42CrMo 圆管三通结构是重要的管道连接部件，在化工、石油、天然气等领域应用广泛。随着工业技术发展，对 42CrMo 圆管三通结构的性能要求不断提升。42CrMo 钢作为高强度、耐腐蚀合金钢，在圆管三通结构制造中优势显著，学界已针对其化学成分、力学性能、热处理工艺等材料特性展开深入研究，为该类结构的设计与制造优化提供了理论支撑。当前圆管类焊接仿真研究多集中于 304 不锈钢、316L 不锈钢，针对 42CrMo 圆管三通焊接结构的残余应力与变形模拟研究较少。

本文以 42CrMo 圆管三通焊接结构为对象，采用顺序热力耦合结合热弹塑性法，探究不同焊接顺序对焊接残余应力与变形的影响，对比两种焊接顺序下的变形与应力分布规律，为圆管三通焊接质量控制提供技术依据。

1  有限元模型建立

1.1 网格模型建立

建立大径圆管外径 66 mm、壁厚 3.3 mm、管长 100 mm，小径支管外径 30 mm、壁厚 3 mm、高 24 mm 的圆管三通结构有限元模型，如图 1 所示。为保障计算精度，对焊缝区及近焊缝区网格进行细化处理；因结构包含 2 条环形焊缝，针对主管与支管建立柱状坐标系，如图 1 所示。

1.2 材料模型建立

42CrMo 钢是合金钢三通结构的常用材料，为贴合实际焊接中材料热物理参数的变化规律，考虑温度对材料性能的影响，构建了屈服强度、线膨胀系数、比热容及弹性模量随温度变化的材料模型，如图 2 所示。焊接过程中材料密度与热传导率受温度影响较小，为简化计算，密度取值 7.85×10⁻⁶ kg/mm³，热传导率取值 44 mW/(mm・K)，焊接速度设为 10 mm/s 开展仿真计算。

1.3 热源模型建立

焊接过程中，热源作用会使焊缝周边形成非均匀温度场，这是焊接残余应力产生与发展的核心因素。为精准还原焊接热场变化，选用与实际焊接热源匹配度较高的双椭球热源模型进行仿真，双椭球热源模型示意图如图 3 所示。

前后椭球的热流密度分布为：

式中：Q 为热源有效功率，\(f_{1}\)、\(f_{2}\)为热源前后部分能量分配比例，且 \(f_{1}+f_{2}=2\)。

1.4 焊接顺序定义

三通焊接结构包含主管对接环焊缝、主管与支管连接角焊缝，为研究两条焊缝焊接顺序对变形与残余应力的影响，设定 2 种焊接顺序开展仿真，如图 4 所示。

试件焊后充分冷却，选取 Path1 和 Path2 路径提取径向与周向残余应力，采用模型柱状坐标系分别提取两条路径的径向、轴向残余应力，提取路径如图 5 所示。

1.5 边界条件

焊接过程中需对工件施加约束以限制其运动与旋转，采用三点约束法对工件易变形部位进行约束，限定 x、y、z 三个方向的自由度，如图 6 所示。焊接与冷却完成后，通过三点释放法解除工件约束。

2  结果与讨论

2.1 2 种焊接顺序下的温度场云图

图 7 和图 8 分别为两种焊接顺序下两条焊缝的温度场云图。由图可知，两种焊序下第一道、第二道焊接热源温度均高于材料熔点，可保证焊缝区填充材料充分熔化；第二道焊缝温度显著高于第一道，这是由于第一道焊缝的不均匀加热形成了温度基础，第二道焊接热源产生了热叠加效应。

2.2 2 种焊接顺序下的 Mises 应力场云图

图 9 为两种焊序下的 Mises 应力场云图。相同工装约束条件下，两种焊序的 Mises 应力场分布差异明显，应力主要集中在第一道焊缝附近，这是因为第一道焊缝焊接完成后，经第二道焊缝热循环作用，焊接热应力进一步增大。

2.3 2 种焊接顺序下的横向和纵向残余应力对比

提取 Path1 路径下两种焊序的径向、周向残余应力并绘制曲线，如图 10 所示。由图 10a 可知，Path1 路径中，焊序 1 焊缝区径向应力为压应力，焊序 2 焊缝区应力近乎为 0，这是因为焊序 1 先焊接该区域，第二道焊缝对其产生了热处理效应。由图 10b 可知，两种焊序焊缝处周向应力差异较小，焊缝两侧区域焊序 2 呈一侧受拉、一侧受压的分布特征，与焊序 1 的马鞍形分布不同，这是由于焊序 2 第二道焊缝对第一道焊缝附近区域的拉伸作用更强，使该区域压应力更高。

提取 Path2 路径下两种焊序的径向、周向残余应力并绘制曲线，如图 11 所示。由图 11a 可知，Path2 路径中，焊序 2 焊缝区径向应力为较高拉应力，焊序 1 焊缝区应力近乎为 0，说明焊序 2 下支管与主管连接角焊缝一侧拉应力更高，这是第二道焊缝受热膨胀产生压缩作用所致。由图 11b 可知，两种焊序焊缝处周向应力差异显著，焊序 2 周向残余应力远高于焊序 1，焊缝附近区域的拉伸应力尤为突出。

综上，Path1 路径下两种焊序的径向、周向残余应力虽有差异，但焊缝区未出现异常拉应力，满足结构服役可靠性要求；Path2 路径下焊序 2 的径向、周向残余拉应力显著高于焊序 1，而管类三通结构的支管主管连接处为应力集中区域，应尽量规避高残余拉应力。

2.4 2 种焊接顺序下的整体变形云图

图 12 为两种焊序下的整体变形云图。由图可知，焊序 1 整体变形峰值为 0.03803 mm，焊序 2 整体变形峰值为 0.04436 mm，二者峰值变形差距较小，但峰值位置不同：焊序 1 主要变形集中在支管部位，焊序 2 主要变形出现在主管对接焊缝处。整体而言，焊序 1 的变形覆盖范围更大，焊序 2 的变形区域相对集中。

3  结论

以 42CrMo 三通焊接结构为研究对象，基于热弹塑性理论与顺序热力耦合方法，对两种焊接顺序下的残余应力与变形进行仿真计算，结论如下：

1. Path1 路径下，两种焊接顺序的径向、周向残余应力存在差异，但焊缝区应力水平相近；
2. Path2 路径下，两种焊接顺序的径向、周向残余应力差异显著，焊序 2 残余应力明显高于焊序 1；
3. 焊序 1 的整体变形覆盖范围更广，焊序 2 的变形峰值更高；
4. 综合来看，焊序 1 虽变形范围较宽，但焊接残余应力更小，是更优的焊接顺序。