薄板单面密集焊缝焊后弯曲变形分析

20世纪90年代以来，发达国家在军事制造和工业生产中，薄板钢材的使用情况日益剧增. 板厚的减薄能节约材料，减轻产品质量，但给焊接生产带来了不小的难题. 2 mm以下薄板焊接过程中，存在容易烧穿、变形大、焊缝成形不良等问题. 薄板刚度小，焊接过程中易产生弯曲变形，甚至失稳发生波浪变形，从而严重影响焊接结构的精度和质量，导致产品质量隐患. 薄板单面密集焊缝结构在薄板的单面密集分布着多条焊缝，其焊接变形具有复杂性、多元性. 多条焊缝的焊接顺序、焊接方向选择直接影响到薄板焊后形状，控制不当极易引起产品质量隐患. 合理的设计薄板焊接顺序方案，对于控制薄板焊接变形和薄板结构的安全应用非常重要.

1.试验方法

1.1 薄板单面密集焊缝结构

一种典型的薄板单面密集焊缝结构，其模型示意图如图1所示.

图1 模型示意图

薄板尺寸为260 mm×50 mm×2 mm的316 L不锈钢，在其单面两侧四个边沿对称密集分布着四条焊缝.

图1中所示的AB,BC,DE,EF为四条焊缝，焊缝位置离薄板长边的距离为6 mm，焊缝AB与焊缝BC，焊缝DE与焊缝EF之间存在一非焊区，距离为30 mm.

图1所示的结构，焊缝位于薄板的四周，焊接后，由于焊缝的纵向收缩和横向收缩均会引起薄板构件的挠曲变形，将会发生图2所示的船形变形.

图2 船形变形

1.2 弯曲变形的测量方法

测量装置由高度测量装置和支撑块组成，支撑块上包含简易固定装置，在板的AD，CE两侧分别选取固定位置，在测量时保证每次能将板固定在固定位置，保证测量的精确并使测量具有重复性，以两端为基准，测量薄板各点的高度，获得薄板的形状和弯曲变形值，假设测得的距端面距离为L处的高度为Hc,则ΔHl= Hc-Hz-h   式中:Hc实际测量高度;Hz支撑块高度;h板厚.

在板未发生弯曲变形时，板足够平整且无变形，理想情况下ΔHl值应为零. 发生弯曲变形后，ΔHl为负值表示钢板向下凹，ΔHl为正值表示钢板向上凸.

薄板单面密集结构焊后，为了描述薄板弯曲变形后的形状，分别选取位于薄板两侧AC,DF两条直线作为测量线. 每条测量线选取七个点作为测量点，分别位于距端部A或D的32,64,96,130,164,196,228 mm距离处. 测量时将焊缝朝上正向放置，则钢板应为下凹变形. 理想情况下，两端最高，ΔHl应均为负值，ΔHl的最小值应位于钢板中部.

2 数值模拟分析

2.1 模型的建立

网格的划分直接关系到计算的精度和效率，为了提高计算精度，针对薄板密集焊缝结构，在四条焊缝及其附近区域用较细的网格，远离焊缝区域用较稀疏的网格[3-5]，网格划分采用六面体单元，网格总数为27 644个，网格划分结果如图3所示.

图3 有限元网格

2.2 热源的选取

薄板焊接，热输入不大，焊接熔深浅，文中选择高斯面热源作为热源模型，模型的表达式为q(r)=q(0)exp(-cr2)式中:q(r)为半径r处的表面热流;q(0)为热源中心处热流量最大值;c为热源集中系数;r为距热源中心的距离.

2.3 模拟结果与分析

对薄板密集焊缝单面焊接进行了有限元分析，获得了两种焊接方案的焊后变形云图. 图4a,b所示分别为焊接方案一和焊接方案二的焊后变形云图. 为了直观地观察焊接变形情况，分别对变形结果进行了10倍、20倍和30倍放大.

薄板单面密集焊缝焊接后，受热面的纵向收缩引起薄板向受热面方向的翘曲变形[6]. 模拟结果显示，焊接方案一与焊接方案二变形趋势一致，在钢板中心，负向位移值最大，在薄板的两端部，正向位移值最大，薄板单面密集焊缝的焊后变形呈船形，与理论分析相似. 薄板单面焊后的弯曲变形包含焊缝的长度方向弯曲变形及宽度方向的弯曲变形，长度方向弯曲变形和宽度方向弯曲的中心均位于钢板中心. 因此在薄板四角位置，正向位移值最大.

