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摘要：基于SMA490BW钢的材料属性，对两种典型拘束状态下的平板对接的焊接变形进行热弹塑性有限元分析。为验证分析的准确性，采用三维扫描对试板的焊后变形进行实测。结果表明，模拟结果与三维扫描实测值的吻合度较高，热弹塑性模拟计算的结果符合平板对接变形的基本规律，证明热弹塑性有限元法能够较为准确地预测焊接变形。
关键词：焊接变形;热弹塑性有限元;SYSWELD;三维扫描
中图分类号：TG404文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）11-0055-04
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.10
0 前言
焊接是一个急速的局部加热和冷却过程。在焊接过程中，焊缝及近缝区在电弧热的作用下温度急剧升高，近缝区的膨胀受到周围温度相对较低的金属约束而产生压缩塑性变形，并在随后的冷却过程中转变成焊接变形和残余应力，相关的材料属性包括材料的热膨胀系数、屈服强度、切变模量等[1-2]。随着计算机计算能力的提高及有限元等数值方法的应用，“数值试验”方法迅速发展[3]。焊接过程的模拟，一方面可以大大降低确定工艺参数所需的实验成本，缩短新产品生产试制周期;另一方面，可以深入理解焊接现象，为控制焊接变形提供参考。
1 焊接变形的计算及焊接变形的三维扫描测量原理
目前焊接变形的模拟方法主要有热弹塑性有限元法和固有应变法等[4-5]。基于复杂的焊接过程动态应力应变演变的热弹塑性模拟，是焊接数值模拟最重要、准确的方法之一。有限元热弹塑性法主要包括焊接传热分析和应力变形分析两个步骤。先通过焊接传热有限元分析得到焊接加热、冷却过程中每一时刻的温度场分布，再将上述温度数据输入热弹塑性有限元分析，进行焊接变形和应力的分析计算[4-5]。
三维空间扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要通过对物体空间外形进行扫描以获得物体表面的空间坐标。该方法能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术作为一种非接触测量方法，具有测量速度快、精度高的优点，并且测量结果能直接输入多种CAD软件中。
2 试验材料与方法
2.1 材料属性
通过标准室温和高温拉伸试验，测定SMA490BW的屈服强度、抗拉强度以及弹性模量、切变模量、泊松比等力学性能，结果如表1所示。采用NETZSCHSTA 449C同步热分析仪及TCT-416型导热系数测试仪测试材料的比热容、热扩散率、导热系数等热物理性能，结果如表2所示。
2.2 焊接试验
对接接头工艺试验如图1所示，单块试板的尺寸为350 mm×300 mm×12 mm，分别对试板进行单边及双边固定，采用脉冲MIG焊连接两块试板，填充材料为SMA490BW。具体焊接工艺参数如表3所示。
2.3 有限元模型及边界条件
采用SYSWELD的VISUAL-MESH模块建立如图2所示的两种对接接头的模型。为保证计算的准确性，近缝区采用六面体网格，网格尺寸设置为1 mm。母材区域的网格尺寸则设置为4 mm，焊缝区域和母材区域之间采取四面体网格均匀过渡，根据宏观金相试验测定每道焊缝的实际宽度及深度。
环境温度设置为30 ℃，试板与空气的自然对流换热系数设置为40 W/（m2·K）。试板底面的换热系数设置为30 W/（m2·K），用于模拟试板与垫板的接触传热，辐射传热系数设置为0.6（力学边界条件的设置如图2所示，对于单拘束试板，设置如图2a方框区域节点的位移为零;对双拘束试板，设置如图2b所示试板两边的方框节点的位移为零）。选用带生死单元的双椭球移动热源模型来模拟每道焊缝焊接时焊料生长及移动热输入，热输入效率取0.8。
3 试验结果
3.1 分析结果与讨论
对接接头焊接变形云图如图3所示，由图3a可知，單拘束的平板焊后横向收缩变形为1.05 mm、纵向收缩变形为0.21 mm，角变形0.93°;由图3b可知，双拘束的平板焊后横向收缩变形0.64 mm、纵向收缩变形为0.26 mm，角变形为0.79°。
