利用非线性有限元软件Marc建立含6处V型接头的管状电机支架模型，模拟研究了热输入对6处V型接头起弧端热循环以及焊缝区残余应力的影响。结果表明：热输入越高，起弧端温度峰值越高，接头在加热和冷却过程中的受热越均匀；热输入对焊缝前端和末端焊接残余应力的影响较小；对于焊缝中段，热输入越大，焊接残余应力越小，并且除了接头Ⅱ外，其他接头焊缝中段残余应力均表现为拉应力。

01试验方法

      整个电机支架为环状结构，如图1(a)所示，其轴向截面形状和接头位置如图1(b)所示，壁厚为50mm。

图1 电机支架整体形状和轴向截面形状

     由图1可见，电机支架轴向从底部到顶部共有6处接头(Ⅰ~Ⅵ)，焊接方向沿环向，接头Ⅰ~Ⅳ处的支架半径R为1050mm，接头Ⅴ处的支架半径R1为1095mm，接头Ⅵ处的支架半径R2为1162.5mm。

     电机支架母材和焊材均为Q235钢，焊丝直径为1.2mm，材料热物理性能参数见表1。

表1 Q235钢的热物理性能参数

     焊接工艺均为气体保护焊，采用直流电源，焊丝与电源正极相连，根据电流、电压等参数计算得到的热输入为56.25kJ·mm-1。接头Ⅰ~Ⅵ连续依次施焊，每个接头的坡口尺寸和焊接顺序均与图2中接头Ⅰ相同，均为V型坡口，焊接10道次，对称施焊，每条焊道高度均为5mm。

图2 接头Ⅰ处的V型坡口尺寸和焊接顺序

     采用手持式X射线残余应力测试仪进行残余应力测试，经过M点(如图2所示)沿环向选取10个等距离点进行测试。

02有限元模型的建立

     为了细化网格、提高计算精度，取1/3电机支架进行建模。

图3 1/3电机支架模型中各焊接接头的焊接方向及焊缝长度示意

     由图3可见，在1/3电机支架中，接头Ⅰ和Ⅱ处的焊缝长度为πR/3，接头Ⅲ和Ⅳ处的焊缝长度为2πR/3，接头Ⅴ处的焊缝长度为πR1/3，接头Ⅵ处的焊缝长度为2πR2/3。整个模型长度为2535mm，划分网格后的1/3电机支架模型如图4所示，焊缝处网格较密，热影响区次之，母材区网格较为稀疏，单元尺寸(长×宽×高)分别为2mm×2mm×2mm, 4mm×4mm×2mm, 10mm×4mm×2mm。

图4 1/3电机支架模型和网格划分

      网格类型选用八节点六面体单元HEX(8)，单元数为157434个，节点数为30896个。模拟时焊接工艺及顺序与试验保持一致，选择3组工艺参数：焊接电流200A，电弧电压25V，热效率系数0.75；焊接电流250A，焊接电压30V，热效率系数0.75；焊接电流300A，电弧电压37V，热效率系数0.75。焊接速度均为4mm·min-1，焊接时间由各焊缝长度计算得到。由焊接电流、焊接电压等参数计算得到的焊接热输入分别为56.25，84.38，124.88kJ·mm-1。选择椭球形移动热源进行焊接模拟，其表达式为

03结果与讨论

3.1模型准确性验证

     由图5可以看出，在位置M处平行于焊接方向的路径上，实际测试与有限元模拟得到的残余应力均为拉应力，沿焊接方向的变化趋势相同，最小残余应力均出现在焊接路径中间位置处。残余应力测试结果与有限元分析结果的相对误差均小于10%，吻合度较高，说明有限元模型的参数设置具有较高的准确度。

图5 焊接接头Ⅰ热影响区M处残余应力沿焊接方向的变化曲线（热输入56.25kJ·mm-1）

3.2热输入对焊接热循环的影响

     由图6可知：在3种焊接热输入下，不同焊接接头第1道焊起弧端节点的热循环曲线变化趋势相同。与焊接热源直接接触时,起弧端节点温度从室温瞬间升高到1500℃，达到焊材的熔点形成熔池；随着焊接时间的推移，起弧端节点因热源逐渐远离，温度下降，熔池凝固形成焊缝；在进行后续第2~10道焊时，第1道焊起弧端节点均会再次受热而温度升高，随后随着热源的远离温度又下降，因此热循环曲线出现多个温度峰值现象(图中方框)。随着焊接热输入的升高，在焊接第2~10道时的峰值温度升高(图中方框)，接头加热和冷却时的温度分布更加均匀，这有利于降低焊接残余应力。

图6 不同热输入下不同焊接接头起弧端节点处的热循环曲线

3.3热输入对残余应力的影响

     由图7可以看出：不同焊接接头第10焊道中的纵向(沿x轴方向)残余应力沿焊接方向的变化规律基本相同；在焊缝前端和末端，焊接热输入对残余应力的影响不大，在焊缝中段，残余应力均随热输入的增加而减小。接头Ⅰ和接头Ⅵ处除了在焊缝前端出现残余压应力外，其余位置均为拉应力；接头Ⅱ除了在焊缝前端和末端出现拉应力外，其余位置都是压应力；接头Ⅲ和接头Ⅵ则相反，除了在焊缝前端和近末端处出现压应力外，其余位置都是拉应力；接头Ⅴ第10焊道中的残余应力全是拉应力。

图7 不同热输入下不同焊接接头第10焊道中纵向残余应力沿焊接方向的变化曲线

04结 论

     (1) 建立含6处V型接头的电机支架模型，通过有限元模拟得到其接头Ⅰ处热影响区的残余应力与实测残余应力沿焊接方向的变化趋势相同，且残余应力的相对误差均小于10%，模型准确。

     (2) 模拟得到电机支架上6处接头焊缝的纵向焊接残余应力的变化规律：对于焊缝前端和末端，热输入对焊接残余应力的影响较小；对于焊缝中段，热输入越大，焊接残余应力越小，并且除了接头Ⅱ外，其他接头均表现为拉应力。

     (3) 在进行多层多道焊时，热输入越大，起弧端峰值温度越高，接头在加热和冷却过程中的温度越均匀，这有利于减小残余应力。