0 引　言

焊接相比较于其他金属材料的连接方式有连接性能好、焊接结构刚度大等优点，在各个行业都被广泛的应用，特别在船舶的建造和修理工作中更是被关注^[1]。对T型结构，薛小龙等^[2]、金晓军等^[3]有所研究。由于焊接工艺的研究在国内已经很少，所以对焊接顺序的优化方面更加匮乏。数值模拟技术不仅可以补足实验验证的缺点，也能对节省实验费用，缩短实验时间起到重要作用^[4]。目前在焊接顺序上的数值模拟已经有了部分成果。张国立等^[5]引用有限元MARC软件研究了焊接顺序在T型结构残余应力方面的优化。通过比较4种焊接顺序发现对称施焊对降低残余应力效果更好。向祖权等^[6]利用双椭球热源模型模拟热源，并通过变化焊接顺序来达到对T型接头焊接变形的控制作用。王浩等^[7]也通过模拟软件先通过平板实验沿着模拟的准确性，再对T型焊的4种焊接顺序进行研究，发现两侧向中间焊的顺序有利于减小残余应力。本文选用与上述研究不同的焊接顺序，对Q235A的T型薄板材料进行研究。首先对平对接接头进行数值模拟，通过做焊接实验验证模拟的准确性，再对T型接头作数值模拟分析，从而对优化焊接工艺起到参考作用。

1 有限元模型的建立 1.1 建立有限元模型

采用自底向上的建模方法，就是先建立模型最低单元的点到最高单元的体构建实体单元。建立平面上焊缝、热影响区等的端点，再进行连线成面，最后进行面拉伸，完成建模。采用映射网格划分，在焊缝及热影响区的尺寸小，远离焊缝区域划分单元尺寸大。

采用Ⅰ型坡口进行焊接实验，对模型划分网格的结果如图1所示。划分后的模型有55720个单元，65565个节点。

有限元模型如图2所示。焊接工艺参数的设定：环境温度20℃，焊接电流240 A，焊接电压37V，焊接速度0.005 m/s,焊接效率0.75。热分析采用8节点六面体实体单元SOLID70，表面效应单元采用surf152，应力分析时转化为SOLID45。焊接过程加热非常不均匀，在焊接融合区和附近温度变化梯度很大，而远离焊缝区，温度梯度相对较小。因此，焊缝采用1 mm的网格，热影响区采用1.5 mm的网格，远离焊缝区选用6.7 mm的网格。T型接头模型共划分44000个单元，53126个节点。

1.2 均匀体热源的选用

本文为角接焊模拟，焊缝填充的模拟过程就需要使用生死单元法，在加载热源前先将焊缝杀死，在热源经过的时候激活当前位置的焊缝，热源采用均匀体热模型，均匀体热源假设焊接热量在一定加热体积内是均匀分布的，该热源常用于多道焊接温度场模拟。热源作用区域内任意一点的生热率为：

$ p= \frac{{\eta {UI}}}{{V}} 。$

式中：V为热源作用体积m²； $\eta $ 为电弧热效率，U为焊接电压，I为焊接电流，V焊缝单元的体积。

焊接参数为：电弧电压U=37V，焊接电流I=240A, 焊接速度V=5 mm/s,选取焊接热效率 $\eta=0.75 $ 。

1.3 焊接方案设计

2种焊接顺序的不同主要表现在第2道焊缝的焊接方向上，若第2道焊缝的热源加热方向与第1道一致，则为直通同向焊接；若第2道焊缝的热源加热方向与第1道相反，则为直通异向焊接。2种焊接方向的对比如图3所示。

1.4 材料热物理性能参数

2种接头的材料都选用Q235A，为了简化模型而假设焊缝与母材的单元具有同样的热物理性参数。Q235A钢的物理参数和力学性能参数^[8]如表1所示。

1.5 残余应力测试

使用盲孔法检测对接平板上的残余应力。使用钻孔设备在选定好的点打2 mm深的孔，通过检测仪显示的小孔释放的应变值，将参数代入相关计算公式得出0°，45°和90°的3个方向的残余应力。

