焊接残余变形

焊接残余变形（精选8篇）

焊接残余变形 篇1

0 引言

工件在焊接后产生的残余应力在机械加工过程中会释放和重新分布,这对车架的变形产生直接影响。由于残余应力的复杂性,以及对其预测和消除技术的可控性难以把握,所以一直以来没有受到更多的关注和研究。综合国内外相关资料可以看出,影响铣削加工变形的主要因素有三种:工件初始残余应力的存在,铣削力和铣削热载荷的影响以及加工过程中装夹力的作用[1,2]。铣削加工变形方面虽已有了初步的成果,但是由于工件焊接结束之后残余应力的重新分布规律难以把握,所以工件焊接残余应力对铣削加工的影响有待进一步研究之中[3]。本文在前人研究的基础上,以重型运输车车架试验件为研究对象,采用单因素研究方法,仅仅考虑焊接残余应力对铣削加工的影响,应用ANSYS有限元分析方法初步尝试研究焊接残余应力对铣削加工残余应力重新分布和变形规律,有利于对铣削加工变形进行预测和相应的控制,为实际工程应用提供有效的理论指导作用。

1 铣削加工有限元分析

1.1 有限元模型的分析

在对试验件铣削加工变形的有限元分析过程中,需建立正确有效的有限元模型,建立模型的原则应能反应出结构的几何形状、材料特性、边界条件和加载方式[4,5]。试验件由三块厚度为6 mm的钢板搭接焊成,研究中焊接试验件的结构和材料参考重型运输车车架来选择,如图1(a),(b),(c)所示,焊接试验件材料和板厚与重型运输车车架一致,焊接长度为400 mm。依据以上原则,在ANSYS中建立的有限元模型如图1(d)所示,从中可以看出,中间体的划分部分为铣削框槽,焊道编号为1、2、3、4。

1.2 焊接残余应力的获取与施加

焊接残余应力的影响因素很多,本文主要考虑了焊接功率、焊接速度和焊接顺序三个不同的因素,并且取不同水平进行焊接模拟,其中焊接功率P取4 kW,4.5 kW,焊接速度v选择28 cm/min,32 cm/min,焊接顺序分别选取1-2-3-4、2-3-1-4、3-4-1-2,通过多因素组合的方式进行有限元数值模拟,获得焊接残余应力分布均匀且最小的一组作为初始残余应力施加到铣削加工有限元模型进行数值模拟。

图2和图3分别显示了在不同焊接顺序和不同工艺参数下的焊接残余应力分布曲线,比较图2(a)各图可以看出,在焊接功率为4 kW,焊接速度为28 cm/min的工艺参数下,焊接顺序为2-3-1-4时所获得的焊接残余应力最小,最大值为175 MPa左右;比较图2(b)各条分布曲线可以看出,在焊接功率为4.5 kW,焊接速度为32 cm/min的工艺参数下,焊接顺序为2-3-1-4时焊接残余应力值最小,其最大值为200 MPa左右;由此可知,在焊接功率为4 kW,焊接速度为28 cm/min,焊接顺序为2-3-1-4的条件下焊接可得到较小的焊接残余应力。比较图3(a)中各条残余应力曲线可以看出,在焊接速度为28 cm/min,焊接顺序为2-3-1-4,焊接功率为4.5 kW时可获得的焊接残余应力最大值大约为260 MPa,远大于焊接功率为4 kW时焊接残余应力;比较图3(b)中各条残余应力曲线可知,焊接速度为32 cm/min,焊接顺序为2-3-1-4,焊接功率为4.5 kW时的焊接残余应力较小,最大值为240 MPa左右;比较图3(a)和(b)可得,选择焊接功率为4 kW,焊接速度为28 cm/min,焊接顺序为2-3-1-4的条件下焊接获得的焊接残余应力值最小,与图2总结的结果具有一致性,且在该焊接残余应力下产生的焊接变形较小。因此,在研究焊接残余应力引起铣削加工变形时,将焊接功率为4 kW,焊接速度为28 cm/min,焊接顺序为2-3-1-4的条件下产生的焊接残余应力作为初始应力作用到铣削加工模型进行有限元数值模拟。

2 结果分析

2.1 焊接残余应力释放和重新分布

本文取上翼板距离焊缝边缘10 mm平行于焊缝方向(A-B路径),上翼板垂直于焊缝方向距离铣削框槽左侧10 mm(C-D路径)的几条路径对该车架试验件的纵向和横向残余应力进行分析。

从图4(a)、图5(a)和图6(a)中可以看出,在铣削加工的过程中平行于焊缝方向的纵向残余应力基本呈现拉应力,并且两端的拉应力值较小中间较大。如果没有对车架进行铣削加工而仅仅研究焊接残余应力的变化规律,纵向残余应力在中间位置应呈现出很大的残余拉应力,且由于焊接热源在中间位置基本处于稳定状态,所以该处的残余应力应是平滑的过渡。但是在铣削框槽附近拉应力表现出减小的趋势,主要原因可能是在铣削的过程中产生了一定压应力和残余应力对称释放造成的。横向残余应力在两端处呈现出一定的压应力,这是焊接热源作用的结果,铣削加工对其基本没有影响,中间位置处表现出较小的拉应力,且在框槽的左侧横向残余应力有增大的趋势,右侧则呈现减小的趋势,可见铣削加工对横向残余应力的影响变的相对复杂,这主要是因为在铣削加工过程中焊接残余应力的释放和重新分布的规律不确定性造成的。铣削加工后纵向和横向残余应力虽都有减小,但是纵向残余应力仍然远远大于横向残余应力。

从图4(b)、图5(b)和图6(b)中可以得知,垂直于焊缝方向上纵向和横向残余应力变化趋势基本相同,都是迅速减小然后再缓慢变化的过程。纵向残余应力在起始端表现出很大的残余拉应力值,迅速减小后呈现出很小的稳定的残余拉应力,而横向残余拉应力值则较小,且逐渐过渡到残余压应力。还可以看出纵向残余应力明显大于横向残余应力,这主要原因是焊接热源的移动对纵向残余应力的影响较大,铣削加工虽然使残余应力释放和重新分布,但对纵向和横向残余应力都有所改变,因此铣削加工后的变化趋势与焊接残余应力的变化趋势基本相似,但是拉应力值明显减小,压应力值有所增大。从图4～图6中还可以看出,随着铣削框槽尺寸的增大,平行于焊缝方向的纵向残余拉应力值逐渐减小,横向残余拉应力值也逐渐减小,但是压应力值呈现出先增大后减小的趋势;垂直于焊缝方向的纵向残余拉应力值逐渐减小,而残余压应力值逐渐增大,横向残余拉应力逐渐增大,残余压应力先增加后减小。由此可见,焊接重型运输车车架试验件铣削加工后残余应力的规律是非常复杂的,不是一个简单的增大减小的过程。

a) 优化电化絮凝器在煤水处理中的应用(b)路径C-D

2.2 焊接残余应力引起铣削变形

图7,图8是焊接重型运输车车架试验件不同尺寸铣削框槽变形云图。从图中可以看出,焊接残余应力的释放和重新分布导致x向和y向的变形量均呈现对称分布,且y方向的变形量比较大,x向变形量相对较小。而铣削加工对x方向变形影响较大,对于x方向,变形量在焊接区域全为负值,框槽附近区域负值表现的更加明显,其他区域过渡为正值,体现为两端翘起,中间内凹。随着铣削框槽尺寸的增加,x向变形量最大值逐渐减小,并且铣削框槽附近以及焊接区域的变形量也逐渐减小。

对于y方向的变形量,上翼板整个出现正值,但是比较小,呈现出上拱的现象,而下翼板的变形量呈现负值,表现为向下拱的现象,由于距离铣削框槽较远而影响较小,变形的结果主要是焊接残余应力分布不均匀导致的;且随着铣削框槽尺寸的增大,上拱的变形量逐渐减小,下拱的变形量逐渐增大,这主要是由于残余应力的分布不均匀造成变形量分布的复杂性。

图9是不同尺寸铣削加工x向(厚度方向)的变形模拟曲线图,在模拟过程中取上翼板距离焊缝边缘5 mm(路径A-B)和下翼板距离焊缝边缘5 mm(路径C-D)且间隔为20 mm的各个节点作为模拟点,研究铣削加工后x向的变形规律。

从图9中可以看出,铣削变形呈现出相似的变化趋势,两端变形量为正值,中间变形量为负值,即表现为两端翘起中间内凹的现象。随着铣削框槽尺寸的增大,两端的变形量的正值有所减小,中间铣削框槽附近变形量的值也逐渐减小;还可以看出,后焊接区域变形量大于起始焊接区域,上翼板变形量大于下翼板变形量,与前面变形云图分析基本相同,变形量变化规律与应力变化规律相吻合。可能原因是焊接残余应力在铣削加工过程中释放和重新分布随着铣削框槽尺寸的增大而表现出规律的变化趋势,最终导致变形量逐渐减小。

