焊接变形预测技术研究进展

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1、焊接变形预测技术研究进展沈新（山东法因数控机械股份有限公司，山东，250000）【】焊接变形预测技术对焊接结构的制造和使用有重要意义，焊接变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响着焊接结构的制造过程,而且影响着焊接结构的使用性能。文章研究了焊接变形预测技术和进展。【关键词】焊接变形；预测技术；研究焊接变形是焊接结构制造过程中最常见的问题之一。焊接变形种类繁多，情况复杂，主要有横向收缩、纵向收缩、弯曲变形、角变形及翘曲变形等。焊接变形的存在严重影响着焊接结构的制造过程和使用性能。必须对焊

2、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。一、预测焊接变形的方法关于焊接变形预测方法也取得了不少研究成果。这些方法归纳起来可分为三类：经验法，解析法和数值模拟法。其中经验法是通过查找焊接手册上的经验公式和数据曲线来估计焊缝的收缩量和角变形量。这些经验数据是在一定条件下的试验或生产实际中得到的，且针对最简单的情况，存在相当的局限性。前苏联对焊接残余应力和变形的起因和分类进行了研宄，建立了确定焊接残余应力和变形的理论方法。后来的研究者们基于该理论，提出了以残余塑变来计算焊接变形的解析法。由于该方法是建

3、立在平截面假定和其它一些假定的基础之上的，故只能适用于一些简单的焊接构件，如简单梁板的焊接收缩变形和角变形。焊接数值模拟的发展是从解析法开始的。随着数值计算技术的发展,逐步过渡到有限差分法和有限单元法。在近几年的发展中，随着有限元软件的开发及其良好的使用效果，有限元法已占据了主导地位。近年来，数值模拟己经成为焊接研究方面的主要手段。二、焊接变形数值研宄焊接数值模拟的理论意义在于通过对复杂或不可观察的焊接现象进行模拟和对极端情况下尚不知的规则的预测，以助于认清焊接现象的本质，弄清焊接过程的规律。焊接数值模拟的现实意

4、义在于根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优化结构设计和工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接质量。日本首先以有限元法为基础，提出了焊接热弹塑性分析理论，从而使复杂的动态焊接过程的应力应变分析成为可能。随后，许多国家的研究者加入到焊接数值模拟的研究行列，建立的数值模型从一维发展到二维，再到0前重点研究的三维;模拟对象从简单的平板堆焊、对接焊到角焊缝，再到0前的研究热点多道焊；研究内容从焊接接头的收缩变形到角变形，再到大型复杂焊接结构的整体变形。数值模拟作为一种强有力的定量研究手段，不仅可以用来帮助理解焊接现象的本

5、质，预测残余应力和变形，国内外的研究者们还以此为工具，研究控制和减小残余应力，优化焊缝质量的工艺方法。1、热弹塑性冇限元法热弹塑性冇限元法是焊接数值模拟最重要、最一般的方法，它跟踪整个焊接热循环过程，可以同时考虑许多重要因素的影响，除了用来预测焊接残余应力和变形，也可用以分析裂纹、疲劳、断裂等现象。热弹塑性有限元法预测焊接变形的过程为：先进行焊接热循环分析，得到整个焊件在焊接过程中任一吋刻的温度场，再将温度场输入热弹塑性奋限元分析程序，进行应力和变形的分析计算。焊接热循环温度场的准确计算是焊接砬力与变形准确预测的

6、前提。用于求解温度场的热源模型冇许多种。最早使用的是点热源、线热源和面热源，分别用于不同形式焊件的温度场解析解。这种热源形式简单，但计算结果精度差。在焊接温度场二维分析中广泛运用的是经典的高斯热源模型，这种模型以及后来在其基础上发展提出的双椭圆高斯热源模型都没有考虑电弧对熔池的冲击作用,对于高能束焊接存在较大误差。椭球热源和改进的双椭球热源不仅可以考虑电弧力的作用，而且可以弥补熔池内液体流动对热传导的加快作用。双椭球热源适用于厚板焊接的三维数值分析。在以上常用的热源模型的基础上，国内外一些学者着眼于提高模拟精度和

7、计算效率，进-步研究了热源模型和模拟热输入的方法。提出一种非常适合对接焊热量分布的“split”热源模型。该模型用作用于焊件表面的高斯热源模拟电弧传热，用作用于电弧正下方体积金属的柱体热源模拟熔滴传热，两种形式热源组合，考虑了熔滴向剖U间隙填充的传热效果。为了降低焊接热循环分析的计算量，提出分段移动热源和分段移动串形热源。分段移动热源是将一条焊缝分成有限段，每段内按作用一段吋间的高斯带状热源或一串串点状热源处理，每段热源沿焊接方向依次加到焊缝单元上，这样可以用较少的吋间增量步描述焊接时热源移动与热流作用过程，从而

8、大大降低计算时间。也有很多学者寻求各种热源模型作用下焊件温度场的解析解，以避免冗长的热循环数值计算。得到了双椭球热源作用时三维温度场的解析解。研究了求多道焊与曲线焊温度场的解析求解方法。焊接热循环数值模拟中常常要处理熔敷金属填充过程，常用的方法有两种：一是改变填充单元的材料特性，焊前赋予焊缝填充单元的弹性模量和热导率一个很小的数值，即认为焊缝部位材料不参与传力和传热，焊时