1、焊接变形预测的研究进展【摘要】焊接变形是焊接结构制造过程中最常见的问题之一。本文介绍了焊接变形的类型，分析了焊接变形的预测，探讨了有待进一步解决的问题。 【关键词】焊接 变形 预测 中图分类号：P755.1 文献标识码：A 前言 焊接作为一种灵活高效的连接方式广泛运用于桥梁、船舶、建筑、航空、压力容器等制造业，然而，随之而来的焊接结构残余变形也一直困扰着焊接界。焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异，尺寸精度下降和承载能力降低，而且在工作荷载作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接结构疲劳强度降低的原因之一。 一、焊接变形的类型 焊接变形的基本类型有横向、
2、纵向收缩变形，角变形，弯曲变形和波浪变形。实际生产中常采取的预防焊接变形的措施有：合理选择施焊方法和焊接工艺参数，围绕结构中性轴平衡布置焊缝，合理选择焊接顺序，使用分段倒退焊和间断焊，预置反变形量，采用刚性固定等等。对于结构已经出现的在规范允许限值以外的焊接变形，生产中常采用的矫正方法有机械矫正法和火焰矫正法。这些变形预防措施和矫正工艺主要是依靠经验和有限的试验数据，并不足以适应复杂多变的结构形式和焊接方法，而且焊接变形的矫正极为耗时费力，甚至导致产品报废。为了正确评估焊接对结构的影响和采取有效的预防控制措施，就必须对焊接进行深入系统的理论研究，寻求方便实用的焊接变形预测方法。 二、焊接变形的
3、预测 1、热弹塑性有限元分析 这是应用最为广泛的焊接过程计算方法, 涵盖了焊接过程的各个方面, 包括不同的焊接类型、焊接材料和接头形式, 既用于对焊接变形的分析, 也用于分析残余应力、裂纹、疲劳和断裂等。分析中的热源通常简化为点、线、面热源, 常用的分布有高斯函数、半球状分布函数、椭球形分布函数、双椭球形分布函数等。材料的热物理和力学性能参数都设为温度的函数, 具体的函数关系由试验确定。热弹塑性有限元分析的缺点是运算量很大, 特别是对大型构件和复杂结构, 有些即使能够分析也很不经济, 有些则不得不采用其他简化方法。 2、考虑相变与各种耦合效应的有限元分析 金属材料发生相变时, 因体积变化造成的
4、应力对整体应力场和变形场有重要影响。在焊接应变场分析的总应变率中计入了相变应变率，提出了一个改进的点焊有限元模型, 综合了传热、电场、热弹塑性、接触、相变等特征以及各特征的相互作用, 并进行了试验验证, 得到了非常吻合的结果。 3、粘弹塑性有限元分析 采用粘塑性以及对应变率敏感的材料模型建立了有限元方程，根据流动法则和屈服条件建立了粘弹塑性有限元方程, 用于计算奥氏体钢的焊接热应力和变形, 所得结果与试验吻合得很好。导出了指数和幂函数蠕变应变率下粘弹塑性有限元分析的各个表达式，考虑了蠕变现象, 采用热粘弹塑性有限元方法, 提出了一个评价局部焊后热处理效果的直接方法, 研究表明蠕变行为对局部焊后
5、热处理过程中的热应力产生有重要影响。用该方法还分析了局部焊后热处理的应力释放过程, 得到了加热宽度的直接判据。 4、残余塑性应变有限元方法 焊接时焊缝及其附近材料的热膨胀受到附近低温材料拘束, 产生大量的压缩塑性应变, 冷却后形成残余塑性应变, 其大小和分布决定了最终的残余应力和变形。因此如果知道了残余塑变的大小和分布, 就可以通过一次弹性分析求得整个构件的焊接应力和变形。问题的关键是如何确定残余塑变。在残余塑变法的基础上发展了固有应变法, 其最大的优点在于可以避开运算量极大的热弹塑性分析。近年来, 上海交通大学的汪建华教授运用该方法进行了大量的研究工作, 取得了丰硕的成果。 5、利用相似理论