3 小结

1) 建立了焊接试验件铣削加工的有限元模型,模拟了不同焊接工艺参数下的焊接残余应力分布情况,获得了最小焊接残余应力,提取该最小焊接残余应力作为初始应力施加到模型中,进行铣削加工数值模拟。

2) 运用ANSYS模拟了铣削加工残余应力重新分布的变化规律。结果表明:铣削加工后的车架两端纵向和横向残余应力主要表现为残余压应力,而焊缝区域则表现为残余拉应力;随着铣削框槽尺寸的增加,纵向残余应力变化幅度很大,横向残余应力变化小,纵向残余拉应力降低,残余压应力升高,横向残余拉应力升高,残余压应力降低。可见,铣削加工对纵向残余应力影响较大,对横向残余应力影响较小。

3) 运用ANSYS模拟了残余应力的变化引起焊接试验件变形规律。结果表明:铣削加工后整个车架在x方向呈现两端翘起,中间内凹的现象;随着铣削框槽尺寸的增加,x方向上变形量的最大值逐渐减小,并且框槽附近变形量亦减小。y方向呈现出上翼板上拱,下翼板下拱的现象,且随着铣削框槽尺寸的增大,上拱量减小,下拱量增大。

摘要：焊接过程会产生残余应力,铣削加工后焊接残余应力释放和重新分布对铣削变形产生很大影响。为了研究残余应力释放和重新分布规律,采用有限元方法以最小焊接残余应力作为初始应力对铣削加工进行了数值模拟,获得了焊接试验件铣削加工残余应力和变形,并对焊接残余应力释放和重新分布以及加工变形进行了分析。

关键词：重型运输车车车架,铣削,残余应力,加工变形

参考文献

[1]王立涛.关于航空框类结构件铣削加工残余应力和变形机理研究[D].杭州:浙江大学,2003.

[2]郭魂.航空多框整体结构件铣削变形机理与预测分析研究[D].南京:南京航空航天大学,2005.

[3]王运巧,梅中义,范玉青.航空薄壁结构件加工变形控制研究[J].现代制造工程,2005,(1):31-33.

[4]武凯,何宁,姜澄宇,等.有限元技术在航空薄壁件立铣变形中的应用[J].应用科学学报,2003,21(1):68-72.

[5]王志刚,何宁,张兵.航空薄壁零件加工变形的有限元分析[J].航空精密制造技术,2000,36(6):7-12.

焊接残余变形 篇2

关键词 焊接残余应力；因素；控制

中图分类号 TU 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)011-0188-01

钢结构焊接是局部被高温加热、熔化，加热区域受热膨胀，随后连续冷却收缩凝固的过程。过程中焊件存在应力场、温度场和变形场及显微组织状态场的变化，且相互影响。当产生的热应力、相变应力、超过材料屈服极限时，在焊缝及近焊缝区产生拉应力和母材的压应力在数值上达到自身平衡时的应力状态，称为焊接残余应力。焊接残余应力沿焊缝横向、纵向及板材厚度方向分布，对钢结构的刚度、稳定性、疲劳性能产生影响。

1 焊接残余应力的影响因素

1）焊接热源。焊接时对焊件进行局部加热，热源中心温度达1 600 ℃以上，焊件上每一点距焊缝的距离不同，其温度在瞬间都在变化，温度场随时改变。且热输入的不均匀性更增加了焊件的溫度梯度，影响焊接残余应力的大小。焊件冷却时一般是在自然条件下进行的，从800 ℃冷却至500 ℃所需的时间t8/5决定热影响区域的金相组织，影响焊接残余应力、应变的大小。

2）焊接材料。母材的熔化温度Tm高时引起高的焊接残余应力。线膨胀系数a、弹性模量E、屈服强度σS随温度变化，影响焊接残余应力的大小。不同的母材其变化的总体规律是：高温条件下线膨胀系数α随温度的增加而呈线性增加；屈服强度σS、弹性模量E根据母材的不同在不同的温度区间呈曲线或直线下降。

3）相变时比容变化。钢材加热及冷却发生相变引起比容及性能的变化。一般情况下钢材由奥氏体转变为铁素体、珠光体的温度在700 ℃以上，不影响残余应力。但随着冷却速度的加快或合金及碳元素的增加，在低温下发生γ-α相变，体积膨胀，产生压缩焊接残余应力。

4）焊接参数。正常焊接条件下，在保持焊接电流不变的情况下，提高焊接速度，焊接温度场变细长，温度梯度增加，焊接残余应力增大；在保持焊接速度不变的情况下，增大焊接电流，焊接温度场变长且宽，温度梯度增加，焊接残余应力增大。

2 焊接残余应力的控制

1）焊接方法。焊接热输入分为瞬时输入热量和连续输入热流量。相同的热输入，不同的焊接方法，产生的热源特征值，温度场分布、温度梯度不同。熔化极电弧焊中埋弧焊热输入最高，手工焊居中，气体保护焊热输入最小。过高的热输入产生过高的焊接残余应力，最佳焊接线能量E可通过钢材的CCT图确定t8/5max和t8/5min后，再根据钢材的不同采用不同的经验计算式估算。如：Q345（C）t8/5= KEn/B（T-T0）2[1+2л-1tg-1（h-h0）/d]（式中：K系数、B接头系数、n焊接能量系数、T冷却区间温度特征值、T0焊接初始温度、h板厚、h0板厚补偿、d板厚修正系数）。

2）焊接电流、电压、速度。线能量与三者的关系式：E（J/CM）=60I（A）U（V）/V（cm/s）。常用焊接方法减少对焊接残余应力影响的参数选择因素：手工电弧焊电流经验估算式为I（A）=（30～50）焊条直径，电流数值大则焊缝熔深大，热影响区域大，太小则不易起弧。电压与弧长匹配，弧长为焊条直径的0.5～1.0倍；埋弧焊焊接电流根据熔深要求选定，焊接电流大时熔深大，热影响区也大。直流反接时，熔深较大，直流正接，熔深浅，交流进行焊接时，熔深处于直流正接与直流反接之间。电压调整时每一焊接电流对应的焊接电压的变化范围不超过10 V。焊接速度大时熔深、熔宽减小，反之则增大；CO2气体保护焊焊接电流大时熔深增加，熔宽加宽，热影响区域加宽。焊接电流过小易产生未焊透。焊接电压增大时熔深减小，熔宽增加。电弧电压与焊接电流匹配，电流大则电压高。短路过渡时电弧电压为16 V～24 V，细颗粒过渡时电弧电压为25 V～45 V。焊接速度半自动焊时一般在15 m/h～40 m/h，自动焊时不超过90 m/h。

3）构件预制。为减小整个结构的焊接残余应力，将焊接结构的构件与组（部件）在工厂预制后，到工地现场安装，通过有效的减少每个构件与组（部件）的焊接残余应力，来减少整个结构的焊接残余应力。

4）焊缝及坡口。减少焊缝数量和避免焊缝集中。横焊缝应交错布置，交错距离至少为板厚的20倍，以避免相同方向上的焊接残余应力叠加。焊缝尺寸不得过大，角焊缝焊脚尺寸K尽可能小，过大时热影响区域增加，太小则不能保证焊缝质量。一般满足hf≥1.5（N较厚构件厚度）及hf≤1.2较薄构件厚度。焊缝厚度应同板厚，角焊缝的焊角高度he不宜超过其所需的静载尺寸，以避免热输入随焊角高度增加而增加。坡口横截面尽可能小，通过减少熔化区来减少焊接残余应力的分布区域。坡口形式按焊接技术规程选择，不同坡口形式截面积按从小到大的排列依次为：I、U、V、K、X。

5）焊接顺序及焊件拘束度。合理的焊接顺序可以减少焊接残余应力。遵循“先焊收缩量大的焊缝，后焊收缩量小的焊缝”及“横向收缩不受拘束”的原则。如：钢板对接可采用分段退焊，厚板焊缝采用分层焊，工字形截面采用跳脚焊等。焊接时使构件不受外界拘束，能够自由收缩，减少拘束应力σr对焊接残余应力的影响。焊件结构形式、自重、冷却过程中其它部位的收缩对焊接产生内拘束，应先焊拘束度大不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度小能自由收缩的焊缝。

6）预热。焊前对构件进行预热，可降低构件冷却速度，延长t8/5时间，减少焊接残余应力的大小和范围。预热温度根据钢的碳当量（CE）的实际含量计算。碳钢和低合金高强度钢的碳当量可采用估算式：CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+Cu/13；预热温度（TP）可采用估算式：TP=210×（CE）-25。当焊接坡口角度及间隙增大，熔敷金属的扩散氢含量高或操作地点温度低于常温（高于0 ℃）时，预热温度提高

15 ℃～50 ℃。

参考文献

[1]卢铁鹰.钢结构.1993,8.

