某企业需要通过焊接方式大批量生产薄壁T型管，目前设想通过大幅提高焊接速度来提高生产效率，但是实践中因焊接速度过大，工件上获得的热量不足，造成未焊透等缺陷时有发生^[1]，造成安全隐患。

当前国内外对焊接残余应力数值模拟都有了一定水平的研究^[2-3]，但大都针对于平板和T型板焊接的模拟，对薄壁T型管焊接的研究还比较少。本文以薄壁T型接头为研究对象，对该零件的焊接工艺展开研究，利用有限元软件对不同焊接速度的温度场、应力场、残余应力、变形进行数值模拟。在保证焊接质量的条件下，以较小残余应力和较小变形为约束，以期找到最优的焊接速度。

1有限元模型的建立

1.1几何模型和网格划分

利用三维建模软件SolidWorks建立T型接头的几何模型，其主管尺寸为：60×40×400mm，支管尺寸为：60×50×200mm，二者壁厚均为1mm。

采用Hypermesh软件对模型进行网格划分，由于焊接是个加热极不均匀的过程，焊缝及附近温度梯度高，为得到较为精确的

计算结果，在焊缝区域采用了较密的网格，远离焊缝的区域采用相对稀疏的网格，这样既保证计算精度又减少了计算时间^[4]。所有单元均为八节点六面体单元，模型中节点总数为42553，单元总数为22516。有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

Fig.1 Finite element model

1.2 材料选择

由于企业实际材料为316L不锈钢，因此本文也选用316L不锈钢。材料的热物理性能参数随着温度的变化很大，因此，要精确的计算出焊接温度场和应力场，就要考虑材料性能参数随温度变化的特性^[5]。316L不锈钢的物理性能和力学性能参数随温度变化情况见图2。高温下的材料性能通过插值法获得^[6]。为了简化计算，设定焊缝单元与母材具有相同的物理性能参数。

图2 材料物理性能参数

Fig.2 Material physical properties parameters

1.3 热源模型

目前，仿真分析用的焊接热源模型较多，其中的双椭球热源模型^[7]，其能够获得深宽比较大的熔池，不仅考虑焊件表面热传导，也考虑了焊件纵向和厚度方向的热传导。双椭球能量密度分布的热源模式与手工电弧焊、钨极氩弧焊（TIG）、熔化极气体保护焊等焊接方法的实际热源模型较符合^[8]。本文采用钨极氩弧焊（TIG），因此选择双椭球热源模型。双椭球热源模型数学表达式为:

前半部分椭球内热源分布为：

(x,y,z)=exp(---)（1）

后半部分椭球内热源分布为：

(x,y,z)=exp(---)（2）

式中：、、b、c 为双椭球热源模型形状参数；、是前、后半双椭球体内热输入的比例；其中+=2。Q为瞬时输送给焊件的热总量，有Q=ηUI。η^[9]为焊接热效率，本文取为0.7。U和I 分别为电弧电压和焊接电流。

1.4 焊接工艺及方案

目前，企业生产采用钨极氩弧焊（TIG），焊接方法为自动焊接。电弧电压为13V，焊接电流为80A，热效率为0.7，环境温度为20℃。本文采用的主要仿真参数与企业生产用的焊接参数基本一致。

由于焊接件与环境之间存在热传导、对流和辐射，所以设置焊接件与底板的热传导系数为=1000W/(m²·K)，对流换热系数为h=20W/(m²·K)，辐射系数为=0.6。在焊接过程中，为避免焊件发生刚性位移，对主管两端进行约束，支管的四个拐角处进行点焊固定。焊接轨迹及路径如图3所示。其中AB路径为焊缝处到主管一侧端点的距离，CD路径为焊缝处到支管顶端的距离，焊接从较长的一段开始，A点距焊接起始点30mm。

图3 路径示意图

Fig.3 Path diagram

2焊接过程的仿真

2.1 焊接速度对熔池的影响

本文选择了7mm/s、7.5mm/s、8mm/s、8.5mm/s、9mm/s、9.5mm/s、10mm/s的焊接速度来进行仿真分析，图4所示为图3中的A点熔池截面图。

图4熔池截面图

Fig.4 molten pool section

    图4中红色区域为超过金属熔点的区域，可以看出，当焊接速度过小时，输入到焊件内的线能量大，温度过高焊件容易烧穿。当焊接速度小于7mm/s时，这一现象将会出现。随着焊接速度的增加，工件与电弧之间作用时间变短，热输入量减小，导致熔宽变窄，熔深变小。当焊接速度过大时，输入的线能量不足，易造成未焊透和气孔等缺陷，导致强度降低，当焊接速度超过10mm/s时，这一现象将会出现。基于上述研究，本文将焊接速度控制在7.5mm/s和9.5mm/s之间。

为了能较为清楚的观察焊接过程中焊缝位置温度的动态变化过程，提取焊缝处的位置节点A，绘制热循环曲线，其中A点位于距离焊接起始点30mm处，取点如图3所示。

图5为焊接速度分别为7.5mm/s、8mm/s、8.5mm/s、9mm/s、9.5mm/s时A点的热循环曲线。由图可知，随着热源的移动，节点A的温度迅速上升，达到峰值点后，然后缓慢下降直至冷却至室温，最高温度超过母材熔点。通过对比曲线斜率发现，升温速度要明显大于降温速度。而随着焊接速度的增大，节点A的热循环曲线峰值温度降低，这是因为随着焊接速度的增大，焊接线能量逐步减小，单位时间内吸收热量减小。各焊接速度下的热循环曲线变化趋势相同，到达峰值温度的时间略有不同，峰值温度随速度的增大而减小。

