焊接變形預測技術研究進展

相雅彬 張玉琪

（中石化河南油建工程有限公司，河南 南陽 473000）

對于熔化式焊接工作而言，焊縫位置以及熱影響區存在一定的殘余應力影響，促使焊接構件出現變形、開裂等現象問題，嚴重降低了構件自身的承載力。從焊縫的焊趾部位來看，受到焊接變形的影響，一般多會出現凹坑、咬邊等現象問題。而焊趾位置存在的熔渣缺陷問題以及微裂紋問題又給裂紋的出現提供了實現可能。受到上述應力問題的集中影響，焊接接頭的疲勞壽命會急劇降低。長此以往，焊接變形問題逐漸顯現，并導致焊接結構變形問題明顯、尺寸精度嚴重下降問題等，繼而引發焊接結構失效。

一、焊接變形的定義

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

二、焊接變形產生的原因

產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

金屬的焊接是一個局部的加熱過程，焊件上的溫度分布極不均勻。在焊接過程中，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受到約束，最終導致焊后產生縱向和橫向變形。

（二）焊縫金屬的收縮

當焊縫金屬冷卻、由液態轉為固態時，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮，這將引起整個焊件的變形。

（三）金屬組織的變化

鋼在加熱及冷卻過程中發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，而拘束是焊件周圍物體對焊件變形的約束。焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越大，焊接變形越小；反之，焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越小，則焊接變形越大。

三、影響焊接結構變形的主要因素和變形的種類

（一）影響焊接結構變形的主要因素

a．焊縫在結構中的位置；b．結構剛性的大小；c．裝配和焊接順序；d．焊接規范的選擇。

（二）焊接變形的種類

a．縱向收縮和橫向收縮(在焊縫長度方向上的收縮稱縱向收縮，在垂直于焊縫縱向的收縮稱橫向收縮)；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焊縫時，一般采用焊前沿焊縫進行點固焊，有利于減小焊接變形，同時也有利于減小焊接內應力。b．備料情況和裝配質量對焊接變形也會產生影響。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度的增加而增加。③角焊縫的橫向收縮比對接焊縫的橫向收縮小。④間斷焊縫比連續焊縫的收縮量小。⑤多層焊時，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有夾具固定的焊接收縮量小，減少約40%～70%。

四、國內外預測焊接變形的技術研究進程及現狀

國內外研究學者針對焊接變形問題的研究基本上可以追溯到20世紀60年代當中，在焊接變形預測方面取得了較多成果。根據成果類型及方法可知，焊接變形方法主要以經驗法、解析法以及數值模擬法為主。其中，經驗法主要根據焊接手冊的推導公式以及數據曲線，確定焊縫的收縮量以及角變形量。該方法一般多實在試驗實踐或者生產實踐中獲取，只可滿足比較簡單的焊縫變形問題，局限性較強。解析法主要根據焊接殘余應力以及變形問題的具體成因，確定焊接殘余應力的理論方法以及預控方法。也就是我們常說的以殘余塑變為基礎的焊接變形計算方法。客觀來講，該方法一般多是建立在平截面假定和其他假定理論基礎上延伸而來的理論方法，多適用于簡單梁板的焊接變形問題。而數值模擬法主要是基于前兩種技術經驗的基礎上得到的全新方法，目前結合先進技術，分解成為有限差分法與有限單元法。根據當前應用現狀來看，數值模擬預測技術基本上成為焊接變形預測領域常用的技術方法。

五、焊接變形的預測

（一）熱彈塑性有限元分析

這是應用最為廣泛的焊接過程計算方法，涵蓋了焊接過程的各個方面，包括不同的焊接類型、焊接材料和接頭形式，既用于對焊接變形的分析，也用于分析殘余應力、裂紋、疲勞和斷裂等。分析中的熱源通常簡化為點、線、面熱源，常用的分布有高斯函數、半球狀分布函數、橢球形分布函數、雙橢球形分布函數等。材料的熱物理和力學性能參數都設為溫度的函數，具體的函數關系由試驗確定。熱彈塑性有限元分析的缺點是運算量很大，特別是對大型構件和復雜結構，有些即使能夠分析也很不經濟，有些則不得不采用其他簡化方法。