[2]建设部.JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规.中国建筑工业出版社,2003.

[3]中国钢结构协会.建筑钢结构施工手册.中国计划出版社,2002.

焊接残余变形 篇3

焊接变形是焊接时在金属构件中产生不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服限,使局部区域产生的塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态后,在构件内就产生了新的内应力。这种内应力是温度均匀后残存于构件中的,所以称为残余应力,由此产生的焊接变形就称为焊接残余变形[1]。由于焊接变形对产品质量的重要影响,国内专家做了大量工作,如陈建波等[2]运用通用有限元软件ANSYS,建立三维有限元模型,完成了对大型复杂结构多道焊的热弹塑性有限元分析,预测了结构的焊接变形,为控制焊接变形提供了很好的理论依据。曾志斌等[3]结合南京长江第三大桥钢塔的制造,对比已往的经验公式,开展了厚板足尺模型对接焊接变形试验研究。汪建华等[4]应用固有应变有限元的理论和方法预测焊接变形,通过工程成功实例说明,该方法对于预测大型复杂结构焊接变形十分有效。众所周知,焊接过程中产生残余应力可能会降低桥梁的承载能力和疲劳强度,甚至诱发裂纹导致灾难性事故。研究焊接残余应力对桥梁疲劳强度和使用寿命的影响无疑具有非常重要的意义。

1 工程简介

上海闵浦二桥是1座公轨两用一体化双层特大桥,上层为二级公路,双向4车道,下层为双线轻轨(上海轨道交通5号线闵奉段),全长为4.6 km。主桥为独塔双索面双层钢桁架斜拉桥,跨径布置为38.25 m+147 m+251.4 m,是目前国内最大的公轨两用双层斜拉桥,也是世界同类型双层桥梁中跨度最大的。闵浦二桥主桥总体鸟瞰图及标准横断面见图1、图2。桥塔为钢筋混凝土H型桥塔,主梁为钢板桁

结合梁形式,大节间距三角形桁架,箱形截面杆件,全焊接节点,整体节段架设,上、下层桥面为正交异性钢桥面。闵浦二桥主桥采用带加劲肋的箱形弦杆组成大节间距、全焊整体节点连接的钢桁架结构,这是首次在国内使用全焊接整体节点。全焊接整体节点的杆件刚度大、约束度大,对焊后的变形有较大的约束作用,因而会产生较大的约束应力,另外焊接过程中存在较多的残余应力,如果焊接的塑性、韧性差,应力重分布能力弱,细节处理不当,极易产生裂缝,因此需要对主桁结构的整体焊接节点进行试验和非线性有限元研究,以确保结构的安全。

2焊接变形和残余应力的热弹塑性有限元分析

2.1 热弹塑性有限元分析方法

20世纪70年代,日本上田幸雄等首先以有限元为基础,提出了考虑机械性能随温度变化的热弹塑性分析理论,导出了分析所需要的各个表达式,从而可以详细地研究移动热源下的热弹塑性性能及焊接接头的应力、应变过程,使复杂的力学行为分析成为可能。经过近30 a的发展,热弹塑性有限元分析已经成为研究焊接过程最重要的方法,应用热弹塑性有限元方法可以模拟焊接热循环过程中的动态力学行为,模拟结构焊接残余应力和变形的产生过程,探讨各种因素的影响,详尽地掌握焊接残余应力和变形的大小以及分布。应用热弹塑性有限元方法可以获得产生变形的“源”——固有应变;热弹塑性方法由于计算资源和收敛性等方面的限制,目前还不能在大型结构的分析中完全实现。与之相比,固有应变法是一种既能解决大型复杂结构,又比较经济的预测焊接变形方法,有很大的实用意义和发展前途。固有应变法是由残余塑变法发展而来的。残余塑变理论认为焊接加热过程中焊缝和近缝区金属热膨胀受到周围较冷金属的拘束,从而产生压缩塑性应变。冷却过程中该压缩塑性应变被拉伸抵消一部分,但焊后仍残留部分压缩塑性应变,称为残余压缩塑性应变。该应变被认为是产生焊接残余应力和变形的根源,并用来分析和预测焊接残余应力及变形。

采用上海交通大学与日本大阪大学联合开发的固有变形焊接变形分析的专用软件(WSDP)。该软件只要将焊缝的位置和焊缝的截面积(或者焊缝的横向收缩、纵向力和角变形)输入,就可以获得复杂焊接结构中的焊缝的固有变形,并用弹性板单元有限元法计算其焊接变形。

2.2 有限元模型建立

本研究以整体式焊接钢桁梁的上、下弦节点(I型)为对象。上、下弦节点(I型)由节点板(N1)、下翼板(N2)、上翼板(N3)和上翼边板(N3)等组成,所有结构都采用Q345qD钢。上下弦节点(I型)的三维立体模型见图3。

2.3 热弹塑性有限元模型

分别针对I型节点的不同焊接部位进行模拟,对该节点中的对接接头、T形接头和整体结构焊接过程进行了数值模拟。对接接头焊接模型的尺寸为350 mm×270 mm×15 mm;网格划分后,单元数为8 300,节点数为10 285。约束条件:面XOZ上加对称约束UY=0;A点UX=0,UZ=0;B点UX=0,对接接头有限元模型见图4。下弦节点(I型)N2和N1节点板组成的T型接头模型尺寸为350 mm×500 mm×300 mm。为了减少单元数而不影响计算精度,采用了过渡法划分有限元网格,划分网格后的单元数为6 230,节点数为8 023。下弦节点(I型)下翼板N2和节点板N1焊接简化为一个T型接头,同样采用多层焊工艺,下弦节点(I型)的有限元模型见图5。下弦节点(I型)K型接头模型的尺寸为4 000 mm×1 200 mm×2 400 mm;划分网格后的单元数为62 230,节点数为86 023。对于厚板需要使用多层焊工艺,下弦节点(I型)模拟的网格模型见图6。

采用基于固有应变的板单元对上弦节点(I型)和下弦节点(I型)进行焊接变形预测,上弦节点(I型)和下弦节点(I型)的板单元模型如图7所示。

3 有限元分析结果

3.1 热弹塑性有限元分析结果

3.1.1 对接接头焊接过程热弹塑性有限元模拟结果

根据实际工艺,选取对接接头焊接工艺合适参数,对对接接头3层焊接过程进行热弹塑性有限元模拟,得到各焊道加热至焊缝中心时的温度场,并得到焊接后的等效残余应力分布情况显示(见图8),焊接后的变形分布见图9。

从图8中可以看出,厚板多层焊,一般开不对称的双面坡口,采用双面焊接,这样对焊接残余应力有一定的抵消作用,从图8可以看出厚板多层焊的等效残余应力变化情况。从图9中可以看出,对开不对称双面坡口的厚板,进行双面焊接时,可以对焊接变形有一定的抵消作用。综合图8、图9可知,合理的多层焊方案,通过焊接变形和残余应力的相互抵消,可以起到减少焊接变形和残余应力的作用。

3.1.2 T形接头焊接热弹塑性有限元模拟

下弦节点(I型)下翼板N2和节点板N1焊接简化为一个T型接头,同样采用多层焊工艺,选取合适的焊接工艺参数,计算得到各焊道加热至焊缝中心时的温度场,并得到焊接后的残余应力分布情况以及焊接后的变形分布情况(见图10、图11)。

3.1.3 整体结构焊接过程热弹塑性有限元模拟

根据实际工艺,选取对接接头焊接工艺合适参数,对下弦节点(I型)下翼板N2和节点板N1多层焊接热弹塑性有限元模拟,得到焊接时的温度场,并得到焊接后的等效残余应力分布情况(见图12),可以看到图12中所示的焊接残余应力分布是合理的。计算可以得到焊接后的变形分布情况(见图13),通过大量的计算仿真,就可以找到最佳的工艺方案。

3.2上、下弦节点(I型)整体结构装焊后变形的固有应变法预测

上、下弦节点(I型)是一个比较复杂的结构,本研究将上、下弦节点(I型)进行简化,然后,用弹性板单元有限元法分别分析预测焊接变形。采用WSDP就可以获得复杂焊接结构中的焊缝的固有变形,并用弹性板单元有限元法计算其焊接变形。

3.3 控制焊接变形方法

本研究通过热弹塑性有限元分析和固有变形弹性板单元有限元分析,掌握了钢梁焊接变形的一些特征和规律,对制订合理的焊接工艺有一定的参考价值。根据计算结果,提出如下建议,以控制钢桁梁的焊接变形。

