双面双弧多道焊模拟结果分析

-41-

Calculated results Measured results

0 20 40 60 80 100 120 140

Calculated results Measured results

a) 前焊道 b) 后焊道 a) Fore pass b) Rear pass

图 3-7 双面双弧焊温度曲线 Fig.3-7 The temperature curve of DSAW 表 3-1 测量和计算的热循环冷却参数表

Table 3-1 Cooling parameters of measured and calculated thermal cycles

前焊道 后焊道

由此看出在打底焊道易产生较大的横向应力，这是由于打底焊温度梯度大、焊 缝宽度较小和连接的刚性差等原因造成的^[119]。

a) 横向应力 b) 纵向应力 a) Transverse stress b) Longitudinal stress

图 3-8 横截面 A-A 各道道间应力分布曲线 Fig.3-8 Interpass stress on A-A transverse section

3.2.3 打底焊应力对比分析

从双面双弧焊道间应力状态可看出在打底焊道的应力最大，CW 焊接工艺 的打底焊应力云图也显示在根部出现很大的拉应力，下面就对两种方法的打底 焊道上部和下部的应力进行对比分析。在 A-A 横截面打底焊道上表面的应力 曲线如图 3-9a)所示， 两种方法的应力分布基本一样，在焊缝呈较大的拉应 力，远离焊缝区应力很小；CW 的横向应力大小与 DSAW 的相差不大，但 CW 的纵向应力比 DSAW 的要大得多。

在 C-C 纵截面打底焊道下表面的应力曲线如图 3-9b)所示，两种方法的横 纵应力分布基本相反，双弧焊整体应力平缓，纵向应力最大达到了 600MPa, 而单弧焊在距始焊端 20～30mm 处有很大的拉应力，纵向应力已达到了材料 的屈服强度，说明传统工艺在根部易产生裂纹。传统工艺一般正面焊完，背面 根部需要清根，一方面去除根部的未熔合和氧化物，另外还可将根部应力集中 给释放，减少了裂纹。而双面双弧焊在打底焊道应力集中较小，这是由于后电 弧对前焊道根部一个后热作用，而且上下焊道的横向收缩是对称的，这都有利 于减少应力集中。

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a) 在 A-A 截面上 b) 在 C-C 截面上 a) On A-A section b) On C-C section

图 3-9 新老工艺打底焊应力对比曲线

Fig.3-9 Comparison with back weld stress of DSAW and SAW

3.2.4 残余应力场分析

图 3-10a)是从 A-A 横截面 DSAW 焊的 Von Mises 等效应力云图，其等效应 力最大应力达到 460MPa，在焊缝区应力集中较大，而远离焊缝的综合应力较 小，双面双弧焊后残余应力分布在试件中心轴线基本上呈对称分布。CW 焊的 等效应力云图如图 3-10b)所示，可看出最大应力达到 534MPa，比双弧焊的等 效应力要大，在厚度方向上的应力呈不对称分布，焊缝上部比下部大。图 3-10c)是从 A-A 横截面 DSAW 焊残余应力云图，在试件表面横纵向应力在焊缝 区呈较明显的拉应力，远离焊缝区应力较小，在横截面上，在根部热影响区产 生较大的压应力，而在焊缝上下表面产生较大的拉应力。

为 了 验 证 数 值 模 拟 的 结 果 ， 单 双 弧 焊 的 表 面 残 余 应 力 进 行 了 测 量 ， SAW(Single arc welding)是单弧焊，应变片分布如图3-10d)所示，将测试结果与 模拟结果进行对比如图3-11所示，可看出，测试的结果比模拟的结果要大，这 是由于数值模型的热源模型采用的是串状带热源简化模型，另外，本模型也没 考虑试板与工作台的接触边界条件，因此，计算结果比测试结果略低，但总体 来看，模拟结果与测试结果基本吻合。单弧焊和双面双弧焊的横纵向残余应力 总体分布趋势基本一样，纵向应力比横向应力大，双面双弧焊的纵向应力比单 弧小100MPa左右，横向应力小50MPa左右。单双弧的残余应力分布差不多，但

双弧的横向应力比单弧低，这是由于单弧焊双面热作用不平衡和温度梯度高引

起的^[120]。

a)双弧焊等效应力 b) 单弧焊等效应力

a) Von Mises equivalent stress of DSAW b) Von Mises equivalent stress of SAW

c) 双弧焊横向应力 d) 双弧焊纵向应力 c) Transverse stress of DSAW d) Longitudinal stress of DSAW

图 3-10 Von Mises 等效应力和残余应力云图

Fig.3-10 Von Mises equivalent stress and residual stress nephogram

3.2.5 多层多道焊角变形分析

焊接过程中角变形的预测对控制焊接变形是非常重要的。本文通过记录 厚度方向的位移历史曲线来反映出角变形的历史演变，新老工艺厚度方向位移 演变曲线如图 3-12 所示，图中选取的点是 A-A 两端点，可看出左边的变形较 大，很明显可以看出新工艺远比老工艺的位移量小，并且新工艺的位移波动 小、稳定，而老工艺的位移随前几道位移量峰值逐渐增大，随后缓降，整个过 程中，老工艺厚度方向位移变化剧烈，也反映了焊接过程中角变形波动较大，

变形难以控制，也反映了受力波动较大。

由点 A1和 A2厚度方向的位移可计算出角变形，其转化公式为：

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1 2

arcsin y arcsin y

B B

θ α β= + = ∆ + ∆  （3-4）

式中：Δy1、Δy2 分别是左右端点厚度方向上的位移， B 是板宽，α、β 分是左 右角变形夹角，θ 是总角变形夹角，正号为向上弯曲，负号为向下弯曲。

a) 横向应力 b) 纵向应力 a) Transverse stress b) Longitudinal stress

图 3-11 新老工艺残余应力分布

Fig.3-11 Comparison with residual stresses of DSAW and SAW

a) 双面双弧焊 b) 单弧焊 a) DSAW b) SAW

图 3-12 单双弧焊的角变形云图

Fig.3-12 Comparison with angular distortion of DSAW and SAW

新老工艺每道焊后角变形的对比曲线如图3-13所示，可以看出老工艺前8 道，角变形量随道数增加而急剧增大，上升斜率k1=0.176，角变形量最大达到

1.773°，随后，对下部8道逐步填充，角变形量随道数增加而缓慢减小，下降斜 率k₂ = -0.108，角变形量一直减小到0.091°。新工艺双面双弧焊的角变形量随道 数 的 增 加 略 有 增 大 ， 上 升 斜 率 k=0.007， 由 于 打 底 焊 时 ， 前 后 电 弧 间 距 相 差 30mm ,上焊道先焊，下焊道后焊，从而产生一个小的角变形0.0226°。

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18

Angular deformation magnitude(o )

Pass number

DSAW SAW

图3-13 DSAW和SAW道间角变形

Fig.3-13 Interpass angular distortion of DSAW and SAW

从道间的应力和变形来看，打底焊道在多层多道焊中横纵向应力最大，最 易产生应力集中，对于双弧焊来说，打底焊由于保持一定的弧间距，造成焊后 也有一定的角变形，并随着道数的增加也略有增加，因此，本文重点研究打底 焊的温度场、应力变形场。