2 平板对接结果及分析

图4（a）为冷却过程中的温度场分布，图4（b）为距离焊缝15 mm的路径L₁上纵向残余应力模拟与实验的结果比较。可知，温度场在焊接过程中围绕着热源中心呈准稳态分布，离热源的中心越近等温度线越密。节点的热循环与实际情况相符。应力主要集中在焊缝处，离焊缝越远的区域残余应力值越小。在应力值的结果上，数值模拟结果与实验检测结果也较为吻合，证明了焊接模拟的准确性。

3 T型接头结果与分析 3.1 温度场分析

焊接第1道后先进行第1阶段的冷却再进行第2道焊，然后进入第2阶段冷却至室温。在温度场上，分别选取了第1道焊中t=50.4 s和第2道焊中t=304 s时刻的热源位置展示。2种焊接方法在热源移动上的区别主要表现在第2道焊缝，第1道焊上热源都是从坐标系原点出发，一直移动到焊缝末端，而在第2道焊缝上，同向焊的热源还是从坐标原点出发，向焊缝末端移动，但是异向焊的热源却是从焊缝末端向坐标原点移动如图5所示。

在第2道焊缝附近选取固定位置上的节点，然后检测热循环曲线，如图6所示。可以发现，在第1道焊上的温度变化曲线2种焊接顺序完全相同，但在第2道焊的同向焊接中A点在焊缝末端，故加热的最高温度在在时间上出现较晚，而在异向焊接中，第2道焊是从焊缝末端开始加热，故A点的最高温度出现的比较早。通过图线的变化趋势可以发现吸热的速度快，然而冷却的速度慢。根据热循环曲线可以验证T型模拟的准确性。

3.2 应力场计算结果分析

由图7的等效应力云图可以看出，翼板中图7（a）上的应力区域比图7（d）上的应力区域更加集中，说明同向焊接在横向上造成的应力集中比异向焊接更大。然而在翼板的纵向及厚度方向上的应力分布基本一致。横向与纵向的应力集中部分都在焊缝区域。在厚度方向上，没有出现应力集中的现象，焊缝处的应力与周边的残余应力没有差别。

在距离焊缝10 mm处设定路径L，如图8所示。通过后处理显示该路径上横向与纵向的应力分布进行分析。

根据图8可以发现，路径L的横向应力在残余应力的分布上不同，同向模拟值在拉应力的最大值上比异向模拟值高，同向模拟最大值为136.37 MPa，异向模拟最大值为107.11 MPa,峰值出现的位置也不相同，这是因为焊接的方向相反导致，还能看出横应力最大值出现在焊接的前半段过程中。2条纵向应力曲线几乎完全重合，但在两端处，同向模拟曲线出现了较大的负值。

3.3 图形几何变形分析

在翼板的边界设置路径L₁,在垂直翼板的中间位置设置L₂，最后在沿着腹板的顶端设置路径L₃（见图9），通过比较3个位置上的变形值展开分析，结果如图10所示。

根据图10可以观察到，在路径L₁和L₂上，Y方向变形显示比较突出，同向变形曲线超出异向变形曲线，表明同向焊接造成的Y方向变形更大。在路径L₃上，X方向的变形显示较为突出，异向变形曲线大部分超出同向变形曲线，异向变形曲线倾斜程度较高，表明异向焊接会使X方向变形更大。

4 结　语

本文通过使用热力学分析软件Ansys，运用生死单元技术对T型焊接过程进行了数值模拟，比较了不同焊接顺序对温度场及应力场的影响，显示不同时刻的温度云图和焊缝附近的热循环曲线，又对应力分布和３个位置的变形进行分析，可以发现如下规律：

1）平板对接的数值模拟采用间接耦合的方法，与实验检测的数据相差不大，较为吻合，证明模拟的准确性。

2）T型试件在焊缝出现应力集中现象，异向焊接要比同向焊接造成的应力集中小。

3）不同的焊接顺序对不同部位的变形影响各异。异向焊接对翼板角变形影响较小，同向焊接对腹板横向变形影响较小。