1)采用小的热输入量。

研究表明,横向变形以及纵向变形随着焊接热输入参数的增大而增大;角变形随着焊接热输入参数的增大先增大后减小。因此,减少热输入可以减少面内收缩变形,但对于角变形而言,过小的热输入可能对减少角变形没有太大的帮助。由于钢梁结构的焊接变形是以面内收缩变形为主,所以,建议在保证焊接质量和不影响生产周期的情况下,采用小的焊缝热输入。

2)减少接头的焊道数量。

研究表明,在同样的热输入前提下,焊接变形随着焊接道数的增加而增加。因此,建议采用大熔深的焊接方法,如窄间隙焊等,不开坡口,减少焊道数量。在必须开坡口多道焊时,应保证坡口的角度和直线度的偏差。

3)采用适中的焊接速度和焊脚长度。

研究表明,焊接速度和焊脚长度对焊接变形的影响类似于热输入。因此建议采用适中的焊接速度和焊脚长度。

4)注意自重的影响,合理选择支撑点。

研究表明,自重对最终的焊接变形影响非常大,不能忽视。因此,在制订焊接工艺时,必须考虑施焊的位置,并要选择合理的支撑点。

5)合理分配组焊单元,合理组对焊接。

不同的组焊单元以及组焊顺序对最终的焊接变形有很大的影响,合理分配组焊单元和合理组对焊接可以减少焊接变形。通过大量的计算和试验,肯定可以找到最佳的组焊单元和组焊顺序。本研究未优化组焊单元和组焊顺序,这可以作为今后进一步的研究题目。

6)注意波浪变形的控制。

在大板上焊接加强筋时,由于板较薄,焊接加强筋时容易产生失稳的波浪变形,应该引起重视,可以采用加临时补强梁的方式增加板的刚性,抵抗波浪变形。

7)减少重复修补次数。

重复修补焊会加大焊接残余应力分布区域,同时恶化焊接部位的组织和性能,故应尽量减少。

4 结语

1)采用热弹塑性有限元法探讨了上、下弦节点(I型)加工过程中常见熔透焊的焊接变形和残余应力。发现合理的焊接方案,通过焊接变形和残余应力的相互抵消,可以起到减少焊接变形和残余应力的作用。

2)得到了上、下弦节点(I型)的残余应力分布,为进一步分析残余应力对桥梁使用寿命的影响奠定了基础。

3)用固有应变为基础的弹性板单元有限元法实现了上、下弦节点(I型)加工局部以及整体模型的焊接变形预测,计算结果合理、可信。

4)本研究为焊接变形的控制、焊接工艺的优化以及最佳装配焊接工艺的制订提供理论依据。

摘要：以上海闵浦二桥中的典型整体焊接节点为背景,利用热弹塑性有限元法对节点的焊接残余应力进行预测。研究结果显示:合理的多层焊方案,通过焊接变形和残余应力的相互抵消,可以起到减少焊接变形和残余应力的作用;得到了上、下弦节点(I型)的残余应力分布;实现了上下弦节点(I型)加工局部以及整体模型的焊接变形预测;为焊接变形的控制、焊接工艺的优化以及最佳装配焊接工艺的制订提供理论依据。

关键词：钢结构桥梁,焊接变形,残余应力分布,热弹塑性有限元法

参考文献

[1]王振毅,马宏程.常见焊接变形的影响因素及预防措施.科技传播,2010(4下):56-57.

[2]陈建波,罗宇,龙哲.大型复杂结构焊接变形热弹塑性有限元分析.焊接学报,2008,29(4):69-72.

[3]曾志斌,史志强,史永吉.大型钢结构厚板对接焊接变形试验研究.中国铁道科学,2009(3):33-39.

焊接残余变形 篇4

控制焊接残余应力的措施

焊接残余应力的控制可以从设计和工艺两方面来考虑。设计方面, 在保证结构有足够强度的前提下, 应尽量减少焊缝的数量和尺寸, 合理地选择焊接接头形式, 将焊缝布置在最大工作应力区域外等。这里重点介绍从工艺方面控制焊接残余应力的方法:

1. 选择合理的装配焊接顺序

施焊时, 要考虑到焊缝尽可能地收缩, 减少结构的拘束度, 从而降低焊接残余应力。例如, 大型贮罐容器的罐底是由若干块板拼接而成。焊接时焊缝从中间向四周进行, 先焊板与板之间短拼缝, 再焊直通长焊缝。这样能最大限度的让焊缝收缩, 减少焊接残余应力。

2. 选择合理的焊接参数

对需要严格控制焊接残余应力的结构, 焊接时尽可能采用较小的焊接电流和较快的焊接速度, 减少焊件的受热范围, 从而减少焊接残余应力。

3.采用冷焊工艺方法

冷焊就是焊接过程中使整个结构上的温度尽可能均匀, 即要求焊接部位的温度控制低些, 同时在整个结构中所占的范围应尽量小。此外结构的整体温度应高些, 这样使控制焊接区的温度较容易些。采用这种方法, 较能有效地控制由应力引起的焊接裂纹。冷焊操作的工艺要点主要有:⑴采用较小的焊接电流, 焊条电弧焊时采用较小的焊条直径。⑵采用多层多道焊, 每次所焊的焊缝长度要短。每道焊缝焊完后, 温度降到不烫手时再焊下一道。⑶采用加热“减应区”法。加热“减应区”法就是在焊接刚度较大的结构时, 通过加热影响焊接区自由伸缩的部位即所谓的“减应区”, 使之与焊接区的膨胀和收缩协调进行, 起到减少焊接残余应力的作用。采用“减应区”法的关键在于加热部位的选择和加热温度的控制。选择的加热部位应是阻碍焊接区膨胀和收缩的部位。⑷采用反变形法。反变形法实际上就是通过预先留出焊缝所能够自由收缩的余量, 来降低焊接残余应力。⑸锤击法。当焊缝冷却时, 锤击焊缝使焊缝金属产生塑性变形, 使残余应力释放出来。

控制焊接残余应力还有其他的一些方法, 如整体预热法、开应力释放槽法等。在实际生产中, 应根据具体的生产条件来因地制宜地选择合适的方法来控制焊接残余应力。

控制焊接残余变形的措施

焊接变形的控制可从焊接结构设计时考虑;如选择合理的焊缝尺寸和形状, 尽可能地减小焊缝数量, 合理地安排焊缝位置等。这里重点还是从工艺方面介绍控制焊接变形的方法。

1选择合理的焊接装配顺序装配焊接顺序直接影响到焊后的变形, 对控制焊接变形具有重要意义。从结构的刚性来考虑, 采用先装成整体, 然后再焊接, 这样可以减小焊接变形。对于复杂的结构, 一般则是把结构进行适当地分成部件, 分别装配焊接, 然后再拼焊成整体。在这个过程中, 使不对称的焊缝或收缩量较大的焊缝能自由收缩而不影响整体结构。既有利控制焊接变形, 又能扩大作业面, 提高生产效率。

焊接顺序 (包括焊接方向) 对焊接变形的影响也很大。如有许多结构截面对称, 焊缝布置也对称, 焊后却发生了变形, 如果装配工艺是合理的, 则可以认为这种变形就是由于焊接顺序不当所引起的。

2 反变形法

与控制焊接残余应力的反变形法相似。为了抵消 (补偿) 焊接变形, 在焊前装配时, 预先制成与焊接变形方向相反且数值尽量相等的变形, 以达到防止产生残余变形的目的, 这种方法在实际生产中应用较为广泛。

3 刚性固定法

焊前对焊件加刚性约束, 使其在焊接时不能自由变形, 这种控制焊接变形的方法称为刚性固定法。在实际生产中, 对于大批量的生产并具有固定形状的焊接结构, 一般采用专用装焊夹具。采用专用装焊夹具不仅能在焊接时产生刚性固定作用, 同时能符合快速装卸要求, 适应批量生产, 提高生产效率。

根据焊接变形产生的原因, 还可以采用散热法来控制焊接变形。散热法就是采用强迫冷却方法将焊接区的热量散走, 使焊接受热面积大为减少, 从而达到减少变形的目的。散热法不适用于有淬火倾向的钢种, 还可以采用锤击焊缝及周围区域的方法, 对焊缝金属的适当锻延来补偿焊缝金属冷却收缩所产生的变形。

在实际生产中防止和控制焊接变形的方法较多, 在选择时要考虑焊件的材质、结构的形状和尺寸等诸多因素, 以及所采用的控制变形方法的效果等进行综合分析后再做出决定。

摘要：焊接结构中的残余应力与变形降低了结构的承载能力和使用寿命, 也给正常的焊接生产带来一定的困难。采取合理的工艺措施, 最大程度地降低残余应力和变形对焊接结构的影响。

