焊接应力和变形的数值模拟研究

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。

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。

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。

郑　乔　助理研究员　１９９３年生　２０１９年毕业于重庆大学现从事焊接数值模拟　电话　２６６４１７９５Ｅ ｍａｉｌ　ｚｈｅｎｇｑｉａｏ＠ｂａｏｓｔｅｅｌ．ｃｏｍＱ９６０超高强钢多道焊接头残余应力的数值研究郑　乔（宝山钢铁股份有限公司中央研究院，上海　２０１９９９） 摘要：以Ｑ９６０超高强钢为研究对象，基于有限元软件，建立热—冶金—力学有限元模型，模拟焊接温度场和残余应力分布。

计算结果与接头截面熔池形貌和盲孔法测量的表面应力结果吻合良好，验证了有限元模型的准确性。

基于验证模型，讨论和分析了考虑固态相变对Ｑ９６０超高强钢多道重熔过程中表面及内部应力的分布特征。

结果表明：考虑固态相变时，Ｑ９６０超高强钢单道焊后，焊接接头以拉伸残余应力为主，峰值应力位于热影响区。

同时，固态相变效应能够显著降低焊缝中残余应力的大小，以及显著影响横向残余应力的分布。

此外，随着焊道数的增加，焊缝中心的横向残余应力呈“阶梯”趋势上升，且在热影响区位置出现局部压应力峰值。

关键词：Ｑ９６０超高强钢；数值模拟；固态相变；焊接残余应力中图分类号：ＴＧ４５７．１１　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００８－０７１６（２０２１）０５－００１８－０７ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－０７１６．２０２１．０５．００４ＮｕｍｅｒｉｃａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｉｎＱ９６０ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｍｕｌｔｉ ｐａｓｓｊｏｉｎｔｓＺＨＥＮＧＱｉａｏ（ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＢａｏｓｈａｎＩｒｏｎ＆ＳｔｅｅｌＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１９９９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓＱ９６０ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊｅｃｔ．Ｂａｓｅｄｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｔｈｅｒｍｏ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ（ＨＤ）ｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｗｅｌｄｉｎｇｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｓｉｎｇｌｅ ｐａｓｓ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｖａｌｕｅｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅａｓｕｒｅｄｖａｌｕｅ，ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅａｎｄｉｎｔｅｒｎａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＱ９６０ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｄｕｒｉｎｇｔｈｅｍｕｌｔｉ ｐａｓｓｒｅｍｅｌｔｉｎｇｏｆＱ９６０ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ＳＳＰＴ）ｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅＳＳＰＴ，ａｆｔｅｒｓｉｎｇｌｅｐａｓｓｗｅｌｄｉｎｇｏｆＱ９６０ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ，ｔｈｅｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｉｓｄｏｍｉｎａｔｅｄｂｙｔｅｎｓｉｌｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｐｅａｋｓｔｒｅｓｓｉｓｌｏｃａｔｅｄｉｎｔｈｅｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ（ＨＡＺ）．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆＳＳＰＴｃａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｉｎｔｈｅｗｅｌｄ，ａｎｄａｆｆｅｃｔｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｔｅｒａｌｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｗｅｌｄｐａｓｓｅｓ，ｔｈｅｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｉｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｔｈｅｗｅｌｄｓｈｏｗｅｄａ“ｓｔｅｐｐｅｄ”ｔｒｅｎｄ，ａｎｄａｌｏｃａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓｐｅａｋａｐｐｅａｒｅｄａｔｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＨＡＺ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｑ９６０ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｓｔｅｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅｐｈａｓｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｗｅｌｄｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ１　概述随着国家碳达峰、碳中和发展战略的提出，大型重载装备的轻量化设计要求越来越高，对其关键承载部件应用超高强钢制造可以有效减轻结构重量，进而显著降低设备的运行能耗，达到节能减排的目的［１］。

81工程研究Engineering research■ 石秋红 张勤 邓开豪 苏玲娇 潘荣Q235钢CO 2焊的SYSWELD 焊接过程数值模拟及分析摘要：本文通过对Q235钢的CO 2焊焊接过程的sysweld 数值模拟得出了在一定焊接参数时，Q235钢平板对接焊的焊接温度场变化；焊接变形情况及焊接 应力情况。

此种方法可为焊接结构生产工程实践提供基础技术数据。

关键词：Q235钢；CO 2焊；焊接变形；数值模拟引言：焊接变形是焊接结构生产过程中不可避免的问题，且焊接变形对焊接结构的质量会产生极大的影响。

随着焊接结构在工业生产中的应用越来越广泛，焊接结构的变形问题日益突出。

[1]传统的控制焊接变形措施是通过实践经验积累和工艺试验等方法，制订较为合理的设计措施与工艺措施。

但焊接结构的多样性，凭积累工艺实验数据了解和控制焊接变形，既不切实际又成本昂贵同时费时费力。

Sysweld 焊接过程模拟可使焊接专业人员利用基础理论对焊接过程中的物理或化学现象的本质进行分析，进而通过模拟和计算得到定量的结果。

[2]Sysweld 有限元分析软件应用于焊接数值模拟，通过参数量的变化，与实验分析对比等手段相结合进行分析，结果用于指导生产实践，可为推广焊接工艺优化设计提供技术支持，具有工程实践意义。