图5 不同焊接速度时的A点热循环曲线

Fig.5 Thermal cycling curves at different welding speeds

在各不同焊接速度下，A点最高温度已超过熔点，可实现正常焊接。综合考虑图4与图5的分析结果，将焊接速度控制在7.5mm/s和9.5mm/s之间是合理可行的。

2.2焊接残余应力分析

下面仅以焊接速度为8.5mm/s的结果进行分析，如图6所示。由图可知,焊接残余应力的分布极不均匀，最大的焊后残余应力分布于焊缝及其附近区域,且焊缝四个圆角处的应力值要高于其他区域，应力值从焊缝处向远离焊缝的区域逐渐递减。主管的应力分布区域大于支管，这是由于为了限制焊件发生刚性位移，对主管处施加了约束，导致应力不能自由释放。

图6 8.5mm/s时的应力分布云图

Fig.6 Stress distribution cloud at 8.5mm/s

为了清楚反应焊后残余应力场的分布规律，在焊件上选择二条路径，观察不同路

径上应力分布情况。路径选取如图3所示。图7为五种速度下沿AB路径不同节点的残余应力分布曲线，可以看出不同的焊接速度对应的焊后残余应力的变化趋势相同。残余应力在焊根处和焊缝附近的应力值较大，随距离的增加而递减，并最终趋向于零。对比不同焊接速度曲线发现，焊接速度为7.5mm/s和8.5mm/s时的应力值要小于其余三种的。

图7 沿主管AB线残余应力分布曲线

Fig.7 Distribution curve of residual stress along the AB line

图8为五种速度下沿CD路径不同节点的残余应力分布曲线。残余应力随距离的增加而递减，并且在焊根处应力值较大。不同焊接速度下曲线分布几乎趋于一致，说明焊接速度对主管残余应力的影响大于支管。焊接残余应力对主管的影响范围约60mm，对支管的影响范围约40mm。

图8 沿支管CD线残余应力分布曲线

Fig.8 Distribution curve of residual stress along the CD line

表1为五种焊接速度下的残余应力值，由表可知，焊接速度为8mm/s时，焊后残余应力最大，为209.66Mpa，焊接速度为8.5mm/s时，焊后残余应力最小，为196.18MPa。因此，选择焊接速度为8.5mm/s时可取得较小的残余应力。

表1 不同焊接速度下残余应力

Tab.1 Residual stress at different welding speeds

2.3 焊接变形分析

图9为8.5mm/s时的焊件变形图，由图可知较大的变形出现在主管两端，这是由于焊接移动热源产生的高温使母材发生不均匀膨胀，并在冷却过程中不均匀收缩造成的，将变形放大20倍后发现，z向是变形最大的方向，且焊后变形为收缩变形。

图9 8.5mm/s时的变形云图

Fig.9 Deformation clouds at 8.5mm/s

    图10为五组焊接速度下的总变形。由图可知，变形量先减小后增大，8.5mm/s时变形量最小。

图10不同焊接速度的总变形

Fig.10 Total deformation of different welding speeds

3.试验验证

为了验证模拟结果的有效性，对T型接头进行焊接试验，焊接材料采用316L不锈钢，焊件尺寸与模拟尺寸保持一致。试验采用TIG焊，焊缝填充材料为直径1.2mm的ER316L焊丝，焊接工艺参数为电压13V,电流80A，焊接速度为8.5mm/s。

3.1 残余应力的验证

焊接残余应力的测量方法可分为无损检测法和有损检测法，有损检测法包括盲孔法、切槽法、环芯法等。其中盲孔法操作简单，应用广泛，基于现有实验条件，本文选用盲孔法测量残余应力。试验测量点的选取如图11所示。

图11 应力测试点示意图

Fig11 Schematic diagram of stress test points

焊接完成后，在主管一端进行钻孔，共6个测试点，每个测试点之间的距离为15mm。在小孔周边布置应变片，应变片通过感知局部的应力释放，获得应变变化，并将数值记录下来。残余应力的测试结果如表2所示。由表2可以看出数值模拟结果和试验结果较为吻合，验证了有限元方法的有效性。

表2 残余应力测试结果与模拟结果的比较

Tab2 Comparison of residual stress test results and simulation results

3.2 焊接变形的验证

由于最大变形出现在z方向上，所以取主管z向的变形量为测量值。表3为测量结果和模拟结果的比较。由表3可以看出，最大变形量出现在主管二端，且主管右端变形量大于左端，且实测变形结果与模拟结果吻合良好。

表3 焊接变形的模拟结果和试验结果比较

Tab3 Comparison of simulation results and test results of welding deformation

4结论

通过对薄壁T型接头焊接过程中熔池形状的仿真研究，发现当焊接速度低于7mm/s时，熔池过大容易烧穿焊件；当焊接速度大于10mm/s时，容易造成未焊透等缺陷；所以合理的焊接速度应控制在7.5mm/s和9.5mm/s之间。

通过熔池形态、焊后应力、焊后变形的数值模拟，发现焊接速度为8.5mm/s时，总体的焊接效果最好。

通过对焊件的试验检测，实测得到的残余应力与变形参数与本文仿真研究的结论基本符合。

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