焊接残余变形 篇5

球管焊接节点作为多杆件连接节点，目前已广泛应用于大跨度结构拼接（过渡）节点或交汇节点之中，如网架（壳）结构、空间管桁架等大跨度结构的拼接（交汇）节点，但由于该类节点焊接应力的复杂性及工程本身的特点，传统的研究方法是对该类节点进行大量的承载能力试验，或采用测量法对其性能进行分析[1]。承载能力试验能得到这类节点的极限承载能力，在某一特定的工程应用中非常有效，但成本较高；采用测量法时也受到节点本身的几何尺寸以及焊缝表面等组合因素的影响。

空心球与圆形钢管焊接体间的各点在空间上用数学函数予以简单表述比较困难，同时考虑到空心球与钢管本身的几何特征（两者均为壳体），其空间拓扑关系较复杂，特别是在管与球焊接区域，无法用解析法精确求解。由于管与球均为闭合截面，其直径、球壁厚度等几何尺寸将影响焊接温度分布及热塑性变形，从而影响球和钢管焊接应力与应变场的分布，另外焊接速度与焊接顺序也影响着球和钢管焊接应力与应变场的分布。为弥补传统方法的不足，本文采用数值分析方法对不同管（球）径、球壁厚度、焊接速度、焊接顺序等因素进行了分析对比研究。

1 焊接过程有限元方法[2,3]

焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。随着热源的移动，整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化，同时焊接过程中还存在熔化和相变时的潜热现象，其温度场极不均匀、不稳定。因此，焊接温度场的分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。对于三维热传导问题，其温度场控制方程为

式中，ρ为材料密度；c为材料的质量热容；T为焊接温度场的分布函数；t为传热时间；Q为求解域中的内热源；λ为材料的热导率。

式（1）中，参数ρ、c、λ均随温度变化。

由于焊件各区域温度不同，在其焊接加热与冷却过程中焊件势必产生内应力。由温度不均匀变化所产生的应力平衡方程为

式中，K为总刚度矩阵；Ke为单元刚度矩阵；u为节点位移；Fth为热载荷矢量；Feth为单元热载荷矢量。

2 分析计算模型参数

2．1几何模型参数

本文按JGJ 7-91及JG12-1999规程选择球与杆件进行分析，图1为空心球与钢管焊接示意图，其中α为钢管坡口边与水平方向的夹角，β为焊缝外边与钢管外壁的夹角，本文中α、β均取30°。考虑到工程应用的实际情况，本文共选择了3类空心球（球径为2Rb）、4种杆件（直径为2Rp，长度为tp）及5种球壁厚度tb进行焊接残余应力分析对比（表1），杆件长度为管径长度的3倍。本文为了获得球管焊接残余应力的影响因素，只采用了单钢管与空心球焊接，未列出多钢管相互影响的情况。

mm

注：S、C均表示焊接方法，C表式连续焊接，S表示分段跳焊；-表示未作分析计算。

2．2材料的热物理性能[4?6]

在数值模拟分析时需给定所分析材料的属性参数，所分析问题的物理环境不同，所需设定的参数也有所区别。本文采用ANSYS软件进行焊条电弧焊接模拟分析，分析时所用材料的热物理性质的特征值以及材料的力学性能参数详见表2。焊接相关参数如下：焊接电压U=25V；焊接电流I=180A；焊接速度v=4mm/s；焊接有效系数η=0．75；电弧有效加热半径R=6mm，热源模型为集中热源模型。焊接母材为低碳钢，相当于Q225钢材。

3 焊接残余应力场计算与结果分析

3．1焊接残余应力计算

本文在ANSYS软件基础上，利用软件所提供的内核，编制了温度场与应力场的分析控制计算程序。首先进行焊接温度场模拟计算分析，焊接模拟时采用分段跳焊的方法进行分析，分段数为3大段，焊接间隔长度为1/3弧长，施焊方向为绕钢管轴作顺时针旋转的方向。在获得温度场分布的情况下，将温度作为载荷作用施加于结构件模型中，并施加位移约束，具体实施步骤如单元类型选择、单元划分、温度控制、温度荷载的施加、迭代算法收敛控制等详见文献[1]。通过对上述模型的电算分析得到了在不同参数条件下残余应力的大小与分布情况。

3．2结果分析

由于焊件本身的特点，需要考虑焊件厚度对焊接应力的影响，模拟时采用三维块体单元，而该类单元的内力（或应力）不像杆单元或梁单元那样能直接地输出，所以在后处理时采用了路径映射的办法来分析研究焊缝内部的应力大小与分布。分析时共选取5条路径，分别定义为HF1、HF2、HF3、HF4、HF5，路径在焊缝断面上的相对位置详见图2。图3～图8所示的结果均为分段跳焊结果，图中横坐标为沿焊缝圆周弧线的展开长度l。

3．2．1球径对焊接应力的影响

本文将空心球Φ200mm×8mm及Φ200mm×10mm，Φ250mm×8mm及Φ250mm×10mm，Φ300mm×8mm及Φ300mm×10mm均与单钢管89mm×4mm相匹配并按球径的不同分成三组进行对比分析。图3与图4分别给出了空心球Φ200mm×8mm与单钢管Φ89mm×4mm在最后一次完成热源输入时刻（简称刚焊接完成时刻）且在路径HF1上的von-Mises等效应力及全局坐标系下X、Y、Z三个方向的应力分量图。

(空心球Φ200mm×8mm,钢管Φ89mm×4mm)

计算结果表明，在刚焊接完成时刻且在路径HF1上，不管是等效应力还是X、Y、Z三个方向的应力分量，其分布规律基本是一样的，但其等效应力有所不同，三组焊件在路径HF1上的最大等效应力均达到了200MPa，呈现球径越大等效应力越高的趋势。随着时间的推移，焊缝与球、管逐渐冷却，焊缝的等效应力逐步增大。在刚焊接完成时刻，路径HF1处的等效应力分布区间约为140～204MPa，应力分布区间较宽；而到了常温状态，相应的应力分布区间为205～215MPa，区间较窄，说明相应时刻的应力较刚焊接完成时刻之应力有很大的增幅。在路径HF2上，最大应力随球径增大而逐渐减小，其最大值与最小值之间相差约30%，应力水平大约为100MPa。在焊缝中部的路径HF3上，其最大等效应力均在214MPa左右，相差甚小，且平均应力大约为200～210MPa。路径HF4在焊缝外侧与球连接处，由于焊缝直接与空气接触，对流与辐射均较大，温度降低速度较快，出现比较明显的高峰应力状态。路径HF5与HF1一样，都在焊缝与管连接处，其应力水平均较高，其平均值均约为180MPa，且最高应力随球径的增大而减小。X、Y、Z三个方向的应力分量中，路径HF4上三个方向应力中有70%左右的区域处于三向拉应力状态。

从上述分析可知：在一定的焊接速度下，球径的不同对焊缝残余应力大小的影响程度主要反映在焊缝厚度方向，焊缝内侧靠近管端处的等效应力随球径的增大而增大，但其应力变化不明显，与球相接处的等效应力表现为随球径增大而减小，其余部位的影响不明显。同时钢管与焊接相交处外侧存在明显的三向拉应力状态，不易变形。

3．2．2球壁厚度对焊接应力的影响

本文以球壁厚度为研究对象，球径不变，按以下三种类型的球壁厚度焊接件进行对比分析：(1)空心球Φ250mm×8mm；(2)空心球Φ250mm×10mm；(3)空心球Φ250mm×12mm。它们均与钢管Φ89mm×4mm匹配焊接。图5与图6分别给出了空心球Φ250mm×8mm与钢管Φ89mm×4mm在焊接完后冷却到常温时刻且在路径HF1上的von-Mises等效应力及X、Y、Z三个方向的应力分量图。

(空心球Φ250mm×8mm,钢管Φ89mm×4mm)

(空心球Φ250mm×8mm,钢管Φ89mm×4mm)

计算结果表明，在刚焊接完成时刻，内侧路径HF1上的等效应力及X、Y、Z三个方向的应力分量分布规律基本上是一样的，在刚焊接完成时刻均达到了比较高的应力水平，约为207MPa，所呈现出的趋势是球壁越厚等效应力越高。三个方向的应力分量的最大值也有相同的变化趋势，三组焊件依球壁厚度增大有2%以上的应力增幅。随着焊件逐渐冷却到常温后，焊缝等效应力逐步增大。在刚焊接完成时刻，内侧路径HF1处的等效应力分布区间约为160～208MPa，应力分布区间较宽，而到了常温状态，相应的应力分布区间为203～219MPa，区间较窄，说明不管球壁厚度为多少，相应时刻的应力较刚焊接完成时刻之应力有很大的增幅。在路径HF2上最大应力随球壁厚度的关系不明显，但其平均应力水平与球壁厚度成反比关系，三组件焊X向的应力水平约分别为100MPa、90MPa、80MPa；Y方向受压应力水平随球壁厚度增大而增大，增大幅度约为10MPa。在焊缝中部的路径HF3上，最大等效应力均在214MPa左右，相差甚小，且平均应力大约为205MPa；同样，其在三个方向的应力水平也相差较小。在路径HF4上，由于焊缝直接与空气接触，对流与辐射均较大，温度降低速度较快，出现比较明显的高峰应力状态，等效应力水平随球壁厚度增大而下降，且大部分的应力水平较低，约为60MPa，其X、Y、Z三个方向的应力分布走势相当接近。路径HF5和HF1一样，其上的应力水平均较高，其平均值约为185MPa，且最高应力随球径增大而增大。