1焊接模型建立Q235钢由于含碳量适中，强度、塑性和焊接等工艺性等综合性能较好，被大量应用于建筑及工程结构中。

Q235钢可以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、车辆、桥梁、容器、船舶、锅炉等。

而CO 2焊也由于该焊接方法的高效节能和低成本在工业生产中得到了大量的应用。

焊接对接接头型式结构简单，操作方便，受力性能好，被广泛应用在焊接结构中。

由此确定具有典型代表性的有限元模型如下：材料为Q235A；尺寸为200mm×100mm×6mm；焊接方法为CO 2焊。

焊接工艺条件：装配间隙为零，构件两边自由状态。

焊接工艺参数：焊丝：H08Mn2SiA；焊丝直径为Φ1mm。

• 95•针对中厚板的多层多道混合气体保护焊在焊接过程中焊接顺序对焊接质量的影响，特别是焊接应力导致的焊接形变问题。

本文采用simufact.welding 焊接仿真软件对焊接过程进行数值模拟分析，对V 型焊缝进行建模仿真分析，得出不同焊接顺序对焊接形变的影响。

实验表明：顺序焊接比交叉焊接的最终焊接形变量更小，反向顺序最终焊接形变量略小于正向焊接形变量。

随着工业焊接自动化的发展，自动化焊接技术在制造业中发挥着越来越大的作用，但是由于焊接过程是一个受热不均匀的热循环过程，焊接过程中冷金属与热金属形变的不一致性导致焊接母材产生焊接应力，进而影响了焊接构件的最终焊接质量。

焊接结构破坏事故许多是由焊接应力和焊接变形所引起的。

其中，焊接形变和焊接裂纹是最普遍的现象。

本文以中厚板三层六道V 型焊缝为研究对象，运用simufact.welding 焊接仿真软件研究不同焊接顺序对焊接形变的影响，为实际中厚板多层多道焊接提供了指导意义。

1 焊接模型利用S o l i d w o r k s 进行焊接三维模型构建，包括了两块200mm ×200mm ×10mm 的Q235低碳钢板、六条焊道且钢板一侧打磨有45°角的坡口。

确定好装配关系后将焊接三维模型保存为parasolid 格式文件，再将该模型导入Hypermesh 软件进行网格划分，获得其有限元模型，生成bdf 格式文件后将其导入simufact.welding 几何模型之中进行仿真实验。

此外，在simufact.welding 软件中绘制焊接构件支撑平台，并且对焊接构件施加非完全约束，分别位于钢板的四个顶点用于模拟实际焊接过程中的固定夹具，每个夹具施加以200N 的力，方向垂直于钢板向下。

整体焊接有限元模型如图1所示，焊道有限元模型如图2所示。

2 simufact.welding环境参数配置2.1 热源模型选择常见的焊接热源模型有高斯热源模型、椭圆模型和双椭圆模型。

T型构件焊接温度场及变形的数值模拟摘要：以大型有限元软件ABAQUS为基础,进行二次开发,采用编程方法对T 形梁的焊接过程进行数值模拟,并将数值模拟结果与相关的理论值及试验值进行对比分析。

对比结果表明,数值试验结果与理论结果基本吻合,满足工程要求。

关键词：T型构件残余变形数值模拟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。

但焊接是一个涉及到电弧物理、冶金、力学和传热的复杂过程。

焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。

焊接过程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。

由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中将产生很大的动态应力，焊后将产生相当大的焊接残余应力和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲)。

焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力将影响构件的变形和焊接缺陷，而且在一定程度上还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。

因此，在设计和施工时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。

焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在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。

因此对焊接温度场和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。

传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。

但仅从实验角度研究焊接热应力、焊后残余应力和变形问题难度很大，没有前瞻性，不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响，也就无法客观评价焊接质量。

随着差分法、有限元法的不断完善，焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。

在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，但大量的试验增加了生产成本，耗费人力物力，尤其是军工、航天、潜艇、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中，任何尝试和失败都将造成重大经济损失，而数值模拟将发挥其独特的能力和优势。

