厚板焊接殘余應(yīng)力分布受焊接順序的影響探析

翟磊

摘 要： 焊接是不均勻加熱和冷卻的過程，其熱過程具有局部性和瞬時性的特點(diǎn)。焊接時接頭區(qū)會發(fā)生不同程度的熱彈塑性變化，焊后將產(chǎn)生不均勻的殘余應(yīng)力。在實(shí)際焊接過程中，由于溫度處于驟熱驟冷狀態(tài)，焊接接頭產(chǎn)生殘余應(yīng)力是較為常見的形態(tài)，當(dāng)殘余應(yīng)力超出所焊接材料屈服極限后，會使焊接結(jié)構(gòu)的有效截面積減少，誘發(fā)脆性斷裂和降低焊接結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度。因此，需要技術(shù)人員給予焊接殘余應(yīng)力必要的關(guān)注，并對其影響因素進(jìn)行深度剖析。本文對焊接順序影響厚板焊接殘余應(yīng)力分布的原因進(jìn)行了簡要分析，并集中闡釋了研究焊接順序影響厚板焊接殘余應(yīng)力的過程，旨在為相關(guān)技術(shù)研究人員提供有價值的參考建議。

關(guān)鍵詞：焊接順序 厚板焊接 殘余應(yīng)力 分布

中圖分類號：TG4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）02-0299-01

一、焊接順序影響厚板焊接殘余應(yīng)力分布的原因

焊接順序會影響焊接結(jié)構(gòu)的溫度場以及焊接變形結(jié)構(gòu)，在焊接工藝開展過程中，相關(guān)技術(shù)人員要結(jié)合實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)耦合參數(shù)，積極應(yīng)用相應(yīng)的管理機(jī)制。對于焊接材料來說，焊接殘余應(yīng)力會導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)冷裂紋，也會導(dǎo)致元件出現(xiàn)疲勞裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋。之所以焊接順序會對應(yīng)力產(chǎn)生影響，追究其原因，主要是由于在實(shí)際焊接過程中，會存在冷熱不均的問題。在焊接過程中相應(yīng)的元件在受熱方面存在不足，就導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布出現(xiàn)安全隱患。

正是基于此，需要相關(guān)技術(shù)人員結(jié)合實(shí)際需求，建構(gòu)更加有效的系統(tǒng)化運(yùn)行模式。而研究殘余應(yīng)力的主要路徑為試驗(yàn)?zāi)M，對被測對象產(chǎn)生一定程度的破壞，且成本較高，多數(shù)研究都選取后者[1]。

二、研究焊接順序影響厚板焊接殘余應(yīng)力的過程

在實(shí)際處理過程中，多數(shù)技術(shù)人員對于退火溫度和反應(yīng)的關(guān)注度都較高，且整體溫度管控水平也非常明顯，待結(jié)構(gòu)冷卻到一定溫度后，則需要對其進(jìn)行再次加工硬化，并在有限元模型建構(gòu)過程中，提高數(shù)據(jù)和具體參數(shù)的完整度。例如，在建立模擬奧氏體不銹鋼厚板多道焊接接頭模型的過程中，要保證焊接試件的整體制造結(jié)構(gòu)符合要求。在焊接完成后，要利用切條的方式對殘余應(yīng)力進(jìn)行集中分析。并且利用機(jī)械研磨的機(jī)制對焊接位置進(jìn)行有效地磨平，以保證1號焊道和4號焊道以及3號焊道和6號焊道能有效的貼合在電阻結(jié)構(gòu)上。利用公式對其橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行系統(tǒng)化分析。其中，縱向殘余應(yīng)力，具體公式為；橫向殘余應(yīng)力，具體公式為。

在模型建立過程中，主要利用的是厚板結(jié)構(gòu)，也就是說，在熱量輸入?yún)?shù)不大的情況下，焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對于模型不會產(chǎn)生過于敏感的效應(yīng)。主要是借助體積熱源對焊接熱輸入值進(jìn)行分析，在對焊接縫局部形狀進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，要對熱源截面形狀進(jìn)行有效的劃分，確保密度體積熱源長度和初始單元長度相同，具體計量數(shù)據(jù)控制在0.53厘米，利用熱流密度公式對熱源進(jìn)行計算，并借助非線性傳熱結(jié)構(gòu)對工件內(nèi)部傳導(dǎo)過程進(jìn)行系統(tǒng)化分析，從而確保工件和外部環(huán)境之間能形成有效的對流和輻射[2]。

另外，目前利用遺傳算法對焊接順序進(jìn)行優(yōu)化，從而合理化分布焊接應(yīng)力的方式也較為常見，通過建立有限元初始模型，利用相關(guān)軟進(jìn)行多作業(yè)選擇機(jī)制，能在踐行熱機(jī)耦合的基礎(chǔ)上對相關(guān)有限元進(jìn)行集中分析，并且生成有效的數(shù)據(jù)文件，指導(dǎo)焊接技術(shù)人員利用最佳焊接順序進(jìn)行焊接操作，一定程度上提高整體運(yùn)行的有效性。不同焊接順序和字符串一一對應(yīng)，通過焊接順序的數(shù)目判斷相應(yīng)的適應(yīng)度參數(shù)結(jié)構(gòu)，從而借助遺傳算子的計算模式提高整體運(yùn)行維度和實(shí)效性。