在确定的焊接速度下，球壁厚度对焊缝残余应力大小的影响程度也主要反映在焊缝厚度方向，焊缝内侧的等效应力随球壁厚度增大而增大，但变化不明显，与球相接处的应力则随球壁厚度增大而减小，其余部位的影响不明显。

3．2．3管径对焊接应力的影响

本文以管径为研究对象，球径与球壁厚度不变，按以下三种类型的单钢管管径进行对比分析：(1)钢管89mm×4mm；(2)钢管114mm×4mm；(3)钢管Φ140mm×4mm。它们均与空心球Φ300mm×10mm匹配焊接。图7与图8分别为空心球Φ300mm×10mm与钢管Φ114mm×4mm在焊接完冷却到常温时刻且在路径HF1上的von-Mises等效应力及X、Y、Z三个方向的应力分量图。

计算结果表明，随着管径的增大，焊件的应力状态表现为明显的跳焊特征（应力分布有相对较长的水平段），三组焊接应力在相应路径下的分布形态基本相同。三组焊件在焊缝内侧路径HF1上最大的焊接应力均接近屈服点，分别为217．0MPa、217．5MPa、219．2MPa。所不同的是，随着管径的增大，起落弧处的应力水平有较大的不同，管径越大在焊缝长度方向的应力水平均较小者高。Z轴应力分量随管径增大而增大，三组焊件中大管径Z轴应力峰值为235．5MPa，相当于1．07倍的屈服点应力，而最小管径Z轴应力分量为206．1MPa。在路径HF2、HF3上最大应力随球管径的增大而增大，且其平均应力水平也增大；同样，其在三个方向的应力水平也相差较小，但总的趋势成递增关系。路径HF4上的应力出现比较明显的高峰应力状态，等效应力水平随管径增大而下降；路径HF5与HF1上的应力水平均较高，其平均值均约为165MPa，且最高应力随管径增大而增大。

(空心球Φ300mm×10mm,钢管Φ114mm×4mm)

(空心球Φ300mm×10mm,钢管Φ114mm×4mm)

总之，在确定的焊接速度下，管径对焊缝残余应力的大小影响程度也主要反映在焊缝厚度方向，焊缝内侧等效应力随管径增大而增大，与球相接处应力则随管径增大而减小，其余部位影响不明显。但从整个焊件的等效应力云图看，管径越大，截面进入屈服的部分越大。

4 结论

（1）在其他参数相同条件下，球径的不同对其焊接残余应力的大小与分布均有一定的影响，其影响程度主要反映在焊缝厚度方向，焊缝内侧靠近管端处的等效应力随球径增大而增大，但变化不是很明显，与球相接处的应力则随球径增大而减小。

（2）在其他焊接参数相同情况下，球壁厚度对焊缝残余应力大小的影响程度也主要反映在焊缝厚度方向，焊缝内侧的等效应力随球壁厚度增大而增大，但变化不明显，与球相接处的应力则随球径增大而减小。焊接残余应力的总特征表现为：管轴线方向的应力随球壁厚度增大而增大。

（3）在确定的焊接速度下，管径对焊缝残余应力大小的影响程度也主要反映在焊缝厚度方向，管轴线方向的应力随管径增大而增大。

摘要：利用有限元法对球管焊接节点焊接残余应力的影响因素进行分析研究,获得各影响因素对该节点焊接残余应力的大小及分布情况,结果表明:球径与球壁厚度的增大将降低与球连接处的焊接应力;管径增大时,焊缝的von-Misses等效应力及Z向焊接应力均会增大。

关键词：球管焊接,球管节点,焊接残余应力,影响因素

参考文献

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[7]李冬林.焊接应力和变形的数值模拟研究[D].武汉:武汉理工大学,2003.

钢结构焊接残余应力分析 篇6

1 残余应力的分类

焊接冷却后焊件中仍有未消除的应力, 这些残余在焊件中的应力通常就是大家所说的焊接残余应力。残余应力的方向也是有区别的, 因此才把残余应力分为纵向、横向和沿焊缝厚度方向的残余应力三种。

1.1 纵向焊接残余应力

由于在焊接时出现不均匀受热和冷却的影响, 在进行焊接的过程中会形成温度不同的温度场。温度场不同其膨胀程度也有所不同, 焊缝及其附近的温度高膨胀的也最大, 临边温度较低膨胀小, 相对来说会塑性压缩。等到焊缝冷却后被塑性压缩的区域要比其他区域的长一些, 这就形成了焊缝区的纵向残余应力。

1.2 横向残余应力

形成横向残余应力的原因概括起来一方面是在焊接时焊缝纵向收缩, 钢板向外弯曲形成弓形。焊缝将两块钢板连成一体不分开, 所以在焊缝的中间有了横向拉应力, 在两端有了横向压应力。另一方面, 在对焊缝进行焊接时, 焊接位置不同, 冷却的时间也会有所区别。先焊到的焊缝先冷却下来, 具有一定的强度, 后面的焊缝由于尚未冷却, 冷却下来的焊缝就会组织后来焊缝的横向自由膨胀, 发生横向塑性压缩变形。焊缝的横向残余应力和横向应力、施焊方向、先后次序密切相关, 所产生的横向残余应力就是在横向拉应力和横向压应力共同作用的结果。

1.3 沿焊缝厚度方向的残余应力

如果钢结构比较厚, 要采用多层施焊的焊接方式。所以焊接时除了存在横向残余应力和纵向残余应力外, 沿焊缝厚度方向还存在着一种残余应力。这样会降低钢结构连接的塑形, 进而导致钢结构发生脆性破坏, 影响结构性能和工程质量。

除此之外, 残余应力不单单指这三种力, 如果焊件处在约束状态, 如焊件被固定或是汉奸本身刚度就比较大的情况下进行施焊, 焊边残余应力由于不能自由伸缩变形, 残余应力就会增加, 且依照约束程度的强弱残余应力也会发生相应变化。

2 产生残余应力的原因分析

2.1 直接应力

焊接时不均匀的加热和冷却作用形成了温度梯度, 是产生残余应力的最主要的因素, 因此有必要对温度梯度对残余应力的影响做进一步的分析。在进行施焊时如果各部分受热不均匀, 其热膨胀的位置也就不同, 各部位之间相互制约就会形成热应力。在冷却的过程当中各部分的冷却时间不一致, 热应力同样会发生变化。

2.2 间接应力

间接应力主要指焊前加工状态时受到的压力, 此外如果焊接受到外界条件的制约而产生的附加力也属于间接应力。加工时的应力主要是焊件在焊接前需要经过轧制或拉拔, 所以会产生间接应力。间接残余应力有时不是孤立存在的, 在某些特定场合下会叠加到焊接残余应力上形成合力, 对日后焊接变形也会产生一定的影响, 不过这种影响不是很明显。

2.3 组织应力

通常情况下组织应力因含碳量和材料其它成分不同而有所区别, 因此需要考虑发生相变的温度和平均冷却速度对组织应力的影响。

3 Dat降低残余应力的措施

我们都知道, 要想完全消除残余应力是不可能的, 但我们可以通过一些举措来降低残余应力。为了提高钢结构的整个承载力和增强钢结构的安全性能, 我们可以消除残余应力的集中和叠加问题, 把应力均匀分布开来。

3.1 振动时效法

长期的焊接实践经验表明, 振动时效法对于降低焊接残余应力的作用非常明显, 具体表现在它不受钢结构尺寸、形状、重量等因素的制约, 具有周期短、效率高和无污染的很多优势。因此可以选择有效的振型, 对钢结构关键部位施加适度应力, 振动时可以降低和均化残余应力, 能够有效保证钢结构的稳定性。而且在环状钢结构中, 振动时效法还可以稳定构件行为尺寸, 并且效果极好。

3.2 采取合理的焊接顺序

焊接顺序应遵循先焊中间后焊四周的方法进行施焊, 这样可以使焊缝从中间向四周一次进行收缩。如果平面上出现交叉焊缝, 应该重点留意交叉处的焊接质量。若是靠近纵向焊缝的横向焊缝处出现未焊透的情况, 且未焊透的位置正好在纵焊缝的拉伸应力场中, 就会形成三向应力。

