焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

相雅彬 張玉琪

（中石化河南油建工程有限公司，河南 南陽(yáng) 473000）

對(duì)于熔化式焊接工作而言，焊縫位置以及熱影響區(qū)存在一定的殘余應(yīng)力影響，促使焊接構(gòu)件出現(xiàn)變形、開(kāi)裂等現(xiàn)象問(wèn)題，嚴(yán)重降低了構(gòu)件自身的承載力。從焊縫的焊趾部位來(lái)看，受到焊接變形的影響，一般多會(huì)出現(xiàn)凹坑、咬邊等現(xiàn)象問(wèn)題。而焊趾位置存在的熔渣缺陷問(wèn)題以及微裂紋問(wèn)題又給裂紋的出現(xiàn)提供了實(shí)現(xiàn)可能。受到上述應(yīng)力問(wèn)題的集中影響，焊接接頭的疲勞壽命會(huì)急劇降低。長(zhǎng)此以往，焊接變形問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，并導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題明顯、尺寸精度嚴(yán)重下降問(wèn)題等，繼而引發(fā)焊接結(jié)構(gòu)失效。

一、焊接變形的定義

物體在外力或溫度等因素的作用下，其形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化稱(chēng)為物體的變形。由焊接而引起的焊件尺寸的改變稱(chēng)為焊接變形。

二、焊接變形產(chǎn)生的原因

產(chǎn)生焊接變形的因素很多，其中最根本的原因是焊件受熱不均勻，其次是由于焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件的剛度不同所致，下面著重介紹影響焊接變形的因素。

（一）焊件的不均勻受熱

金屬的焊接是一個(gè)局部的加熱過(guò)程，焊件上的溫度分布極不均勻。在焊接過(guò)程中，由于不均勻加熱，使焊縫和母材的受熱部位在膨脹和冷卻收縮時(shí)受到約束，最終導(dǎo)致焊后產(chǎn)生縱向和橫向變形。

（二）焊縫金屬的收縮

當(dāng)焊縫金屬冷卻、由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時(shí)，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮，這將引起整個(gè)焊件的變形。

（三）金屬組織的變化

鋼在加熱及冷卻過(guò)程中發(fā)生相變可得到不同的組織，這些組織的比體積不一樣，由此也會(huì)造成焊接變形。

（四）焊件的剛性和拘束

剛性是指焊件抵抗變形的能力，而拘束是焊件周?chē)矬w對(duì)焊件變形的約束。焊件自身的剛性及受周?chē)木惺潭仍酱?，焊接變形越??；反之，焊件自身的剛性及受周?chē)木惺潭仍叫。瑒t焊接變形越大。

三、影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素和變形的種類(lèi)

（一）影響焊接結(jié)構(gòu)變形的主要因素

a．焊縫在結(jié)構(gòu)中的位置；b．結(jié)構(gòu)剛性的大??；c．裝配和焊接順序；d．焊接規(guī)范的選擇。

（二）焊接變形的種類(lèi)

a．縱向收縮和橫向收縮(在焊縫長(zhǎng)度方向上的收縮稱(chēng)縱向收縮，在垂直于焊縫縱向的收縮稱(chēng)橫向收縮)；b．角變形；c．彎曲變形；d．波浪變形；e．扭曲變形。

（三）從焊接工藝上分析，影響焊接收縮量的因素

a．采用焊條電弧焊焊接長(zhǎng)焊縫時(shí)，一般采用焊前沿焊縫進(jìn)行點(diǎn)固焊，有利于減小焊接變形，同時(shí)也有利于減小焊接內(nèi)應(yīng)力。b．備料情況和裝配質(zhì)量對(duì)焊接變形也會(huì)產(chǎn)生影響。c．焊接工藝中影響焊縫收縮量的因素有：①線膨脹系數(shù)大的金屬材料其焊接變形大，反之焊接變形小。②焊縫的縱向收縮量隨著焊縫長(zhǎng)度的增加而增加。③角焊縫的橫向收縮比對(duì)接焊縫的橫向收縮小。④間斷焊縫比連續(xù)焊縫的收縮量小。⑤多層焊時(shí)，第一層引起的收縮量最大，以后各層逐漸減小。⑥在夾具固定條件下的焊接收縮量比沒(méi)有夾具固定的焊接收縮量小，減少約40%～70%。

