的焊接模拟；第二道的摆动焊接工艺是采用的进10 mm退4 mm。

2 结果分析与讨论

2.1 温度场模拟结果

焊件上的温度分布反映了复杂的焊接热过程，它是影响焊接质量的主要因素。温度在焊件上的不均匀分布，引起热应变的不均匀，最终直接导致焊后焊件上出现残余应力。图3给出的是直线往返摆动工艺下焊接搭接接头第二层焊缝的温度场云图。通过分析可以看出，距离焊缝越远，材料所经历的温度峰值越低，这是由于热源作用在焊缝区，远离焊缝区材料的温度是由熔池区的热传导引起的。由于接头的第二层焊缝是采用直线往返摆动工艺焊接，焊接速度小，坡口处的部分点被重复加热，这一现象被称为二次加热。摆动在第二层焊缝上是周期性的，全段都相继按照摆动长度出现二次加热，导致温度升高。一次加热区的温度峰值为875 ℃(图3(a)与图3(b))，二次加热区的温度峰值会更高，达到967 ℃(图3(c)与3(d))。综上，摆动工艺会使焊接的温度峰值在一定范围内上下波动，导致温度场的周期性变化。

图4是图1(a)与图1(b)中所示的A、B、C三点的温度循环曲线，三点均位于下板件，距离焊趾2 mm；点A和点C距离下板件两端的距离均是20 mm，点B位于线段AC的中点处。焊接过程中热源依次经过A、B、C三点。由于搭接接头的焊缝是由两层焊道组成的，第一道焊接结束，等到收弧处的温度冷却到70 ℃时，才开始第二道的焊接，因此，试板上点A、B与C都经历了两个加热和冷却过程(见图4)。

当焊接开始时整个板件的温度相对较低，在起弧处，热源作用于板件时大量的热量会向周围扩散，导致熔池处的热量变小，温度峰值较低，甚至会导致起弧处不能完全熔化。随着焊接过程的进行，板件的温度逐渐升高，热源作用在温度较高的板件上时，向周围扩散的热量较少，因此导致了焊接过程熔池区的温度峰值逐渐升高。收弧处，由于焊接热输入效率未改变，但散热面积减少，导致更多的热量集中于熔池区，造成收弧处的温度峰值急剧上升。在焊接过程中，熔池区的热量将向四周传递，使邻近区域温度升高。因此，高的熔池区温度会使邻近区域的材料也经历较高的温度。上述就是点A、B、C三点的温度峰值依次逐渐升高的原因(见图4)。由于采用了直线往返摆动焊接工艺，在焊接第二道时部分区域(如图4中的C点的温度循环曲线)将在短时间内出现两个温度峰值，在“Z”字形摆动的温度场模拟结果中也出现了类似的情况[3]。

图3 摆动工艺下焊接时的温度场云图

图4 点A、B与C的温度循环曲线

2.2 应力场模拟结果

图5是直线往返摆动工艺下搭接接头的纵向残余应力场云图，图6是焊缝表面上各点的纵向残余应力分布规律。通过分析可以得出，纵向残余拉应力主要集中在焊缝区和热影响区，这与“Z”字形摆动的表面纵向残余应力模拟结果相似[6]；随着到焊缝距离的增加，残余拉应力逐渐转变为残余压应力，最后应力值逐渐趋近于0。同时，由于温度场的不均匀造成了焊缝的前后两端为残余压应力，中间为残余拉应力，残余拉应力和压应力在整个焊缝上趋近于平衡(图5)。由于焊缝区域的材料经历了较大的温度变化梯度，先被加热到熔化状态后再冷却，在室温时焊缝存在残余压缩塑性应变，因此，焊缝区域有高的纵向残余拉应力。热影响区的部分温度峰值高于金属材料的液相线，使原子的扩散能力变强，晶界迁移力大于阻力，因此晶粒获得了很大的能量发生聚集和长大，这就导致了热影响区发生再结晶现象生成大晶粒，长大的晶粒消除了焊缝区的部分拉应力，导致焊缝区的残余拉应力低于热影响区。

在摆动工艺下，焊缝区域所经历的温度峰值在一定范围内呈周期性变化。一次加热区的温度峰值低于二次加热区，温度峰值的不同会导致焊后的残余应力值不同，因此，焊缝不同区域的残余应力峰值呈周期性波动，如图6所示。同时，随着焊接过程的进行，熔池区的温度峰值逐渐升高，导致焊缝处的纵向残余拉应力值亦呈现逐渐上升的趋势，即后焊区域的残余拉应力高于先焊区域(图6)。而“Z”字形摆动的沿焊缝方向的纵向残余应力值在焊缝中部基本一致[2]，不存在波动和逐渐上升的现象。焊工根据焊接接头形式、装配间隙和焊条直径等因素合理的选择不同的摆动方式，直线往返摆动与“Z”字形摆动都有各自的优点和适用情况，因此这两种摆动方式在实际焊接中都被广泛应用。

图5 搭接接头的纵向残余应力场云图

图6 沿焊缝方向的纵向残余应力分布

3 结论

采用有限元软件SYSWELD对直线往返摆动焊接过程进行了数值模拟，得到以下结论：

(1)由于采用直线往返摆动工艺，焊缝的部分区域经历了周期性的二次加热，一次加热区的温度峰值为875℃，二次加热区的温度峰值为967℃；对于高热传导率的铝合金来说，焊接温度峰值随着焊接过程的进行而逐渐升高。

(2)焊件的纵向残余拉应力主要集中在焊缝区和热影响区；焊缝区的纵向残余拉应力分布呈现周期性波动，这是由于温度场呈周期性变化；焊缝后焊区域的纵向残余拉应力值高于先焊区域。

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(责任编辑：吴萍 英文审校：刘敬钰)

Numerical simulation of temperature and stress field of lap joint during the LRSW process

XIAO Han-lin1,JI Shu-de1,FANG Xi-feng2,WANG Xin2,GAO Shuang-sheng1,WANG Yu-xiao1

(1.Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China;2.Technical Engineering Department,CSR Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co.,Ltd.,Qingdao 266111,China)

Linear reciprocating swing welding (LRSW),which has been widely used in the welding process,is simulated by the temperature field and stress field of MIG welded lap joint with the finite element software SYSWELD.The results of numerical simulation show that the distribution of temperature field and stress field is related to the wire-feeding mode of LRSW.The twice heating zones periodically appear along the weld in the process of LRSW and the peak temperature of once heating zone (875 ℃) is lower than that of twice heating zone (967 ℃).The tensile longitudinal residual stress mainly turns up in the weld and heating affected zone,while the value along the weld fluctuates periodically.The residual stress of rear welding region is higher than that of prior welding region.

linear reciprocating swing welding;Lap joint;temperature field;residual stress field

2015-01-06

国家自然科学基金(项目编号：51204111)；航空科学基金(项目编号：2013ZE54021，2014ZE54021)

肖翰林(1990-)，男，吉林白山人，硕士研究生,主要研究方向：焊接过程有限元仿真;E-mail: faithxhl@126.com；姬书得，男，河北沧州人，副教授，主要研究方向：焊接工艺及机理;E-mail:superjsd@163.com。

2095-1248(2015)04-0001-05

TG453

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.04.001