3.3 间断焊接法

间断焊接法可以使焊接区附件的金属长期处于冷却状态, 减低了钢结构的热度, 减小了焊接应力。方法是根据钢结构的具体情况间歇性的进行焊接工作。比如在对铸铁进行电弧冷焊时, 每次把一段很短的焊缝焊接完毕后, 稍微停留一段时间再焊接下一段。

3.4 减小焊缝尺寸

设计要求, 在深化设计的过程当中, 应充分考虑局部加热循环二引起的焊接内应力, 消除焊缝越大越安全的错误观念。施焊过程中要控制好焊缝尺寸和余高, 优化焊缝尺寸, 控制好焊缝坡口, 并且尽量采用双面坡口。

3.5 减小焊接拘束度

焊接时构件受到的约束力越大其焊接应力就越大, 钢结构的质量会受到影响。所以在焊接时应尽量保证焊缝处受到尽量小的约束力。例如遇到长构件的焊接时, 可以拼接板条, 十七在自由状态下施焊, 千万不可等到组装时再施焊。按照施工工艺应现将其进行拼接, 再进行组装焊接。如果组装完毕后再进行施焊, 其各个部位都无法自有收缩, 约束力会大大增加, 残余应力也会相应增加。

3.6 对构件进行分解施工

常体积较大, 焊接起来相对复杂, 可以把大型钢结构分成若干部分分别进行焊接。等到焊接结束校正合格后再进行总装焊接工作。

3.7 补偿加热法

采用焊前预热的方法, 可以减少焊接热输入的流失, 避免焊缝在焊接时产生裂缝。即当板厚比较厚时, 就需要采取一定的措施来完成焊接任务。通常情况下可以对焊缝周围的一些区域进行加热, 加热的温度根据板的厚度和木材碳当量的情况来确定。某条焊缝经过预热进行施焊时, 焊缝区域的温度相对比较高, 随着焊缝焊接工作的开展, 该部分区域必然会发生热胀冷缩的自然现象, 但是该区域仅占整个工作面的一小部分, 另外, 一部分母材处于常温状态或是冷却状态, 会对焊接的那部分区域产生很大的约束力, 从而形成很大的应力, 严重时还会产生裂纹。如果这时能够在焊缝区域的对称位置进行加热, 把温度控制在略微高于预热温度的范围内, 并且在焊接的整个过程当中都持续进行加热工作, 就会大大改善应力较大的状况, 钢结构的变形问题也会大大改善, 保证了钢结构的美观外形和质量。

4 结束语

综上所述, 焊接残余应力对钢结构的使用性能和工程质量是一个很大的制约因素, 采取有效的措施把残余应力降至最小是笔者的初衷。在本文中对于钢结构焊接残余应力的分析如有不妥之处, 还望读者能够给予更好的建议。

参考文献

[1]商广泰, 蒋凤昌.钢结构焊接残余应力的ANSYS分析.广东建材, 2005 (2) :54~55.

浅析焊接残余应力的控制与消除 篇7

1 焊接应力产生的原因

产生焊接应力的因素很多, 其中最根本的原因是焊件受热不均匀, 其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件的刚度不同所致。另外, 焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力也有一定的影响。

(1) 焊件的不均匀受热。对构件进行不均匀加热, 在加热过程中, 只要温度高于材料屈服点的温度, 构件就会产生压缩塑性变形, 冷却后, 构件必然有残余应力。冷却时压缩塑性变形区主要收缩, 如果这种收缩能充分进行, 则焊接残余变形大, 焊接残余应力小;若这种收缩不能充分进行, 则焊接残余变形小而焊接残余应力大。

(2) 焊缝金属的收缩。当焊缝金属冷却、由液态转为固态时, 其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的, 因此, 焊缝金属并不能自由收缩。这将引起整个焊件的变形, 同时在焊缝中引起残余应力。另外, 一条焊缝是逐步形成的, 焊缝中先结晶的部分要阻止后结晶部分的收缩, 由此也会产生焊接应力。

(3) 焊件的刚性与拘束焊件的刚性与拘束对焊接应力和变形也有较大的影响。刚性是指焊件抵抗变形的能力;而拘束是焊件周围物体对焊件变形的约束。刚性是焊件本身的性能, 它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关;而拘束是一种外部条件。焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大, 焊接变形越小, 焊接应力越大;反之, 焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小, 则焊接变形越大, 而焊接应力越小。

此外, 钢在加热及冷却过程中发生相变可得到不同的组织, 这些组织的体积不一样, 由此也会造成焊接应力与变形。

2 焊接残余应力对焊接结构的影响

(1) 对焊接结构强度的影响。没有严重应力集中的焊接结构, 只要材料具有一定的塑性变形能力, 焊接内应力并不影响结构的静载强度。但是, 当材料处于脆性状态时, 拉伸内应力和外载引起的拉应力叠加就有可能使局部区域的应力首先达到断裂强度, 导致结构早期破坏。曾有许多低碳钢和低合金结构钢的焊接结构发生低应力脆断事故, 经大量试验研究表明:在工作温度低于材料脆性临界温度的条件下, 拉伸内应力和严重应力集中的共同作用, 将降低结构的静载强度, 使之在远低于屈服点的外应力作用下就发生脆性断裂。因此, 残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。

(2) 对构件加工尺寸精度的影响。焊件上的内应力在机械加工时, 因一部分金属从焊件上被切除而破坏了它原来的平衡状态, 于是内应力重新分布以达到新的平衡, 同时产生了变形, 使加工精度受到影响。为了保证加工精度, 应对焊件先进行消除应力处理, 再进行机械加工;也可以采用多次分步加工的办法来释放焊件中的残余应力和变形。

焊接残余应力除了对上述的结构强度、加工尺寸精度以及对结构稳定性的影响外, 还对结构的刚度、疲劳强度及应力腐蚀开裂有不同程度的影响。因此, 为了保证焊接结构具有良好的使用性能, 必须设法在焊接过程中减小焊接残余应力, 有些重要的结构, 焊后还必须采取措施消除焊接残余应力。

3 控制焊接残余应力的措施

控制焊接残余应力, 即在焊接结构制造过程中采取一些适当的措施以减小焊接残余应力。一般来说, 可以从设计和工艺两方面着手, 设计焊接结构时, 在不影响结构使用性能的前提下, 应尽量考虑采用减小和改善焊接应力的设计方案;另外, 在制造过程中还要采取一些不要的工艺措施, 以使焊接应力减小到最低程度。

(1) 设计措施。尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。多一条焊缝就多一处内应力源, 过大的焊缝尺寸, 焊接时受热区加大, 使引起残余应力与变形的压缩塑性变形区或变形量增大;避免焊缝过分集中, 焊缝间应保持足够的距离。焊缝过分集中不仅使应力分布更不均匀, 而且还能出现双向或三向复杂的应力状态;采用刚度较小的接头形式。

(2) 工艺措施。 (1) 采用合理的装配焊接顺序和方向。在一个平面上的焊缝, 焊接时应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由;收缩量最大的焊缝应先焊, 因为先焊的焊缝收缩时受阻较小, 因而残余应力就比较小;工作时受力最大的焊缝应先焊。 (2) 预热法。在施焊前, 预先将焊件局部或整体加热到150~650℃。对于焊接或补焊那些淬硬倾向较大的材料的焊件, 以及刚度较大或脆性材料焊件时, 常常采用预热法。 (3) 冷焊法。通过减少焊件受热来减小焊接部位与结构上其他部位间的温度差。具体做法:尽量采用小的焊接热输入施焊, 选用小直径焊条, 小电流、快速焊及多层多道焊。另外, 应用冷焊法时, 环境温度应尽可能高。 (4) 降低焊缝的拘束度。平板上镶板的封闭焊缝焊接时拘束度大, 焊后焊缝纵向和横向拉应力都较大, 极易产生裂纹。为了降低残余应力, 应设法减小封闭焊缝的拘束度。 (5) 加热“减应区”法。焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位 (称“减应区”) , 使之与焊接区同时膨胀和同时收缩, 起到减小焊接残余应力的作用。此方法在铸铁补焊中应用最多, 也最有效。此方法成败的关键在于正确选择加热部位, 选择的原则是:只加热阻碍焊接区膨胀或收缩的部位。

4 消除焊接残余应力的方法

虽然在结构设计时考虑了焊接残余应力的问题, 在工艺上也采取了一定的措施来防止或减小焊接残余应力, 但由于焊接应力的复杂性, 结构焊接完以后仍然可能存在较大的焊接残余应力。另外, 有些结构在装配过程中还可能产生新的残余应力, 这些焊接残余应力及装配应力都会影响结构的使用性能。

热处理法是利用材料在高温下屈服点下降和蠕变现象来达到松弛焊接残余应力的目的, 同时热处理还可以改善焊接接头的性能。生产中常用的热处理法有整体热处理好和局部热处理两种。