Q345/316L 异种钢焊接残余应力与变形数值模拟黄本生1， 陈 权1， 杨 江1， 刘 阁2， 易宏雨1(1. 西南石油大学 材料科学与工程学院 成都　610500；2. 长江师范学院 机械与电气工程学院 重庆　408100)摘 要： 文中基于SYSWELD 有限元分析软件对Q345/316L 异种钢焊接过程的瞬态温度分布、残余应力及变形进行了数值模拟，并通过试验对其模拟结果进行了验证. 试验测量结果与数值模拟结果吻合良好，证明了利用SYSW -ELD 模拟异种钢焊接的可靠性. 结果表明，异种钢焊接温度场呈不对称分布，Q345侧的高温区域范围更大. 不论是横向残余应力还是纵向残余应力，沿焊缝方向均呈帽状分布且在焊缝中部位置存在最大残余应力；在垂直于焊缝中央截面上，纵向残余应力与横向残余应力在焊缝和焊缝附近区域分布是不连续的，存在较大的应力梯度且应力状态也较复杂，而最大残余应力出现在Q345侧的熔合线处. 不同的热输入下模拟结果表明，在保证焊接接头质量的前提下，最好采用小热输入的焊接工艺.关键词： 异种钢焊接；数值模拟；温度场；残余应力；焊接变形中图分类号：TG404 文献标识码：A doi ：10.12073/j .hjxb .20194000570 序 言随着现代科学技术的飞速发展，异种钢因其优良的综合性能和良好的成本控制被广泛应用于石油化工、锅炉核电等领域[1-3]. 由于焊接是一个涉及电弧物理、传热传质、冶金和力学的复杂过程，在焊接过程中焊缝附近受到热源不均匀的加热和冷却，造成工件不均匀的热膨胀、收缩，必然导致焊接构件的残余应力和变形. 整个构件的焊后残余应力和变形对结构的稳定性、装配精度及其静载强度、疲劳强度等具有非常重要的影响[4]. 同时，异种钢材料的焊接由于母材金属或母材与填充材料之间化学成分和性能的显著差异，导致其焊接性远远要差于同种金属材料的焊接，严重影响焊接接头的使用性能[5-6]. 因此，如何有效控制和预测异种钢焊接接头的焊后残余应力及变形是当下保证异种钢焊接接头质量和可靠性首要解决的问题. 此前，国内外焊接学者就异种钢焊接做了大量研究，但多数都只是针对异种钢焊接接头组织、性能及其元素迁移等方面的研究[7-10]，而对异种钢焊接过程中瞬态温度场、应力场及其焊后残余应力和变形的研究较少.近年来，随着计算机技术和计算方法的发展，数值模拟已成为继理论方法和试验方法之后第三种科学研究和工程分析方法. 尤其是利用数值模拟技术对焊接过程瞬态温度变化、应力场的分析，不但可有效节约人力、物力，还可以优化焊接结构设计和工艺参数，对焊接接头的质量和安全性提供保障. 蔡建鹏等人[4, 11-13]基于ABAQUS 软件及其开发的热弹塑性有限元方法对Q345/SUS304异种钢焊接接头温度场、残余应力和变形等问题进行了研究，并分析了不同坡口形式对接头焊后残余应力和变形的影响. Ranjbarnodeh 等人[14]利用ANSYS 软件分析了焊接电流和焊接顺序对CK4/AISI409异种钢板TIG 焊后残余应力分布的影响. 然而，目前在针对于Q345/316L 异种钢焊后残余应力和变形方面的研究甚少. 在基于课题组前期对Q345/316L 异种钢焊接接头组织、性能以及焊接工艺等方面的研究基础之上，利用SYSWELD 焊接模拟软件对板厚为4 mm 的Q345/316L 异种钢板焊接过程进行数值模拟，并分析了不同焊接热输入对其焊后残余应力和变形的影响，以期为通过改变热输入来控制接头焊接残余应力提供理论基础和参考.1 试验方法焊接试验均选用规格为200 mm×80 mm×4 mm 的Q345低合金钢和316L 不锈钢进行平板对接焊，收稿日期：2017 − 12 − 26基金项目：四川高等学校油气田材料重点实验室资助项目(X151516KCL01)；四川省教育厅重点项目(15ZA0057)第 40 卷 第 2 期2019 年 2 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol .40(2):138 − 144February 2019接头坡口形式为单面V 形坡口，坡口角度60°，薄板焊接无钝边和坡口间隙，施焊前对焊接坡口及焊缝两侧用丙酮进行清洗，采用手工钨极氩弧焊(G -TAW)方法水平固定施焊，焊接填充材料为直径2.5 mm 的ER316L 焊丝. 母材及焊丝的化学成分见表1，其主要焊接工艺参数为焊接电流14 A ，焊接电压160 V ，焊接速度12 cm/min . 此外，为了测定该异种钢板焊接前后的横向收缩量，分别预先在两块试板上表面各钻了3个直径2 mm 的小孔，其钻孔的示意图如图1所示.表 1 母材与焊丝的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of the base materials and welding wire材料C Si Mn S P Ni Cr Mo N Fe Q3450.180.271.500.0350.030————余量316L 0.017 30.4931.3770.002 20.031 210.1716.542.110.012 1余量ER316L0.030.791.10≤0.030≤0.04012.7917.192.63—余量30505020030160图 1 钻孔及测量位置(mm)Fig. 1 Position of drilling and measuring焊接过程中，利用Optris P20红外测温仪测量316L 不锈钢侧热影响区(HAZ)某点的温度变化曲线；焊接完成后，经砂轮打磨去掉焊缝两侧的飞溅、残渣，用游标卡尺测量试样表面每组钻孔的距离，通过对比焊前所测得值，即为焊接试样的横向收缩；再采用YC-Ⅲ型应力测量仪(盲孔法和环芯法测残余应力的专用仪器)测量Q345/316L 异种钢的焊后残余应力. 其中应力测量点位置如图2所示.Q345316L焊接方向1607010200图 2 残余应力测量点分布示意图(mm)Fig. 2 Schematic diagram of residual stress measurement2 有限元的计算分析方法试验通过SYSWELD 有限元分析软件对Q345/316L 异种钢板对接焊过程的温度场及应力场进行数值模拟分析，整个仿真过程以Visual_Environment 和SYSWELD 为主进行前后处理和模拟计算过程，模拟流程如图3所示.平板建模及网格划分Visual-Mesh 前处理设置Sysweld: Welding Advisor求解及后处理Sysweld , Visual-Viewer热源校核Sysweld: Welding Wizard分组焊接轨迹边界条件材料热源函数焊接路径装夹条件温度场应力应变组织演变图 3 基于SYSWELD 仿真流程示意图Fig. 3 Schematic diagram of simulation flow based on SYSWELD2.1 三维有限元模型建立根据实际焊接试板的尺寸建立了完全相同的有限元模型，在实施模拟试验之前着重考虑到焊接过程中焊缝附近存在较大的温度梯度，同时为了兼第 2 期黄本生，等：Q345/316L 异种钢焊接残余应力与变形数值模拟139顾模拟时间，焊缝及热影响区均采用较细的网格进行划分，而在距离焊缝较远处的母材网格划分则较为稀疏，具体模拟试验的网格划分如图4所示. 