钢箱形杆件焊接制造变形模拟研究

钢箱形杆件焊接制造变形模拟研究

葛云龙,王海,邱齐宇,周继鑫,赵彤

中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161002

摘要：随着我国陆地交通运输的快速发展，大跨度钢桥的兴建也越来越多。为了满足钢桥的整体稳定性和承载能力的要求，常采用由钢箱杆件组成的钢桁结构体系。由于加工质量好、生产效率高、节约材料等优点，焊接逐渐取代了传统的铆接和栓接。目前钢箱杆件的制作也大多采用焊接方式。然而，焊接是一个局部的快速加热和冷却的过程，不可避免地会伴随着变形的发生。焊接变形的存在为后续的矫正和拼装带来了较大的成本，也会影响桥梁结构的稳定性。

关键词：钢箱形杆件；焊接

近年来，为了系统了解焊接变形的机理和演化规律。国内外研究人员对于焊接变形这一课题，开展了一系列的相关研究。现有研究对于钢桥结构中板件单元焊接变形的研究较多，而对于箱形杆件焊接变形则鲜有研究。为了全面了解钢桥箱形杆件的焊接变形机理；研究其演化规律。本文基于有限元软件ANSYS创建了某钢桁拱桥箱形杆件的三维有限元模型，并对整个焊接过程进行了仿真模拟，重点分析了收缩、弯曲和扭转变形的演化规律和影响因素。

1 有限元模型建立

1.1 有限元模型

由于实际钢箱杆件尺寸较大，进行实际焊接模拟计算成本巨大。为了节约计算时间，本文旨在就钢箱杆件的焊接数值模拟方法与变形规律进行定性分析。腹板与盖板之间的4条角焊缝，采用埋弧自动焊进行焊接。焊接模拟包含了温度和结构非线性效应，网格的数量和分布特征会影响计算结果精度和计算效率。为了保证计算精度，同时有效捕捉焊接温度场和应力场的梯度关系。经过适当试算，最终在焊缝区域选择5 mm的小尺寸网格，远离焊缝区域网格尺寸为20 mm,中间部分采用过渡网格逐层过渡。

有限元分析时先进行焊接温度场计算，而后将温度场作为初始状态再进行变形场的计算。其中温度场的热分析过程中采用具有三维热传导能力的六面体八节点SOLID70实体单元；变形场分析采用具有大变形及大应变能力的六面体八节点SOLID185实体单元。设置初始温度及大气温度为20 ℃。通过适当增大对流换热系数来近似表征表面热对流和热辐射引起的热量损失。

1.2 热源模型

选用Goldak双椭球热源模型来模拟焊接过程中的移动体热源。焊接过程中熔池前端温度梯度大，后端温度梯度小，为了表征这一特点，双椭球模型前后部分分别采用了不同的数学表达式，具体如式(1)、式(2)所示。

式中：f1、f2为前后椭球热量分布参数，分别取值0.6、1.4,f1+f2=2;热效率η取0.7;焊接电压U=30 V;焊接电流I=600 A;热量Q=ηUI=12600 J/s;热源以v=10 mm/s的速度移动沿x轴正向移动。经过多次试算，确定双椭球热源的形状参数取值如表1所示。

表1 双椭球热源形状参数

采用ANSYS中生死单元技术模拟焊接过程中焊缝熔敷金属的填充融化和凝固过程。采用阶跃荷载加载方式，并开启帮助收敛的辅助选项来降低有限元计算的收敛难度。

2 数值模拟结果分析

模拟过程由加热和冷却2个荷载步组成，每一道焊缝加热需200 s,冷却时间需要900 s,以冷却至室温。根据焊接顺序的不同，对应定义4种不同工况：①工况1,按“焊缝3—焊缝4—焊缝2—焊缝1”的顺序焊接，对应加热冷却时间为(200×4+900) s;②工况2,按“焊缝3—焊缝4—焊缝1—焊缝2”的顺序焊接，对应加热冷却时间为(200×4+900) s;③工况3,按“焊缝3、焊缝4同时焊接→焊缝1、2同时焊接”的顺序焊接，对应加热冷却时间为(200×2+900) s;④工况4,焊缝1～焊缝4同时焊接，对应加热冷却时间为(200+900) s。