3.2 焊接变形的三维扫描实测
焊接完成后对平板对接进行三维扫描，将扫描的三维坐标生成.stl模型文件，导入相关后处理软件中，逐一精确测量得到两种拘束下平板对接的焊接变形。对接接头焊接变形三维扫描结果如图4所示，由图4a可知，单拘束平板焊后横向收缩为0.73 mm、纵向收缩为0.33 mm，焊接角变形为0.77°。由图4b可知，双拘束状态下平板对接的横向收缩为0.65 mm、纵向收缩为0.47 mm，焊接角变形为0.63°。
3.3 实测数据和计算分析的对比
平板对接的焊接变形是横向收缩、角变形和纵向收缩共同作用的结果。三维扫描变形实测值与计算值的比较如图5所示，由图5可知，在两种拘束情况下，横向收缩与角变形均有较强相关性。横向收缩均大于纵向收缩，在相应方向上增加拘束可在一定程度上减小该方向的焊接变形。
比较两种拘束作用下的变形可知：由于拘束的存在，双拘束的平板对接变形总体上小于单拘束的平板变形。但由于拘束只作用于平板法向，其主要影响横向收缩和角变形，对纵向变形的影响较小。
4 结论
文中针对典型拘束状态的平板对接变形进行了热弹塑性有限元分析，考虑了典型的焊接参数，每一道焊缝的熔池尺寸、试板的几何尺寸、拘束状态等对焊接变形的影响。变形测试值与模拟值的对比表明，在准确的材料数据及热力边界条件下，热弹塑性有限元对变形的预测符合平板对接变形的基本规律，与实测结果偏差较小。该方法满足大部分工程应用的需要，对实际生产中焊接变形的预测、焊接顺序的优化、加放适当的焊接余量以及设置相应的反变形措施等具有重要意义。
参考文献：
[1] 奥凯尔勃洛姆 HO. 焊接应力与变形[M]. 北京：中国工业出版社，1958.
[2] 库兹米偌夫CA. 船体结构的焊接变形[M]. 北京：国防工业出版社，1978.
[3] 汪建华. 焊接变形和残余应力预测理论与计算—发展及应用前景[C]. 第三届计算机在焊接中的应用技术交流会，上海，2000.
[4] 薛忠明，曲文卿，柴鹏，等. 焊接变形预测技术研究进展[J]. 焊接学报，2003，24（3）：87-90.
[5] 汪建华. 焊接数值模拟技术及其应用[M]. 上海：上海交通大学出版社，2003.
关键词：焊接变形;热弹塑性有限元;SYSWELD;三维扫描
中图分类号：TG404文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）11-0055-04
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.10
0 前言
焊接是一个急速的局部加热和冷却过程。在焊接过程中，焊缝及近缝区在电弧热的作用下温度急剧升高，近缝区的膨胀受到周围温度相对较低的金属约束而产生压缩塑性变形，并在随后的冷却过程中转变成焊接变形和残余应力，相关的材料属性包括材料的热膨胀系数、屈服强度、切变模量等[1-2]。随着计算机计算能力的提高及有限元等数值方法的应用，“数值试验”方法迅速发展[3]。焊接过程的模拟，一方面可以大大降低确定工艺参数所需的实验成本，缩短新产品生产试制周期;另一方面，可以深入理解焊接现象，为控制焊接变形提供参考。
1 焊接变形的计算及焊接变形的三维扫描测量原理
目前焊接变形的模拟方法主要有热弹塑性有限元法和固有应变法等[4-5]。基于复杂的焊接过程动态应力应变演变的热弹塑性模拟，是焊接数值模拟最重要、准确的方法之一。有限元热弹塑性法主要包括焊接传热分析和应力变形分析两个步骤。先通过焊接传热有限元分析得到焊接加热、冷却过程中每一时刻的温度场分布，再将上述温度数据输入热弹塑性有限元分析，进行焊接变形和应力的分析计算[4-5]。
三维空间扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要通过对物体空间外形进行扫描以获得物体表面的空间坐标。该方法能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。三维扫描技术作为一种非接触测量方法，具有测量速度快、精度高的优点，并且测量结果能直接输入多种CAD软件中。