为了更贴合实际焊接试验，在有限元计算模型中其外部的边界条件仅建立了防止模型发生刚性移动的自由约束.xy O节点数：67 136单元数：84 552边界条件焊接方向z图 4 焊接接头的网格划分Fig. 4 Meshing of welding joint2.2 热学与力学条件在热分析过程中，考虑到了焊接温度场分析是典型的非线性热传导问题、熔池冷却结晶过程中产生的相变潜热以及材料的热物理性能等，同时根据牛顿定律和斯蒂芬–玻尔兹曼定律对焊接边界的对流和辐射换热进行了定义[15]. 热源方面，采用Gol -dak[16]提出的双椭球热源模型模拟焊接热输入的分布情况. 其中，Q345的熔点温度设为1 350 ℃，316L 的熔点温度设为1 400 ℃[17]. 在应力场分析时，将第一步获得的温度场数据作为热载荷施加在模型上进行应力和变形的计算分析，并考虑母材和填充金属的高温力学性能. 此外，根据文献[17-18]对母材和焊缝填充材料均设置了各向同性硬化模型.3 结果分析与讨论3.1 瞬态温度场分析图5是焊接过程中焊接时刻48 s 的温度场分布云图，从图5中可以看出，热源在焊缝中心的温度最高，达到2 878 ℃，焊缝熔池和模型的温度分布呈类似椭圆形状. 同时，在焊接热源前方的等温线分布密集，温度梯度较大，反之热源后方的等温线分布则较为稀疏，温度梯度小. 此外，关于焊缝中心线的温度场分布是不对称的，Q345侧的HAZ 略宽于316L 侧的HAZ ，且Q345高温范围也更宽，这主要是由于Q345碳钢的热导率高于316L 不锈钢，使得Q345侧比316L 侧的热扩散速率和冷却速率更快，导致Q345侧的高温范围更宽，HAZ 更大. 图6为316L 不锈钢侧HAZ 同一位置处模拟计算与实际测得的焊接热循环曲线. 由于试验中采用红外测温仪测定实际焊缝温度变化过程中，其最低测定的温度为385 ℃，所以试验选择从400 ℃开始测定.从图6中可以看出，无论是在升温还是冷却过程中，实测值温度值与模拟计算值均能很好的吻合，变化趋势基本一致；其中实测最高温度为960.8 ℃，模拟最高温度为984.4 ℃.316L N.23 933Q3453 141.463 132 933.365 722 725.268 072 517.170 652 309.073 002 100.975 341 892.877 811 684.780 401 476.682 861 268.585 331 060.487 67852.390 20644.292 66436.195 10228.097 5520.000 00x温度 T /℃y图 5 异种钢焊接接头温度云图Fig. 5 Temperature contour of the dissimilar steel joint204060801001201401601802001002003004005006007008009001 000温度 T /℃时间 t /s模拟值实际值图 6 实测温度曲线和模拟值的对比Fig. 6 A comparison of the thermal cycle curve betweensimulation and experiment3.2 残余应力分析图7、图8分别比较了异种钢焊接接头在如图2所示位置处由应变花所测得的纵向残余应力、横向残余应力和数值模拟计算值，从图中可知，实际测量的残余力与数值模拟结果基本吻合，证明了利用SYSWELD 软件有限元方法模拟该焊接过程的有140焊 接 学 报第 40 卷效性和可行性. 从图7a 和图7b 中模拟结果可知，在Q345侧内沿着焊缝方向的纵向残余应力呈一个驼峰形状分布，在靠近中央截面处的残余拉应力值最大达到384.4 MPa ，与母材常温屈服强度390 MPa 非常接近；而在316L 侧其纵向残余应力分布大致呈现帽状分布，在沿焊缝方向50 ~ 150 mm 基本表现为一个平均值特征，均值保持在320 MPa 左右，远远高于母材的常温屈服强度172.3 MPa ，这可能是考虑到加工硬化模型所以模拟值较高. 同时因为在焊接过程中，当焊接热源没达到焊缝中部时，该处母材基本不会受到纵向的应力，随着热源移动到此处，靠近焊缝处母材受热受到纵向上的压应力，而又随着热源的远离，材料冷却收缩受到两端给予的拉应力，因此在焊缝两侧的HAZ 经历了压应力–拉应力，并最终达到或超过材料的屈服强度[18]，所以两侧纵向残余应力总是在焊缝中部出现最大值，根据图7c 所示，在垂直于焊缝方向上的纵向残余应力分布则较为复杂，尤其是在焊缝和靠近Q345侧焊缝熔合线处，从图7c 可知，靠近Q345侧的焊缝熔合线处存在非常大的应力梯度，残余应力峰值在该处达到540 MPa ，这主要是由于异种材料在物理性能上显著的差异造成的；由于Q345的热膨胀系数小于316L ，导致在焊接加热和冷却过程中两种材料的收缩不同，进而在冷却后产生较大的残余应力，此外，不同的热导率和不均匀的温度场在冷却时也会产生较大的热应力[4, 19].50100150200−1000100200300400500残余应力 σx /M P a距离 D /mm模拟值实测值501001502000100200300400残余应力 σx /M P a距离 D /mm模拟值实测值020406080100120140160−200020*******残余应力 σx /M P a距离 D /mm模拟值实测值(a) Q345 侧沿焊接方向的纵向残余应力(b) 316L 侧沿焊接方向的纵向残余应力(c) 沿垂直焊接方向的纵向残余应力图 7 纵向残余应力实测值与模拟值的对比Fig. 7 A comparison of the longitudinal residual stress between simulation and experiment50100150200−300−200−1000100200300残余应力 σy /M P a距离 D /mm模拟值实测值(a) Q345 侧沿焊接方向的横向残余应力050100150200−200−300−1000100200300残余应力 σy /M P a距离 D /mm模拟值实测值(b) 316L 侧沿焊接方向的横向残余应力020406080100120140160−50050100150200250300残余应力 σy /M P a距离 D /mm模拟值实测值(c) 沿垂直焊接方向的横向残余应力图 8 横向残余应力实测值与模拟值的对比Fig. 8 A comparison of the transverse residual stress between simulation and experiment图8是与图7相同位置处的横向残余应力曲线分布，从图8a 、图8b 可知，Q345侧和316L 侧沿焊缝方向的横向残余应力变化趋势基本一致，均呈帽状分布，都是在焊缝中部位置出现最大的拉伸残余应力，分别为174.6和116.4 MPa ，均小于其母材在常温的屈服强度，也远远小于在同一位置的纵向残余应力. 同时，观察发现在焊接开始端和结束端两处，无论是横向残余应力还是纵向残余应力均出现了一定程度的不均匀分布，变化梯度较大，这可能是由于在焊接开始和结束时电弧的起弧和收弧不稳定造成这两个部位的热输入变化，从而导致残余应力的变化. 