图4 两种方案焊后变形云图

从图4a中可以看出，焊接方案一的正向最大位移值为0.081 1 mm，负向位移值最大为-0.300 4 mm. 从图4b中可以看出，焊接方案二的正向最大位移值为0.081 4 mm，负向位移值最大为-0.287 4 mm. 以最大正向位移值为零点，最大变形量为正向最大位移值和负向位移值绝对值之和. 焊接方案一的最大变形量为0.381 8 mm，焊接方案二的最大变形量为0.368 8 mm. 因此，从长度方向的弯曲变形来看，焊接方案二的最大变形量小于焊接方案一的最大变形量，焊接方案二优于焊接方案一.

3.1 试验方法

选取尺寸为260 mm×50 mm×2 mm的316 L不锈钢薄板. 为消除薄板本身质量的影响，尽量选择平整的不锈钢薄板，并对薄板进行校平和检测， 将不锈薄钢板清洗，烘干后. 按照实际焊接线在试验板上设置好4条焊接线的长度和位置. 利用法国NORMA电子束焊机进行焊接，焊接主要工艺参数如表1所示.

表1 焊接工艺参数

高压U/kV束流I/mA焊接速度v/(mm·min-1)6010900

待钢板焊后冷却至常温，沿着AC侧和DF侧每边测量7个位置的高度数据，获得不锈钢薄板焊后的弯曲变形值.

3.2 试验结果分析

按照焊接线在每块板上设置固定的焊接位置后，按照表1所述工艺参数对试板进行了两种方案的焊接，每组工艺包含3块试板，焊后试验样件如图5所示.

从试验样件焊后外观观察结果看，焊后弯曲肉眼看不明显，焊后测量ΔHl值，根据测得的数据，作ΔHl-位置图如图6所示.

图5 焊后试验样件

图6 焊后ΔHl-位置图

ΔHl的值主要由焊缝的纵向收缩引起，理论上在板弯曲的中心部位应最低. 从图6可以看出，六块试验板焊后均发生了明显的弯曲变形，薄板两端向上翘，中间向下凹，呈弓形，与理论分析相符，两种焊接方案的变形趋势大体一致. 同一块板的AC侧与DF侧两侧的变形量接近，因此单块薄板两侧的焊接先后顺序对两侧的弯曲变形影响较小. 从变形分布来看，采用焊接方案一的3块试验板，ΔHl的最大值接近于板的中心位置，弯曲变形较对称；采用焊接方案二的3块试验板，ΔHl的最大值偏向于板的A侧，D侧(先焊侧)，弯曲变形中心偏向板的先焊位置.

焊接方案一焊接的3块试板中，试验板2发生的弯曲变形最大，最大ΔHl值位置在164 mm处，为-0.547 mm，试验板3存在轻微的波浪变形. 焊接方案二焊接的3块试板中，试验板5弯曲变形最大，最大ΔHl值位置在96 mm处，为-0.391 mm，试验板4,试验板6存在轻微的波浪变形. 对比图6a与图6b可见采用焊接方案二的3块试验板相比于采用焊接方案一的3块试验板，焊接弯曲变形略小，焊接方案较优.

3.3 模拟结果与试验结果对比

利用模拟获得的数据，作位置-位移图，与两种方案试验结果得到的典型薄板弯曲变形形状图进行对比，结果如图7所示.

图7 试验结果与模拟结果对比

图7中所示的方案一试验结果为板2(DF侧)的形状，方案二模拟结果为板5(DF侧)的弯曲变形形状，从图可以看出，模拟得到的结果与试验结果的薄板变形均为弓形变形形状，且焊接方案一的弯曲变形要略大于焊接方案二的弯曲变形. 模拟结果与实际结果不同点在于,模拟获得的薄板密集焊缝结构的弯曲变形中心基本位于板的中心位置，而在实际焊接过程中，受板初始条件和焊接条件的影响，薄板焊接的弯曲变形中心并不位于板的中心位置.