對(duì)Q345鋼板焊接應(yīng)力與變形的分析

張露 張屹 陸 袁有錄

三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院（443002）

對(duì)Q345鋼板焊接應(yīng)力與變形的分析

三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院（443002）

針對(duì)大型升船機(jī)承船廂板焊后應(yīng)力與變形問(wèn)題，分析了焊接殘余應(yīng)力、變形，提出了減少焊接殘余應(yīng)力、變形的措施，為實(shí)際生產(chǎn)中控制殘余應(yīng)力、變形提供了有益的指導(dǎo)。

彈熱彈塑性分析；殘余應(yīng)力；變形；Simufact.Welding

升船機(jī)(shiplift)是一種利用機(jī)械裝置升降船舶用來(lái)提升船舶的通航建筑物。在我國(guó)水利水電樞紐工程建設(shè)中，卷?yè)P(yáng)提升式垂直升船機(jī)在我國(guó)境內(nèi)使用最為廣泛。

升船機(jī)中承船廂施工中存在大量焊接，由于焊接部位受熱不均勻,容易產(chǎn)生不同程度的應(yīng)力變形。而承船廂所承受的載荷為大載荷，因此為了保證整體升船機(jī)安全，對(duì)焊縫接頭研究及其重要。

1 熱源的選擇

由于焊條電弧挺度和熔深小，焊接熱源為運(yùn)動(dòng)的加熱斑，因此，在加熱斑上的熱流分布可以用高斯分布函數(shù)來(lái)表達(dá)。

沿焊接方向，雙橢球熱源模型主要由前半部分和后半分橢球模型構(gòu)成。

2 熱彈塑性理論

熱彈塑性理論主要是探求溫度、力、位移、應(yīng)變和應(yīng)力五者之間的關(guān)系,從而得出焊接過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變的變化過(guò)程,焊后的殘余應(yīng)力和變形狀態(tài)[1]。

3 焊板、焊料屬性

溫度對(duì)焊板、焊料性質(zhì)是有影響的，所以依據(jù)溫度與彈性模量、屈服強(qiáng)度、切變模量的關(guān)系圖取幾個(gè)具有代表性的值來(lái)反映溫度對(duì)焊板、焊料性質(zhì)的影響。

4 夾具設(shè)置及網(wǎng)格劃分

為了模擬的真實(shí)性，左焊板的兩側(cè)分別有兩個(gè)夾具，設(shè)置的夾持力為1 000 N，使左焊板固定。右焊板的兩側(cè)分別有兩個(gè)夾具，設(shè)置的夾持力也為1 000 N,使右焊板固定。設(shè)置夾具保證了焊接的穩(wěn)定性。實(shí)際上，軟件可自動(dòng)判斷接觸面的節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行加持力的施加，避免了煩瑣的選取節(jié)點(diǎn)再賦值等操作，達(dá)到了同樣的效果。此模型共設(shè)置了四個(gè)夾具。

焊板1、2的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為5 002，單元個(gè)數(shù)為3 540，網(wǎng)格大小2 mm。軟件是自動(dòng)根據(jù)焊板的網(wǎng)格大小來(lái)劃分焊料的網(wǎng)格。軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格的焊料節(jié)點(diǎn)數(shù)為841，單元數(shù)為560。

5 結(jié)果分析

5.1 溫度變化及熱影響區(qū)情況

在焊接過(guò)程中,各追蹤點(diǎn)溫度變化不均勻。在開始階段,溫度升降急劇,隨后漸趨平緩,最后都降至室溫。靠近焊縫區(qū)域溫度變化比較快，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域則變化比較慢。加熱溫度太高會(huì)影響晶粒的大小，溫度越高，晶粒越大，會(huì)造成晶粒脆化，容易形成較大的焊接應(yīng)力[1]。

5.2 焊接殘余應(yīng)力分析

當(dāng)焊接結(jié)束時(shí)，加熱的金屬受熱時(shí)會(huì)受到壓縮和塑性變形，所以最終的長(zhǎng)度比未加熱的金屬的長(zhǎng)度短，但是由于周邊金屬又會(huì)阻礙其收縮，因此，在加熱的焊縫金屬上會(huì)形成拉伸應(yīng)力，在周圍的金屬中會(huì)形成壓應(yīng)力[2]。

殘余應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度、剛度、對(duì)受壓焊件穩(wěn)定、加工精度、尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性都有影響。為了消除和減小焊接殘余應(yīng)力，應(yīng)用以下四種方法進(jìn)行解決：

在局部可以稍微加熱，焊接時(shí)應(yīng)降低焊件的剛度，使金屬變?nèi)彳?，減少殘余應(yīng)力；

收縮量大的焊縫優(yōu)先焊接；

采用機(jī)械拉伸法（預(yù)加載法）消除或調(diào)整；

進(jìn)行整體消除應(yīng)力的熱處理。

5.3 焊接變形分析

在冷卻的過(guò)程中，發(fā)生壓縮變形的材料（焊縫周圍的材料）受到各種制約，不能自由收縮，在某種程度上又被拉伸而卸載。同時(shí)，熔池會(huì)因溫度降低而凝固，金屬會(huì)收縮會(huì)產(chǎn)生變形，因此總變形開始減小一直達(dá)到穩(wěn)定值。

焊接變形控制在焊接前是必須考慮的一個(gè)問(wèn)題。針對(duì)升船機(jī)樣件焊接變形這一問(wèn)題，提出了如下四種解決方案：

控制工件變形、工件剛度和高彎曲模量是控制焊接變形的有效方法；使焊縫處于自然狀態(tài)，大拘束減少，錯(cuò)開的短焊縫優(yōu)先進(jìn)行焊接，后焊長(zhǎng)焊縫，同時(shí)從中間部位向兩端進(jìn)行焊接；簡(jiǎn)單的反變形可以解決焊接過(guò)程中的變形；采用輔助支架控制變形，焊接件固定在焊接平臺(tái)上，控制變形。

6 總結(jié)

本研究是基于Simufact.welding對(duì)亭子口承船廂焊接樣件應(yīng)力及變形進(jìn)行有限元分析，對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，將殘余應(yīng)力仿真值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果大致吻合，并針對(duì)殘余應(yīng)力與變形提出相對(duì)應(yīng)的措施來(lái)避免大殘余應(yīng)力與大變形產(chǎn)生，保證承船廂整體的安全。

[1]黃明,張建,胡忠健.基于Simufact的油菜播種機(jī)懸掛架焊接仿真[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014(3).：528-532.

[2]高耀東,何建霞,喬云芳,.焊接過(guò)程有限元分析[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010(6)：1007-1009.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（71501110）