从图8c 可知，在垂直于焊缝方向的中部位置横向残余应力基本上表现为拉应力特征，同样是在焊缝位置和两侧熔合线处的应力变化最为复杂，在Q345侧熔合线处出现最大的拉伸残余应力为256 MPa ，而在邻近的焊缝中心位置则出现第 2 期黄本生，等：Q345/316L 异种钢焊接残余应力与变形数值模拟141最小的残余应力为0.2 MPa ，应力梯度较大，如前分析所示，造成这种大的应力梯度主要和两种材料之间热物理性能较大差异有关，且这应该也是异种钢焊接残余应力分布的一个特点. 此外，结合图8a ，b 的纵向残余应力可知，Q345侧的残余应力较316L 侧更高，这主要与母材的屈服强度有关，文献[4, 19]指出，材料的屈服强度和热膨胀系数对焊后变形和残余应力有显著影响，即T =R eL /αE(1)α316L ≈2.5αQ345式中：T 是屈服温度；R eL 屈服强度；α是热膨胀系数；E 是弹性模量. 在Q345和316L 弹性模量差异不大时，材料的屈服强度越大，热膨胀系数越小屈服温度越高，这样在焊后就越容易产生残余应力.3.3 横向收缩和变形利用游标卡尺对实际异种钢焊接后进行横向收缩的测量，经由试验测量的横向收缩数据与数值模拟计算结果见表2. 对比表中数据可知，横向收缩实测值和模拟值吻合良好，且随着沿焊缝距离的增加，焊缝的横向收缩逐渐增大，这主要是由于在整个焊接过程中先焊接部位产生的横向收缩对后续焊接的焊缝会造成一个挤压作用，从而使后焊部位的横向收缩增加. 图9为Q345/316L 异种钢焊接接头沿板厚方向的整体变形模拟结果，从图9中可知，整个焊接接头在焊后发生了明显的变形，最大变形量约为1.09 mm . 就该异种钢焊接接头整体而言，其变形关于焊缝大体上呈对称分布，但对比来看，Q345侧的变形情况较316L 的变形略微大一点.3.4 热输入对残余应力和变形的影响Q =ηUI /v 对比了不同热输入条件下在垂直于焊缝的中央横截面方向上的横向残余应力和纵向残余应力分布状态，模拟计算所采用的热输入分别为0.8Q ,Q 和1.2Q ，其中根据试验参数计算而来，η取0.8. 其比较结果如图10所示. 从图10a 可知，随着焊接热输入的增大，沿垂直于焊缝方向的纵向残余应力分布略微有所增加，但并不明显，其在Q345侧靠近焊缝熔合线处的最大拉伸残余应力也基本没有变化，这可能是因为接头最大的拉伸残余应力与材料屈服强度有关，受热输入的影响较小[20].但是，观察发现在靠近Q345侧焊缝的一个微小区域内纵向残余应力是随着热输入增大而增加的，这可能是与焊接过程中变形引起的应力释放有关. 图10b 是垂直于焊缝方向上横向残余应力随热输入变化的对比结果，从图中可以看到，当热输入从0.8Q 增40206080100120140160−200−1000100200300400500600残余应力 σx /M P a距离 D/mm 0.8Q Q 1.2Q(a) 纵向残余应力4020608010012014016004080120160200240280残余应力 σy /M P a距离 D /mm0.8Q Q 1.2Q(b) 横向残余应力图 10 不同热输入条件下异种钢焊接接头的残余应力Fig. 10 Residual stress across the dissimilar steelwelded joint with different heat inputN.37 1040.181 980.097 200.012 41−0.072 38−0.157 17−0.241 95−0.326 74−0.411 53−0.496 32−0.581 11−0.665 89−0.750 68−0.835 47−0.920 26−1.005 04−1.089 83x变形 Δs /m my图 9 异种钢接头焊接变形模拟结果Fig. 9 Simulation results of welding deformation ofdissimilar steel joint表 2 横向收缩实测值与模拟值对比(mm)Table 2 Comparison of transverse shrinkage betweenmeasure and simulation沿焊缝方向的距离d /mm实测值模拟值500.7340.793 81501.1401.074 991001.0220.993 5142焊 接 学 报第 40 卷大到1.2Q ，整个中央截面上的横向残余应力分布均没有发生明显的变化，仅仅在焊缝两侧随着热输入的增大横向残余应力有轻微增加.图11比较了不同热输入情况下模型沿板厚方向的整体变形，从图11中可知，焊接热输入对Q345/316L 异种钢焊接接头的变形有一定的影响，但不同热输入情况下模型的变形趋势是一致的；随着热输入从0.8Q 增大至1.2Q ，整个焊件模型的最大变形量由1.077 mm 变为1.119 mm . 这主要是由于焊接热输入的增加，焊接时加热的高温区域范围越大，造成焊缝区和HAZ 冷却速率的降低，整个焊缝附近的塑性变形区增大，从而导致接头的总体变形量增加. 另一方面，随着焊接热输入的增大，熔池变大，熔敷金属填充量增多，在冷却收缩过程中对焊缝附近区域产生的拉伸塑性变形就越大，所以引起的焊接变形也越大. 因此，综合焊接残余应力和变形结果来看，实际焊接应用时，在确保整个异种钢焊接接头质量的前提下应尽可能采用较小的热输入，以控制接头的焊接残余应力和变形.4 结 论(1) 文中通过焊接试验和SYSWELD 有限元仿真对Q345/316L 异种钢焊接过程瞬态温度分布、残余应力和变形进行了分析. 结果表明，在焊接热循环、残余应力分布以及焊后变形情况，实际测量结果与数值模拟结果均能很好的吻合，验证了利用SYSWELD 有限元分析异种钢焊接有效性和可靠性.(2) 瞬态温度分布结果表明，异种钢焊接过程中由于材料热物理性能的差异，导致其瞬态温度场关于焊缝中心呈不对称分布，Q345碳钢侧高温范围较316L 不锈钢侧大，HAZ 也相对较宽.(3) 不论是纵向残余应力还是横向残余应力，在Q345侧和316L 侧沿焊缝方向上均呈现帽状分布趋势，最大拉伸残余应力也都出现焊缝中部位置；在垂直于焊缝的中央截面上，纵向残余应力和横向残余应力在焊缝和焊缝附近区域的分布明显不连续，存在较大的应力梯度，应力状态也极为复杂，最大的残余应力出现在Q345侧靠近焊缝的熔合线处.(4) 不同热输入条件下的模拟结果表明，随着焊接热输入的增加，异种钢接头焊后残余应力和变形都有所增加，因此在确保接头质量的前提下可采用小热输入焊接工艺.参考文献：Song Y M, Chen G H, Wang J Q, et al . 