四、國(guó)內(nèi)外預(yù)測(cè)焊接變形的技術(shù)研究進(jìn)程及現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)焊接變形問(wèn)題的研究基本上可以追溯到20世紀(jì)60年代當(dāng)中，在焊接變形預(yù)測(cè)方面取得了較多成果。根據(jù)成果類(lèi)型及方法可知，焊接變形方法主要以經(jīng)驗(yàn)法、解析法以及數(shù)值模擬法為主。其中，經(jīng)驗(yàn)法主要根據(jù)焊接手冊(cè)的推導(dǎo)公式以及數(shù)據(jù)曲線，確定焊縫的收縮量以及角變形量。該方法一般多實(shí)在試驗(yàn)實(shí)踐或者生產(chǎn)實(shí)踐中獲取，只可滿(mǎn)足比較簡(jiǎn)單的焊縫變形問(wèn)題，局限性較強(qiáng)。解析法主要根據(jù)焊接殘余應(yīng)力以及變形問(wèn)題的具體成因，確定焊接殘余應(yīng)力的理論方法以及預(yù)控方法。也就是我們常說(shuō)的以殘余塑變?yōu)榛A(chǔ)的焊接變形計(jì)算方法。客觀來(lái)講，該方法一般多是建立在平截面假定和其他假定理論基礎(chǔ)上延伸而來(lái)的理論方法，多適用于簡(jiǎn)單梁板的焊接變形問(wèn)題。而數(shù)值模擬法主要是基于前兩種技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的全新方法，目前結(jié)合先進(jìn)技術(shù)，分解成為有限差分法與有限單元法。根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，數(shù)值模擬預(yù)測(cè)技術(shù)基本上成為焊接變形預(yù)測(cè)領(lǐng)域常用的技術(shù)方法。

五、焊接變形的預(yù)測(cè)

（一）熱彈塑性有限元分析

這是應(yīng)用最為廣泛的焊接過(guò)程計(jì)算方法，涵蓋了焊接過(guò)程的各個(gè)方面，包括不同的焊接類(lèi)型、焊接材料和接頭形式，既用于對(duì)焊接變形的分析，也用于分析殘余應(yīng)力、裂紋、疲勞和斷裂等。分析中的熱源通常簡(jiǎn)化為點(diǎn)、線、面熱源，常用的分布有高斯函數(shù)、半球狀分布函數(shù)、橢球形分布函數(shù)、雙橢球形分布函數(shù)等。材料的熱物理和力學(xué)性能參數(shù)都設(shè)為溫度的函數(shù)，具體的函數(shù)關(guān)系由試驗(yàn)確定。熱彈塑性有限元分析的缺點(diǎn)是運(yùn)算量很大，特別是對(duì)大型構(gòu)件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，有些即使能夠分析也很不經(jīng)濟(jì)，有些則不得不采用其他簡(jiǎn)化方法。

（二）考慮相變與各種耦合效應(yīng)的有限元分析

金屬材料發(fā)生相變時(shí)，因體積變化造成的應(yīng)力對(duì)整體應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)有重要影響。在焊接應(yīng)變場(chǎng)分析的總應(yīng)變率中計(jì)入了相變應(yīng)變率。文獻(xiàn)提出了一個(gè)改進(jìn)的點(diǎn)焊有限元模型，綜合了傳熱、電場(chǎng)、熱彈塑性、接觸、相變等特征以及各特征的相互作用，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了非常吻合的結(jié)果。

（三）粘彈塑性有限元分析

采用粘塑性以及對(duì)應(yīng)變率敏感的材料模型建立了有限元方程。根據(jù)流動(dòng)法則和屈服條件建立了粘彈塑性有限元方程，用于計(jì)算奧氏體鋼的焊接熱應(yīng)力和變形，所得結(jié)果與試驗(yàn)吻合得很好。導(dǎo)出了指數(shù)和冪函數(shù)蠕變應(yīng)變率下粘彈塑性有限元分析的各個(gè)表達(dá)式?？紤]了蠕變現(xiàn)象，采用熱粘彈塑性有限元方法，提出了一個(gè)評(píng)價(jià)局部焊后熱處理效果的直接方法，研究表明蠕變行為對(duì)局部焊后熱處理過(guò)程中的熱應(yīng)力產(chǎn)生有重要影響。

（四）殘余塑性應(yīng)變有限元方法

焊接時(shí)焊縫及其附近材料的熱膨脹受到附近低溫材料拘束，產(chǎn)生大量的壓縮塑性應(yīng)變，冷卻后形成殘余塑性應(yīng)變，其大小和分布決定了最終的殘余應(yīng)力和變形。因此如果知道了殘余塑變的大小和分布，就可以通過(guò)一次彈性分析求得整個(gè)構(gòu)件的焊接應(yīng)力和變形。問(wèn)題的關(guān)鍵是如何確定殘余塑變。