2.1 钢箱杆件收缩变形分析

箱形杆件的焊接收缩变形是纵向和横向收缩变形的叠加。纵向收缩变形由焊缝长度方向的缩短引起，而横向收缩变形主要是由宽度方向和高度方向的综合变形引起的。

2.2 钢箱杆件弯曲变形分析

焊缝的纵向收缩位移差会引起的钢箱杆件的弯曲变形。工况1～工况3均产生z轴正向的弯曲变形，其中工况2在竖向弯曲变形值最大，工况4产生z轴负向微小变形。这是由于工况1～工况3先焊接底板的2条焊缝，冷却后杆件焊缝周围会产生一定的残余拉应力和收缩变形。当后续焊接上盖板2条焊缝时，受下盖板焊接时残余拉应力的影响，导致了小于下盖板焊缝的塑性压应变；最终冷却后梁上部收缩变形小于下部收缩变形，表现为z轴正向的弯曲变形。

由于焊接顺序对焊接变形的影响无法在经验公式中体现出来，本文采用工况3中只焊接完成了下盖板2条焊缝的情况与经验公式计算值进行对比。

计算获得同时焊接下盖板的2道焊缝弯曲变形量f=0.32 mm,此时数值模拟结果为0.28 mm,模拟值与计算值吻合较好。大体上看，箱型杆件的弯曲变形量值相对较小，其原因可能是由于参与计算的有限元阶段模型长度仅为2 000 mm,相对于实际模型长度12 560 mm占比较小。

2.3 钢箱杆件扭转变形分析

对称的焊接顺序、边界条件下，钢箱杆件不会发生扭转变形。因此，本文仅讨论非对称焊接条件下不均匀的角变形引起的钢箱杆件的扭转变形。

3 焊接变形调控方法探究

3.1 温度差对焊接变形的影响

上述模拟未考虑不同位置焊接间隔时间对于变形的影响。为研究温度差对焊接变形的影响，设置与工况3相同加热顺序、但在焊缝3、焊缝4焊接后冷却600 s再焊接焊缝1、焊缝2的工况为工况5。

不同冷却时间下焊接变形对比如15所示。可见，温度差的改变对钢箱杆件的纵向收缩变形影响不大；但是工况5的竖向弯曲变形量达到了工况3相应变形的近3倍。因此可知，通过控制多道焊间隔时间(冷却时间),可有效控制杆件的弯曲变形；也可通过对先焊区域采取保温措施以减少与后焊接区域的温度差，达到控制杆件弯曲变形的目的。

3.2 预加力对焊接变形的影响

为了进一步探究施加外荷载对于构件焊接变形的影响，拟在钢箱杆件跨中施加一沿z轴负向的集中力，以抵消部分焊接后沿z轴正向的焊接变形。定义工况6:与工况3焊接顺序相同，在焊缝3、焊缝4焊接后，在焊缝1、焊缝2焊接时对钢箱杆件的跨中施加100 kN的沿z轴负向集中力。

因此可知，对控制大型箱形杆件弯曲变形，施加集中力的效果显著，也是最便于操作控制的方法之一。因此可通过施加约束(预加力)的方式，提前设置所需弯曲变形反向预拱度，可有效抵消焊后的杆件的弯曲变形。

4 结论

本文基于ANYSY有限元软件对钢桥箱形杆件的焊接过程进行了仿真模拟，重点分析了不同焊接顺序下的杆件的收缩变形、弯曲变形、扭转变形的演化特性，并探讨了相关影响因素对其焊接变形的影响规律。经过系统分析，可得出结论：

(1)模拟所得箱形杆件的收缩和弯曲变形与经验公式计算值吻合较好。焊接顺序对焊接的收缩变形影响甚微；非对称的焊接顺序会引发钢箱杆件相对较大的弯曲变形；焊接顺序会导致钢箱杆件发生相同方向的扭转变形。

(2)中间横隔板的增设可以减小钢箱杆件的对角线差，抑制长度方向焊缝焊接产生的角变形，充分抵消大部分钢箱杆件扭转变形。

(3)通过控制不同焊缝焊接间隔时间，以减小不同焊缝区域的温度差，能有效控制钢箱杆件竖向的弯曲变形。对钢箱杆件施加预加力，提前设置所需弯曲变形反向预拱度，可有效控制焊后的杆件的弯曲变形。

参考文献

[1] 周广涛，刘雪松，闫德俊，等.顶板焊接顺序优化减小焊接变形的预测[J].焊接学报，2009,30(9):109-112+118.

[2] 梁徳襄.钢桥箱型杆件腹板焊接横向弯曲火焰矫正研究与应用(硕士学位论文)[D].成都：西南交通大学，2016.

[3] 柴磊.钢箱梁制造变形控制方法[J].施工技术，2015,44(S2):195-198.

[4] 付夏连.钢结构用焊接H型钢制作及焊接变形控制[J].钢结构，2015,30(11):61-63+46.