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The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2013,[2](b) 热输入为 Q(c) 热输入为 1.2Q(a) 热输入为 0.8QN.37 104N.37 866N.37 3580.026 00−0.047 55−0.121 10−0.194 65−0.268 20−0.341 75−0.415 30−0.488 85−0.562 40−0.635 94−0.709 49−0.783 04−0.856 59−0.930 14−1.003 69−1.077 24x变形 Δs /m mx0.181 980.097 200.012 41−0.072 38−0.157 17−0.241 95−0.326 74−0.411 53−0.496 32−0.581 11−0.665 89−0.750 68−0.835 47−0.920 26−1.005 04−1.089 83变形 Δs /mmx0.090 600.009 97−0.070 65−0.151 27−0.231 90−0.312 52−0.393 15−0.473 77−0.554 40−0.635 02−0.715 65−0.796 27−0.876 89−0.957 52−1.038 14−1.118 77变形 Δs /m myyy图 11 不同热输入条件下接头的整体变形结果Fig. 11 Integral deformation of dissimilar joint withdifferent heat input第 2 期黄本生，等：Q345/316L 异种钢焊接残余应力与变形数值模拟14323(2): 396 − 402.Wu W Y, Hu S S, Shen J Q. Microstructure, mechanical proper-ties and corrosion behavior of laser welded dissimilar joints between ferritic stainless steel and carbon steel[J]. Materials and Design, 2015, 65: 855 − 861.[3]蔡建鹏, 何　静, 张彦杰, 等. 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Yangzhou Dongsheng Automotive Co., Ltd., Yangzhou 211400, China). pp 133-137Abstract: Laser-MIG hybrid welding (LMHW), which combines the advantages of both laser and arc independent heat sources as well as greatly avoids their disadvantages, is a new welding method with great application prospects in the fields of automobiles, ships, petrochemicals, etc. The differences in microstructure and hardness distribution of the dissimilar steel welded joints of 25CrMo4 and 33MnCrB5-2 by LMHW and MIG welding were investigated. The results show that the effect of LMHW was better than that of MIG welding, performing an uniform and full weld seam. LMHW joints exhibited higher overall hardness, finer microsfructure in welding joint centre and better joint quality than MIG welding joints. Specifically, the overall hardness of welded joints of LMHW was 30% higher than MIG welding.Key words: LMHW；MIG welding；laser remelting；mechanical properties；microstructureNumerical simulation of welding residual stress and distortion in Q345/316L dissimilar steel HUANG Bensheng1， CHEN Quan1， YANG Jiang1， LIU Ge2， YI Hongyu1 (1. School of Materials Science and Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China；2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Yangtze Normal University, Chongqing 408100, China). pp 138-144 Abstract: Based on SYSWELD finite element analysis software, the transient temperature distribution, residual stress and deformation of Q345/316L dissimilar steels were nume-rically simulated, and the simulation results were validated by the experimental method. The experimental results show a good agreement with the numerical simulation results, which proved the reliability of the dissimilar steel welding of SYSW-ELD simulation. The results show that the welding tempera-ture field of dissimilar steel was asymmetric, and the Q345 side had a wider range of high temperature regions. Both the transverse and longitudinal residual stresses were in the shape of cap in the direction of the weld and there was a maximum residual stress in the middle of the weld. In the middle of perpendicular welding cross section, the longitudinal residual stress and transverse residual stress were not continuous weld and weld near the central section of the weld. There was a large stress gradient