6、 运用相似理论可以将模型试验和数值模拟方法结合起来, 按照相似关系对焊接构件进行一定转换,减小复杂性后再进行数值计算, 也可以减少运算量。清华大学的蔡志鹏等研究了相似理论在焊接温度场、应力应变场以及焊接变形预测等方面的应用, 推导了温度场和高斯热源的相似准则, 并得到模型与实际构件焊接残余变形的相似关系式。在实际生产中, 因为受到焊接条件的限制, 模型与实物间的相似准则很难同时满足, 而且对二者之间准确的对应关系还缺乏足够的研究, 因此应用受到很大限制。 三、有待进一步解决的问题 焊接变形的预测和控制已经取得了长足的进步, 但是, 与实际生产的要求仍有相当大的差距, 尚有许多问题无法解决, 有
7、待于进一步的研究。 1、扩大研究的区域 目前的研究大多将注意力集中在焊缝及其附近的热影响区, 对远离焊接区的部分则较少涉及。例如对点焊的研究, 多数是研究焊核的形成以及形成过程中各参数的影响, 或者是焊点附近局部材料的力学行为。但在大结构的情况下, 结构与过程的耦合作用会产生与小结构焊接完全不同的结果, 有时焊接区的微小变形也可能引起较远处的大变形, 这实际上包含着小应变大变形问题, 需要考虑构件的几何非线性, 引入大变形理论来分析。但目前这一方面的研究还不多见, 尤其缺乏对柔性大尺寸结构件的焊接变形研究。 2、研究多个焊接区的相互影响 现有的理论、试验和数值分析, 只研究了单一焊接区的情况。
8、一般对点焊只研究一个焊点, 对缝焊只研究一条焊缝。但在实际生产中, 采用单一焊接区连接的构件只占少数, 大多数构件都由多条焊缝或多个焊点相连, 有些情况下数量还特别多。这些焊接区可能非常接近, 也可能有多条焊缝互相交叉,它们之间的影响不可忽视, 其相互作用也不是简单的算术相加, 在研究中要充分考虑各相关因素的叠加和耦合作用。 3、研究完整的焊接过程 焊前预热、焊后热处理、采用焊接夹具时夹具的夹紧和松开等过程都是焊接的有机组成部分, 不同的过程工艺对焊接效果影响很大, 应该引起重视。在采用焊接夹具的情况下, 焊件从开始冷却到取下夹具的过程, 也会发生较大变化, 但是现有这方面的研究很少, 多数都
9、被忽视了。生产中常利用夹具的拘束作用限制构件的自由变形, 以减少焊接变形。但是变形受约束必然会引起附加的应力, 夹具撤除后应力重新分布, 如果构件刚度不足, 就会引起新的变形。这种情况以汽车车身薄板件的焊装过程最为典型, 很多情况下, 使用按照车身理论数据设计的夹具, 往往得不到合格的产品, 不得不对夹具进行多次调整和修正才能保证车身的形状和尺寸。目前这种调整和修正大多依靠经验, 非常需要精确的理论计算作指导。 4、发展新的变形控制理论 研究焊接变形的最终目的是为了控制变形, 将其尽量减少甚至完全消除。从目前的情况以及发展的趋势来看, 仅靠经验型的变形控制方法是无法满足生产需要的, 只有进行深
10、入系统的理论研究, 才能有根本的改观。目前这方面的工作非常欠缺, 尤其缺少能够进行准确定量计算而又简便实用的方法。另一方面, 现有对变形的控制方法多是被动式的, 也就是在出现变形以后再想办法消除。因此, 发展焊接过程的检测技术, 开展对焊接过程的实时监控, 对焊接变形实施主动控制是一个重要的发展方向。 结论 焊接变形预测与焊接变形控制是焊接结构制造过程中两个非常重要的内容, 二者的发展密切相关。现代科学技术的进步使人们能够不断认识焊接变形机理, 掌握焊接变形规律, 从而能够在焊接结构制造过程中实施合理的控制方法。 【参考文献】 1 侯志刚,马垚,王元勋,李春植,陈传尧.焊接变形预测与控制的研究进展J. 机械工程材料. 2004(03) 2 马继,陆皓,汪建华.预测焊接变形几种方法的比较J. 造船技术. 2002(01) 3 薛忠明,曲文卿,柴鹏,张彦华.焊接变形预测技术研究进展J. 焊接学报. 2003(03)