（五）利用相似理論

運(yùn)用相似理論可以將模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法結(jié)合起來(lái)，按照相似關(guān)系對(duì)焊接構(gòu)件進(jìn)行一定轉(zhuǎn)換，減小復(fù)雜性后再進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，也可以減少運(yùn)算量。在實(shí)際生產(chǎn)中，因?yàn)槭艿胶附訔l件的限制，模型與實(shí)物間的相似準(zhǔn)則很難同時(shí)滿(mǎn)足，而且對(duì)二者之間準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系還缺乏足夠的研究，因此應(yīng)用受到很大限制。

六、有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題

（一）提高計(jì)算效率

焊接變形數(shù)值模擬即使采用簡(jiǎn)化模型和上述簡(jiǎn)化線性方法，仍存在計(jì)算量大的困難，計(jì)算能力極大限制了結(jié)構(gòu)分析的規(guī)模和三維模型的發(fā)展。清華大學(xué)的鹿安理教授等人在提高計(jì)算效率方面做了大量研究，主要成果有：在商用軟件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了完善網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的專(zhuān)用用戶(hù)子程序，可以節(jié)約1/3 左右計(jì)算時(shí)間；提出采用并行計(jì)算技術(shù)對(duì)縮短計(jì)算時(shí)間具有極大發(fā)展?jié)摿?。另一種可以提高計(jì)算效率的有待發(fā)展的方法是開(kāi)發(fā)適用于焊接數(shù)值模擬的新型單元。焊接過(guò)程的特點(diǎn)是高速局部加熱和冷卻，由此導(dǎo)致局部應(yīng)力應(yīng)變急劇變化。

（二）建立工程材料高溫性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)

為了準(zhǔn)確模擬焊接過(guò)程中熱影響區(qū)的熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力，需要考慮材料在高溫和溫度高速變化時(shí)性能參數(shù)，如熱導(dǎo)率、比熱、膨脹系數(shù)、彈性模量和屈服強(qiáng)度等。然而，目前這方面的信息十分匱乏，實(shí)際數(shù)值模擬中，高溫時(shí)的參數(shù)基本由外推法確定。系統(tǒng)地研究了材料各種參數(shù)對(duì)焊接殘余應(yīng)力和變形預(yù)測(cè)結(jié)果的敏感程度，結(jié)果表明：隨溫度變化的屈服強(qiáng)度對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果有明顯影響，熱導(dǎo)率影響較小，而其他參數(shù)的變化對(duì)結(jié)果沒(méi)有明顯影響。為了拓寬數(shù)值模擬在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用，提高預(yù)測(cè)結(jié)果的精度，有必要組織一個(gè)國(guó)際團(tuán)體來(lái)收集或研究工程材料高溫性能，建立參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（三）預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)的整體變形

因受到計(jì)算能力限制，目前對(duì)焊接變形的數(shù)值模擬大多僅考慮局部焊區(qū)，然而對(duì)于實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)，焊區(qū)的應(yīng)力和變形與周?chē)膹椥越Y(jié)構(gòu)是強(qiáng)烈耦合的，這種耦合作用控制著最終焊區(qū)殘余應(yīng)力的分布和結(jié)構(gòu)變形形式。比如大型結(jié)構(gòu)在焊后可能出現(xiàn)大變形和局部屈曲，顯然，只對(duì)簡(jiǎn)單的焊接接頭建模分析是無(wú)法考慮這些問(wèn)題的。提出了一種有待改進(jìn)的用于計(jì)算大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)整體變形的“局部到整體”法。該方法分兩步實(shí)施：先使用細(xì)化的焊區(qū)三維有限元模型計(jì)算局部塑性應(yīng)變，計(jì)算中考慮周?chē)Y(jié)構(gòu)的機(jī)械約束，再將得到的塑性應(yīng)變作為初始應(yīng)變加到整體結(jié)構(gòu)模型上，進(jìn)行整體變形分析。

七、結(jié)語(yǔ)

數(shù)值模擬在焊接領(lǐng)域的運(yùn)用，為解決焊接殘余應(yīng)力和變形這一難題帶來(lái)了新思路和新方法。已有的研究成果使我們對(duì)復(fù)雜的焊接變形規(guī)律和本質(zhì)有了進(jìn)一步深入的了解。隨著計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境的不斷提高，軟件技術(shù)和數(shù)值模擬方法的改進(jìn)，將大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)技術(shù)全面運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)，并用來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，制定和優(yōu)化焊接工藝。