and the stress state was complex. The maximum residual stress appeared in Q345 side of the fusion line. The simulation results under different heat input show that, under the premise of ensuring the quality of welded joints, it was best to use a small heat in welding process.Key words: dissimilar steel welding；numerical simu-lation；temperature field；residual stress；welding distortionFormation and microstructure of ultrasonic-assisted friction stir lap welding dissimilar Al/Ti alloys MAO Zhendong1， WU Shuanglian1， LIU Xuesong2 (1. CSR Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111, China；2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China). pp 145-148 Abstract:This work used ultrasonic-assisted friction stir lap welding to join dissimilar Al/Ti alloys. The effect of ultrasonic vibration on joint formation and microstructure was mainly studied. Results show that void appeared inside the joint when the ultrasonic vibration was applied on the Al sheet. Defect-free joint was obtained when the ultrasonic vibration was applied on the Ti sheet. Ultrasonic vibration could enhance the diffusion at the Al/Ti interface, which was beneficial for joint mechanical properties. The thickness of the diffusion layer was rather thin at the rotating speed of 300 r/min. An intermetallic compound with a thickness of 1 µm was obtained at the rotating speed of 500 r/min. The application of ultrasonic could significantly increase the failure load of the joint.Key words: ultrasonic；friction stir lap welding；de-fect；intermetallic compoundsEffects of heat input on microstructure and mechanical properties of copper/steel bimetal by microzone meltingLI Zhen1， QI Yahang1， GAO Peng2， ZHOU Tietao1 (1. College of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China；2. Beijing Aero Engine Control System Co., Ltd. Beijing 102200, China). pp 149-153 Abstract:Copper/steel bimetal materials were obtained with cladding tin bronze on steel substrates by microzone melting. The changing of steels substrate temperature and microzone cooling velocity were simulated by ANSYS. Microstructure and mechanical properties of different region were investigated by optical microscopy(OM), X-ray diffraction(XRD), electron probe microanalysis(EPMA) and micro hardness tester. The results show that as the surfacing process went on, the temperature of the steels substrate increased obviously from 20 °C to 433 °C. The cooling speed decreased from 2 070 K/s to 336 K/s and the hardness of the surfacing layer decreased from 199 HV to 137 HV. The initial peripheral Tin-Bronze coating consisted of αCu, Pb and αFe, which were the product of the Cu-Fe liquid phase separation having a characteristic of metastable liquid phase separation. The grain size of αCu increased from 11.2 μm to 53.4 μm.Key words: tin-bronze；heat input；microzone melt-ing；microstructureA visual model of welding robot based on CNN deep learning LI Hexi1， HAN Xinle1， FANG Zaojun2 (1. Intelligent Manufacturing Department, Wuyi University,2019, Vol. 40, No. 2TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION VII。