在進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力計算的過程中，要對彈性應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)化分析，并且保證其關(guān)系遵循胡克定律，熱應(yīng)變數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是依據(jù)膨脹系數(shù)，并對塑性變形進(jìn)行集中計算。例如，在實(shí)際機(jī)構(gòu)建立和計算模型構(gòu)建過程中，由于奧氏體不銹鋼在加工過程中硬化程度較為明顯，需要設(shè)計人員在有限元模型中對其不同硬化結(jié)構(gòu)進(jìn)行效果分析，也要充分考量退火效應(yīng)，并設(shè)定退火溫度為800攝氏度。為了有效避免應(yīng)力計算結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)問題，避免過高預(yù)測焊縫的金屬殘余應(yīng)力，需要對材料以及焊接材料的力學(xué)性能進(jìn)行集中審定，保證殘余應(yīng)力符合標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)系統(tǒng)要求[3]。

二、焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力分布的影響

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由焊接過程中焊件不均勻受熱所產(chǎn)生的。以熔焊法為例，影響殘余應(yīng)力的主要因素體現(xiàn)為，第一，材料熱學(xué)性能和力學(xué)性能的影響。常見金屬材料的熱學(xué)性能在給定的溫度T區(qū)間的平均值。其中熱膨脹系數(shù)α和導(dǎo)熱系數(shù)λ是決定焊接熱應(yīng)力-應(yīng)變的重要參數(shù)。熱膨脹系數(shù)α、導(dǎo)熱系數(shù)λ，比熱容c，密度Q，熱燴S等都是影響焊接溫度分布的主要物理參數(shù)。第二，不同類型焊接熱源的影響。產(chǎn)生焊接應(yīng)力的決定性因素是焊接時的熱輸入。焊接熱源的種類、熱源的變化速度、熱能密度的分布、焊件的形狀與尺寸等都影響著熱源引起的溫度場分布，因而影響著焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。

在建構(gòu)計算模型的過程中，除了要對模型內(nèi)部相關(guān)參數(shù)的精度進(jìn)行分析，也要對焊接順序進(jìn)行集中管控，并利用算式分析焊接順序不同產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布差異。若是沒有添加外部結(jié)構(gòu)，則實(shí)際模擬能有效防治模型在實(shí)際計算過程中出現(xiàn)剛體位移情況。主要是對縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力等數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)化分析，并且確保能對試驗(yàn)值進(jìn)行系統(tǒng)化比較和處理。

在研究焊接順序?qū)χ泻癜鍖雍笟堄鄳?yīng)力影響的過程中，要結(jié)合試驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)據(jù)理論算法，提高對工序的認(rèn)知程度，也要借助相關(guān)模型的模擬對焊接順序進(jìn)行系統(tǒng)化分析和綜合處理，進(jìn)一步對不同焊接順序下橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力支架的關(guān)系進(jìn)行分析，從而確保焊接項(xiàng)目的優(yōu)化運(yùn)行。在計算機(jī)技術(shù)和焊接計算能力不斷發(fā)展的進(jìn)程中，要在提升建模能力的同時，強(qiáng)化分析機(jī)制的有效性，也為焊接項(xiàng)目的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。在研究過程中，建立的有限元數(shù)據(jù)分析和模型在計算多焊道焊接結(jié)構(gòu)的過程中，具有一定的優(yōu)勢，能提升整體檢測和計算精度。若是在焊道結(jié)構(gòu)中，兩條焊道的首尾部位能實(shí)現(xiàn)對接，且焊接位置在焊道中央，則能對橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行較為直觀的區(qū)分，其不會出現(xiàn)明顯的連續(xù)。而在距離試件中央部位一定距離的位置，縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力均會出現(xiàn)在谷底位置，且后焊焊道的縱向殘余應(yīng)力要較之母材料屈服極限高出許多。究其原因，一方面是由于在處理過程中，有效的結(jié)合在加工硬化結(jié)構(gòu)。另一方面，主要是由于焊件本身的結(jié)構(gòu)，內(nèi)拘束力相對較大[4]。

在實(shí)際焊接過程中，模型表面的形狀很重要，焊接殘余應(yīng)力受到焊接順序的影響較大，特別是在橫向殘余應(yīng)力的研究方面，后焊的焊道橫向殘余應(yīng)力的具體參數(shù)比較高。而在出現(xiàn)貫穿焊縫時，除了設(shè)備兩端由于幾何端反應(yīng)導(dǎo)致的應(yīng)力偏低以外，別的區(qū)域結(jié)構(gòu)和殘余應(yīng)力分布流線較為平緩，甚至可以視其為定值。也就是說，中央焊縫結(jié)構(gòu)周圍變化幅度若是有偏大跡象，相較于縱向殘余應(yīng)力，橫向殘余應(yīng)力尤為突出，而在距離中央焊縫一定距離的地方，差異最明顯[5]。

結(jié)束語

綜上所述，在焊接過程中，要綜合多方面因素，提高焊接水平和焊接質(zhì)量。第一，在對厚板多道焊縫的橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行分析的過程中，基本計算模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^為相似，從側(cè)面證明了計算系統(tǒng)以及具體模型建立的有效性。第二，在首尾相接的焊縫結(jié)構(gòu)中，不連續(xù)現(xiàn)象非常明顯，而對于焊道，先焊焊道的實(shí)際殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)較后焊焊道的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)更高。第三，焊接順序不僅僅會導(dǎo)致殘余應(yīng)力沿著焊縫進(jìn)行不均勻布置，也會在后焊過程中出現(xiàn)殘余應(yīng)力峰值[6]。若是利用連續(xù)焊接，縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分布較為平緩。

參考文獻(xiàn)

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