(1) 整体热处理。是将整个构件缓慢加热到一定的温度 (低碳钢为650℃) , 并在该温度下保温一定的时间 (一般按每毫米板厚2~4min, 但总时间不少于30min) , 然后空冷或随炉冷却。整体热处理消除焊接残余应力的效果取决于加热温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和加热范围。一般可消除60﹪~90﹪的焊接残余应力, 在生产中应用比较广泛。

(2) 局部热处理。对于某些不允许或不可能进行整体热处理的焊接结构, 可采用局部加热处理。局部热处理就是将构件焊缝周围局部应力很大的区域及其周围, 缓慢加热到一定温度后保温, 然后缓慢冷却。其消除应力的效果不如整体热处理, 它只能降低焊接残余应力峰值, 不能完全消除焊接残余应力。对于一些大型筒形容器的组装环缝和一些重要管道等, 常采用局部热处理来降低结构的焊接残余应力。

(1) 机械拉伸法。机械拉伸法是采用不同方式在构件上施加一定的拉应力, 使焊缝及其附近产生拉伸塑性变形, 与焊接时在焊缝及其附近所产生的压缩塑性变形相互抵消一部分, 达到松弛焊接残余应力的目的。实践证明, 拉伸载荷加得越高, 压缩塑性变形量就抵消得越多, 残余应力消除得越彻底。在压力容器制造的最后阶段, 通常要进行水压试验, 其目的之一也是利用加载来消除部分残余应力。

温差拉伸法:其基本原理与机械拉伸法相同, 其不同点是机械拉伸法是采用外力进行拉伸, 而温差拉伸法是采用局部加热形成的温差来拉伸压缩塑性变形区。如果加热温度和加热范围选择适当, 消除焊接残应力的效果可达50﹪~70﹪。

锤击焊缝:在焊后用锤子或一定直径的半球形风锤锤击焊缝, 可使焊缝金属产生延伸变形, 能抵消一部分压缩塑性变形, 起到减小焊接残余应力的作用。锤击时应注意施力适度, 以免施力过大而产生裂纹。

(2) 振动法。振动法又称振动时效或振动消除应力法。它是利用由偏心轮和变速电动机组成的激振器, 使结构发生共振所产生的循环应力来降低内应力。其效果取决于激振器、焊件支点位置、激振频率和时间。振动法所用设备简单、廉价, 节省能源, 处理费用低, 时间短, 也没有高温回火时的金属表面氧化等问题。故目前在焊件、铸件、锻件中, 为了提高尺寸稳定性多采用此方法。

总之, 机械零件种类较多, 所受载荷和工件条件各不相同, 对各类零件机械性能要求也不同。在焊修前, 必须对该零件的材料、工作条件、机械性能、热处理等方面有明确的了解, 正确安排焊接工艺, 采取有利措施, 以获得最好焊接效果, 达到整个焊件的焊接质量要求。所以, 为了保证焊接结构具有良好的使用性能, 必须设法在焊接过程中减小焊接残余应力, 对于有些重要的结构, 焊后还必须采取恰当的措施消除焊接残余应力。

摘要：文章通过分析焊接残余应力产生的原因及其对焊接结构产生的影响, 提出了控制焊接残余应力的措施及消除焊接残余应力的方法, 明确了控制与消除焊接残余应力对焊接构件的重要性。

关键词：焊接残余应力,影响,控制,消除

参考文献

[1]宁永福.焊接结构制造[M].北京:机械工业出版社, 1996.

[2]邢晓林.焊接结构生产[M].北京:化学工业出版社, 2002.

[3]伍广.焊接工艺.[M].北京:化学工业出版社, 2009.

[4]刘会杰.焊接冶金与焊接性[M].北京:机械工业出版社, 2007.

浅谈水电站焊接残余应力分析 篇8

1 工程概况

某水电站的压力钢管设计者综合考虑结构应力分布、抗外压稳定性、制作卷板能力、焊接工艺和经济性等, 采用一种高强度钢板制造。手工焊焊条和自动焊焊丝采用与母材相匹配、能够满足焊接质量要求的国产和进口牌号。主管和支管管节经调压井整体吊装入洞就位, 然后对接施焊;而岔管由于管径太大, 只能将成型的的瓦片吊装入洞, 现场组装焊接。安装难度大, 焊接工艺复杂。在对水电站压力钢管进行残余应力测试之前, 焊接工作已经完成了一段时间。采用X-350A型X射线应力测定仪, 运用侧倾固定Ψ法对某水电站的某一岔管进行测试后, 对其结果进行分析。

2 测试结果

分别对月牙肋下部拼缝、管节纵缝处、管节相交汇处的直角焊缝的焊接残余应力进行测试, 在三个选区内, 横跨焊缝和热影响区, 选取宽约25mm、长约100mm的带状区域, 用砂轮除去焊缝加强高, 再用粗细砂布逐级打磨整个区域, 最后用电解抛光的办法去除砂磨造成的附加应力层。抛光电压15V, 电流8A, 抛光笔接触面积3cm2。

电解抛光以后, 沿垂直于焊缝方向分划测试点。取焊缝宽度的中心作为数轴原点, 记作“0”;然后每10mm或5mm取一点, 并以该点至焊缝中心的距离作为标号;向左为负, 向右为正。测试结果如下:

2.1 月牙肋下部拼缝焊接残余应力分布 (如图1)

这里看到了两条走向相似曲线。因为此区处于焊缝中部, 垂直和平行于焊缝方向上拘束条件相似而不相等, 残余应力消长趋势一致是可以解释的。-10mm处为最后一道焊缝, 残余应力达到峰值。20mm处因存在微小的“咬边”缺陷, 故此点应力值异常, 曲线出现奇异点。

2.2 管节纵缝焊接残余应力 (如图2)

这里看到两条有相对变化趋势的应力分布曲线。对于巨大直径的管节纵缝而言, 垂直和平行于焊缝方向上拘束条件相差很大, 可以想象垂直焊缝方向的应力起主导作用;当该方向产生拉应力时, 与之相垂直的方向上出现压应力应当是可以理解的。由于多层、多道焊接残余应力变化的复杂性和一定的积累效应, 在熔合线上产生较大拉应力的事实是客观存在的。

2.3 管节相交汇处的直角焊缝 (如图3)

根据专家的理论计算和实测经验, 岔管最大残余应力一般位于外侧而不在管内;而在管内, 最大应力所在, 或者说, 最为关注的位置在于月牙肋与岔管管节相交汇处的直角焊缝。

3 焊接残余应力分析

3.1 月牙肋下部拼缝残余应力分析

可能因为钢板厚, 刚性大, 自然时效作用不明显, 也没有外来影响等因素, 焊接残余应力分布接近典型的分布形态, 而且在垂直于焊缝方向上, 拉应力值还比较大。

3.2 管节纵缝残余应力分析

由于处于管道中部, 从结构上分析, 刚性相对较低, 自然时效和管外的填埋灌注会有一定效果, 所以未测到很高的残余应力值。不过因为是多道多层焊接的关系, 应力分布的无规则起伏还依然存在。

3.3 管节相交汇处的直角焊缝残余应力分析

由于处于岔管顶部环缝, 而且靠近月牙肋, 从焊接操作来说, 此处属仰焊。测量结果表明此处在垂直和平行于焊缝两个方向都是拉应力, 而且应力水平比较高, 这是与前两个区明显不同之处。可以设想, 这个特点与该两个选区所处的上述特殊位置不无关系。我们无法详细了解环缝和月牙肋的焊接顺序, 但是月牙肋给这里的环缝造成较为强健的拘束条件是无疑的, 所以平行于焊缝方向上就会与别处应力值有正有负的情况不同, 全然呈现拉应力。另外, 可以看到垂直和平行于焊缝两个方向上, 都在热影响区出现拉应力峰值。这种情况在以往测试压力容器筒体环焊缝应力时亦常常出现。从焊接金相学来说, 拉应力往往对应于热影响区的再结晶区。在施焊过程中, 热影响区一开始出现的是压应力状态;接着, 由于焊接热能的作用, 使该处发生再结晶, 应力得以消除;而在随后焊缝熔池凝固收缩过程中, 如果有某种拘束条件的作用, 使再结晶区呈现拉应力也是可能的。

4 总结

在今后水电站的长期运行中, 焊接残余应力自然会逐步得以释放, 然而, 残余应力完全消失将是遥遥无期的。但是, 如果在岔管组装焊接过程中未因焊接应力留下延迟裂纹或其它工艺缺陷的话, 那么, 在压力钢管组焊完毕、回填灌注之后, 再因不适当的残余应力发生断裂损坏的可能性几乎不存在。并且采取可行的、有效的措施, 对保障工程质量, 延长工程寿命是具有一定的积极效果的。

参考文献