H型构件残余应力与焊接变形分析摘要：为了获得TC4钛合金H型结构双光束双侧同步焊接焊缝残余应力对焊接变形的影响，针对试验件产品，进行了焊接应力水平检测和变形测量，并与有限元变形分析结果进行了比对分析。

结果表明：H型构件焊缝的残余应力实测结果和仿真结果发现，绝大多数焊缝实测结果与仿真结果的应力曲线基本保持一致的整体变化趋势。

关键词：残余应力；拉应力；压应力；变形0序言残余应力直接影响焊接构件的拉伸力学性能、疲劳强度、抗应力腐蚀性能、尺寸稳定性和使用寿命，构件的使用安全性与残余应力状态息息相关。

而焊接变形不但是评价焊接效果的重要指标，同时还对后续工序造成重要影响，因而大型薄壁复杂结构件焊接变形的有效控制与精准测量至关重要。

钛合金蒙皮-H型构件的总体尺寸较大、结构十分复杂，焊缝形貌为T形接头，构件的焊接成型难度较大，特别是残余应力与焊后变形的控制是此技术的关键难点。

研究发现，对于薄壁钛合金构件，焊接变形的控制难度大，焊接方向和焊接顺序是最为关键的影响因素之一。

1 试验测试方法及设备1.1 无损残余应力测试方法及设备相比于其他损伤性残余应力测试方法，X射线无损残余应力检测法可以在不损伤工件的情况下，测得工件的表面应力。

且X射线无损残余应力检测法测量速度快，测量精度高，结果准确可靠，但该方法对测试材料类型及尺寸有一定的要求，从而限制了它的应用。

X射线衍射法利用X射线入射到物质时的衍射现象测定出宏观残余应力。

在弹性范围内，残余应力引起的应变可以通过某一晶面族的晶面间距变化来表征，此变化必然导致X射线衍射峰的位移，基于衍射峰的位移数值可通过计算获得残余应力值。

X射线残余应力测试原理如图 1所示。

图1 射线衍射残余应力测试原理示意图在蒙皮-H型桁条结构上共选取焊缝区域附件6个位置作为测量点，这6个位置分别为：焊缝中心（1号点），焊缝中心两侧3 mm的位置（2号点、3号点）、焊缝中心两侧10 mm的位置（4号点、5号点）以及桁条宽度方向的中间位置（6号点），测试点位置如图2所示。