“T”形接头构件焊接应力研究

焊接是一个局部受热然后冷却的过程，由于构件温度场不均匀变化将引起残余应力和残余变形。对于钢结构而言，由于焊接残余应力的存在，其数值大小、分布形态对焊接结构的静载强度、疲劳强度、断裂特性、刚度和稳定性会产生很大的影响，尤其会使焊接结构在使用期间产生失稳与开裂，显著地缩短构件的使用寿命。

在焊接连接中，T形接头是一种常见的接头。在具体实践中，需要加强对T形接头焊接应力分布的影响研究，以确保焊接结构安全可靠。

本文将采用不同材质的钢板，对T形构件的焊接残余应力进行研究，以期为T形接头焊接的钢构件设计提供参考。

研究一：

焊接工艺对“T”形接头构件焊接应力分布的影响^【1】

试验中采用Q235B钢板。Q235B钢有良好的塑性、韧性以及一定的强度、好的冷弯性能、焊接性优良，在建筑、车辆、桥梁等实际生产制造中具有广泛地应用。

1.1 试验情况

选用E4303焊条来焊接Q235B钢，焊接时不需预热、控制道间温度和后热，焊接后的接头塑性和冲击韧性良好，也不需要进行热处理来改善组织。在T形接头中，主要利用600mm×100mm×4mm与100mm×50mm×3mm的Q235B钢板进行装配，如图1所示。

T形接头应力测量起始点距离板端50mm，覆盖整个钢板上的3条焊道，所测的焊接应力值为构件中心处的表面焊接应力值。

图2中各数字1，2，3，4……表示各焊缝的焊接先后顺序。

图2. 焊接热输入不同时各板焊接工艺参数

随后，采用不同的焊接顺序、不同的焊接热输入进行试验，分别测得残余应力。

1.2 试验结果

（1）Q235B钢板T形接头中焊接顺序从中心先依次焊向一端，再从中心依次焊向另一端的应力σx分布最不均匀，变化幅值达30MPa，焊接顺序从一端的一侧焊向另一端，再从同一端的另一侧焊向另一端的应力σx分布最为均匀，变化幅值仅为7.5MPa。

（2）Q235B钢板T形接头中焊接顺序从中心依次焊向两端时产生的应力值最大，最大值为压应力60MPa，最小值为压应力45MPa。

（3）Q235B钢板T形接头在较小的焊接热输入392J/mm的作用下所产生的焊后应力σx分布很不均匀，变化幅值达69.9MPa，出现压应力峰值99.9MPa，最小压应力为30MPa；焊接热输入较大476J/mm时，焊后应力σx分布均匀，变化幅值仅为20.1MPa，没有应力峰值出现。

研究二：

不同焊脚尺寸和钢材屈服强度对焊接残余应力的影响^【2】

采用盲孔法对T形接头连接的Q345钢板进行测试，并通过变化试件焊脚尺寸和钢材屈服强度，研究T形接头连接的Q345钢板残余应力及其分布的变化情况。

2.1 试验情况

试验材料为Q345、Q235钢，焊接顺序如图3所示，焊接方法为二氧化碳气体保护焊，焊接电压为29V，焊接电流为290A，焊接速度约为10mm/s，环境温度为23℃。试验中设计了7个T形接头试件。试件Z1～Z6钢材采用Q345钢，试件Z7采用Q235钢。表1给出了7个试件的详细尺寸信息。

图3. T形接头钢板焊接模型

2.2 试验结果

通过对T形接头钢板焊接残余应力的测试，分别讨论了残余应力分布情况及其影响因素，可得到以下结论：

（1）试验表明远离焊缝区域的残余应力往往小于焊缝附近区域测点的残余应力，前者最多仅为后者的62%。

（2）焊缝附近残余应力的大小与焊缝距离不呈线性关系，最大值不一定出现在距离焊缝最近区域，但在焊缝区残余应力最大值大于其他区域的残余应力最大值。

（3）从实测残余应力水平看，同一测点的横向残余应力值小于其纵向残余应力值，前者最小仅为后者的33%，可解释为先焊部位冷却固结将阻止后焊部位横向自由膨胀所产生的横向塑性压缩变形。

