基于多焊縫結構零件的焊接工藝與力學分析

孟祥瑞 韓偉

摘 要：在焊接完成的零件中，存在應力腐蝕裂紋，對零件的影響很大，會導致一些部件不能使用。通過對零件結構分析，發現在焊接區域附近的應力非常大，主要的原因是焊接過程中生熱，將零件內部結構發生變化導致，最終形成殘余應力，破壞焊接效果。因此，消除殘余應力，保障焊接強度，是制定焊接工藝的前提。

關鍵詞：焊縫結構;焊接工藝;殘余應力

1 結構分析

在焊接零件生產中，壓力容器是典型零件，該種零件內部需要有足夠的空間用于裝其他材料。同時還需要承受一定的壓力，保證材料不泄露。壓力容器本身由于存在曲面，因此通過機械加工不能實現一個整體的壓力容器，需要將不同的曲面進行焊接，最終得到一個完整的零件，舉例如圖1的壓力容器。

在對該零件進行焊接加工時候，需要考慮移動熱源、焊接順序、溫度變化。焊接時零件本體會隨著溫度的變化物理性能和機械性能發生改變。在對零件進行交替焊接時，零件的軸向應力和徑向應力會隨中心角進行變化，為了能夠很好的了解焊接殘余應力，通過3D技術和有限元技術，對起焊區和終焊區進行分析，得到殘余應力的變化情況。

圖2為焊接過程中典型對接焊法。

焊接之前需要利用有限元計算焊接變形和應力分布，在分析焊接力學，最終才能進行焊接。而對于這種壓力容器，本身要求高，同時零件厚度大，在焊接時候，很容易出現焊接不到位，外部已經焊接上，內部沒有形成焊接。因此采用坡口的處理方式，J型坡口在壓力容器焊接過程中廣泛使用，J型焊口在底部呈曲面，不會產生應力點，焊接之后會很好的將兩個零件連接在一起，在采用多個焊道合并形成一個焊道的方式，最終將零件焊接在一起。

2 殘余應力

參與應力的產生與焊接過程中的熱量是分不開的，焊接時候由于電弧與材料之間的反應，會產生很大的熱量，通過熱量將焊接本體與填充材料融合到一起，材料、溫度、應力之間的關系如圖3。

利用有限元技術對焊接殘余應力分析，主要從以下幾個方面進行：

（1）通過將溫度場合應力場作為模擬的基礎，建立焊接的結構模型，將熱源作為變量，形成一個計算方法，分析增加坡口角度和焊接順序對殘余應力的影響;

（2）分析材料結構和材料性能是都存在影響，焊接中焊縫相交處堆焊是否對焊接應力的影響，排除外界因素的影響;

（3）計算數據得出結果，結合焊接過程中實際的形式，對不同材料和結構采用不同的焊接方式，最終計算出殘余應力的大小;

（4）模擬和應用，將得到的數據進行3D焊接，焊接過程通過軟件進行事先模擬，無問題后進行實際焊接。焊接過程中收集焊接數據，與模擬焊接數據進行對比，以便經驗總結。

3 結論

本文通過對焊接零件結構和焊接工藝的分析，可以確保焊接過程中焊接點焊接飽滿，采用對焊接端處理的方式可以減少參與應力，分析金屬零件和制造過程最有效的軟件ANSYS。通過有限元對焊接過程中熱傳導、焊接熱彈塑性，建立焊接溫度、殘余應力的數學模型，實現焊接過程中零件結構和應力的變化跟蹤，找出最優的焊接工藝和降低殘余應力的措施，保證零件的強度和加工要求。

參考文獻

[1]佘昌蓮.焊接結構的殘余應力研究[D].武漢理工大學碩士論文，2004：12-31.