2 试验材料与方法
2.1 材料属性
通过标准室温和高温拉伸试验，测定SMA490BW的屈服强度、抗拉强度以及弹性模量、切变模量、泊松比等力学性能，结果如表1所示。采用NETZSCHSTA 449C同步热分析仪及TCT-416型导热系数测试仪测试材料的比热容、热扩散率、导热系数等热物理性能，结果如表2所示。
2.2 焊接试验
对接接头工艺试验如图1所示，单块试板的尺寸为350 mm×300 mm×12 mm，分别对试板进行单边及双边固定，采用脉冲MIG焊连接两块试板，填充材料为SMA490BW。具体焊接工艺参数如表3所示。
2.3 有限元模型及边界条件
采用SYSWELD的VISUAL-MESH模块建立如图2所示的两种对接接头的模型。为保证计算的准确性，近缝区采用六面体网格，网格尺寸设置为1 mm。母材区域的网格尺寸则设置为4 mm，焊缝区域和母材区域之间采取四面体网格均匀过渡，根据宏观金相试验测定每道焊缝的实际宽度及深度。
环境温度设置为30 ℃，试板与空气的自然对流换热系数设置为40 W/（m2·K）。试板底面的换热系数设置为30 W/（m2·K），用于模拟试板与垫板的接触传热，辐射传热系数设置为0.6（力学边界条件的设置如图2所示，对于单拘束试板，设置如图2a方框区域节点的位移为零;对双拘束试板，设置如图2b所示试板两边的方框节点的位移为零）。选用带生死单元的双椭球移动热源模型来模拟每道焊缝焊接时焊料生长及移动热输入，热输入效率取0.8。
3 试验结果
3.1 分析结果与讨论
对接接头焊接变形云图如图3所示，由图3a可知，單拘束的平板焊后横向收缩变形为1.05 mm、纵向收缩变形为0.21 mm，角变形0.93°;由图3b可知，双拘束的平板焊后横向收缩变形0.64 mm、纵向收缩变形为0.26 mm，角变形为0.79°。
3.2 焊接变形的三维扫描实测
焊接完成后对平板对接进行三维扫描，将扫描的三维坐标生成.stl模型文件，导入相关后处理软件中，逐一精确测量得到两种拘束下平板对接的焊接变形。对接接头焊接变形三维扫描结果如图4所示，由图4a可知，单拘束平板焊后横向收缩为0.73 mm、纵向收缩为0.33 mm，焊接角变形为0.77°。由图4b可知，双拘束状态下平板对接的横向收缩为0.65 mm、纵向收缩为0.47 mm，焊接角变形为0.63°。
3.3 实测数据和计算分析的对比
平板对接的焊接变形是横向收缩、角变形和纵向收缩共同作用的结果。三维扫描变形实测值与计算值的比较如图5所示，由图5可知，在两种拘束情况下，横向收缩与角变形均有较强相关性。横向收缩均大于纵向收缩，在相应方向上增加拘束可在一定程度上减小该方向的焊接变形。
比较两种拘束作用下的变形可知：由于拘束的存在，双拘束的平板对接变形总体上小于单拘束的平板变形。但由于拘束只作用于平板法向，其主要影响横向收缩和角变形，对纵向变形的影响较小。
4 结论
文中针对典型拘束状态的平板对接变形进行了热弹塑性有限元分析，考虑了典型的焊接参数，每一道焊缝的熔池尺寸、试板的几何尺寸、拘束状态等对焊接变形的影响。变形测试值与模拟值的对比表明，在准确的材料数据及热力边界条件下，热弹塑性有限元对变形的预测符合平板对接变形的基本规律，与实测结果偏差较小。该方法满足大部分工程应用的需要，对实际生产中焊接变形的预测、焊接顺序的优化、加放适当的焊接余量以及设置相应的反变形措施等具有重要意义。
参考文献：
[1] 奥凯尔勃洛姆 HO. 焊接应力与变形[M]. 北京：中国工业出版社，1958.
[2] 库兹米偌夫CA. 船体结构的焊接变形[M]. 北京：国防工业出版社，1978.
[3] 汪建华. 焊接变形和残余应力预测理论与计算—发展及应用前景[C]. 第三届计算机在焊接中的应用技术交流会，上海，2000.
[4] 薛忠明，曲文卿，柴鹏，等. 焊接变形预测技术研究进展[J]. 焊接学报，2003，24（3）：87-90.
[5] 汪建华. 焊接数值模拟技术及其应用[M]. 上海：上海交通大学出版社，2003.