（4）构件焊脚尺寸增大和屈服强度的提高均会增大残余应力，两者均可作为主要设计参数在残余应力计算中予以考虑。

研究三：

不同焊接顺序对T形接头焊接变形及残余应力的影响^【3】

采取不同的焊接顺序对T形接头的焊接过程进行仿真分析，预测焊接温度场、应力场及变形情况，为焊接过程提供最优的焊接方案，用于指导实际焊接过程，提高生产效率和节约成本。

3.1 试验情况

以图4 T形接头建模，翼板尺寸为（长×宽×高）800mm×360mm×10mm，腹板尺寸为（长×宽×高）800mm×150mm×10mm。

图4. T形接头网格模型

模拟选用的焊接材料为S355J2G3（类似于Q355），其热物理参数和力学性能参数随着温度的变化而变化。

根据文献，采用双椭球移动热源模型进行热源尺寸的设置，如图5所示。

图5. T形接头双椭球热源尺寸示意

本文主要研究不同焊接方向对焊接结果的影响，其焊接过程中热输入量保持不变，根据实际焊接情况，焊接参数设置为：焊接电流320A，电弧电压32V，焊接速度4.5mm/s，热源效率0.75，净热输入为17.1kJ/cm。

焊接边界的设置，模拟计算时，焊接初始温度设置为20℃，焊接过程中构件与周围环境通过对流与辐射进行热交换，将辐射换热的影响耦合到对流换热中。焊接过程中为了防止焊件产生刚性位移，对模型施加固定约束，如图6a所示，其中翼板在图中所示位置（左右对称6个位置）约束Z方向移动，腹板在图中所示位置（单侧3个位置）约束X方向的移动，约束在焊接结束后待焊件基本冷却到室温后取消（时长大约为1500s），重力方向沿着Z轴的负方向。并且在工件施焊之前，如图3b所示在左右两侧对称的四个位置通过局部连接点的方式将腹板与翼板连接，相当于实际焊接前的定位焊。

图6. T形接头模型约束条件设置

在模型设置好以后，通过改变焊接顺序进行热-力耦合计算，比较分析不同焊接顺序下，T形接头焊接残余应力及变形的变化情况。具体焊接顺序如图7所示，图中①②③④分别表示焊接的先后顺序。

图7. 不同顺焊接顺序

3.2 试验结果

（1）不同的焊接顺序会造成温度场不同的分布，在T形接头两侧采用同时同向未分段焊接及两侧同时由中间向两头焊接时，其温度场分布为单次热循环，当采用两侧非同时及两侧同时分段退焊或跳焊焊接时，其温度场分布会经历两次以上的热循环。

（2）相比较无约束情况下焊接，工件在施加约束焊接时可有效控制焊接变形。在没有约束情况下焊接时，两侧采用同时同向未分段焊接，两侧同时分段退焊或跳焊焊接及两侧同时由中间向两头同时或先后焊接时变形较小，变形量一般在4mm左右；施加约束焊接时，可大大降低焊接变形量，变形量控制在0.8mm范围内，各方案下变形量差异优势缩小。

（3）不同焊接顺序下，焊接残余应力的分布情况不同。两侧同时分段退焊或跳焊焊接及两侧同时由中间向两头同时或先后焊接时在分段接头的位置存在应力值降低的情况，但是沿着焊缝方向焊脚区域最高残余应力峰值要高于两侧采用同时同向未分段焊接时。各焊接顺序下，最大残余应力值分布在焊脚区域，焊缝及热影响区分布着较大的残余拉应力，焊缝两头为残余压应力，随着距焊缝距离的增加残余应力有拉应力向压应力转化。

引用资料：

【1】姚 杞，罗 震，罗 辉. 焊接工艺对T形接头构件焊接应力分布的影响.试验与研究

【2】张 涛，王志宇，李晓磊. T形接头钢板焊接残余应力试验研究[J]. 建筑结构学报

【3】赵小康，张海燕，姚正锋，侯国清. 不同焊接顺序对T形接头焊接变形及残余应力的影响.焊接与切割