（二）考慮相變與各種耦合效應的有限元分析

金屬材料發生相變時，因體積變化造成的應力對整體應力場和變形場有重要影響。在焊接應變場分析的總應變率中計入了相變應變率。文獻提出了一個改進的點焊有限元模型，綜合了傳熱、電場、熱彈塑性、接觸、相變等特征以及各特征的相互作用，并進行了試驗驗證，得到了非常吻合的結果。

（三）粘彈塑性有限元分析

采用粘塑性以及對應變率敏感的材料模型建立了有限元方程。根據流動法則和屈服條件建立了粘彈塑性有限元方程，用于計算奧氏體鋼的焊接熱應力和變形，所得結果與試驗吻合得很好。導出了指數和冪函數蠕變應變率下粘彈塑性有限元分析的各個表達式。考慮了蠕變現象，采用熱粘彈塑性有限元方法，提出了一個評價局部焊后熱處理效果的直接方法，研究表明蠕變行為對局部焊后熱處理過程中的熱應力產生有重要影響。

（四）殘余塑性應變有限元方法

焊接時焊縫及其附近材料的熱膨脹受到附近低溫材料拘束，產生大量的壓縮塑性應變，冷卻后形成殘余塑性應變，其大小和分布決定了最終的殘余應力和變形。因此如果知道了殘余塑變的大小和分布，就可以通過一次彈性分析求得整個構件的焊接應力和變形。問題的關鍵是如何確定殘余塑變。

（五）利用相似理論

運用相似理論可以將模型試驗和數值模擬方法結合起來，按照相似關系對焊接構件進行一定轉換，減小復雜性后再進行數值計算，也可以減少運算量。在實際生產中，因為受到焊接條件的限制，模型與實物間的相似準則很難同時滿足，而且對二者之間準確的對應關系還缺乏足夠的研究，因此應用受到很大限制。

六、有待進一步解決的問題

（一）提高計算效率

焊接變形數值模擬即使采用簡化模型和上述簡化線性方法，仍存在計算量大的困難，計算能力極大限制了結構分析的規模和三維模型的發展。清華大學的鹿安理教授等人在提高計算效率方面做了大量研究，主要成果有：在商用軟件基礎上開發了完善網格自適應技術的專用用戶子程序，可以節約1/3 左右計算時間；提出采用并行計算技術對縮短計算時間具有極大發展潛力。另一種可以提高計算效率的有待發展的方法是開發適用于焊接數值模擬的新型單元。焊接過程的特點是高速局部加熱和冷卻，由此導致局部應力應變急劇變化。

（二）建立工程材料高溫性能參數數據庫

為了準確模擬焊接過程中熱影響區的熱傳導和熱應力，需要考慮材料在高溫和溫度高速變化時性能參數，如熱導率、比熱、膨脹系數、彈性模量和屈服強度等。然而，目前這方面的信息十分匱乏，實際數值模擬中，高溫時的參數基本由外推法確定。系統地研究了材料各種參數對焊接殘余應力和變形預測結果的敏感程度，結果表明：隨溫度變化的屈服強度對預測結果有明顯影響，熱導率影響較小，而其他參數的變化對結果沒有明顯影響。為了拓寬數值模擬在焊接領域的應用，提高預測結果的精度，有必要組織一個國際團體來收集或研究工程材料高溫性能，建立參數數據庫。

（三）預測焊接結構的整體變形

因受到計算能力限制，目前對焊接變形的數值模擬大多僅考慮局部焊區，然而對于實際焊接結構，焊區的應力和變形與周圍的彈性結構是強烈耦合的，這種耦合作用控制著最終焊區殘余應力的分布和結構變形形式。比如大型結構在焊后可能出現大變形和局部屈曲，顯然，只對簡單的焊接接頭建模分析是無法考慮這些問題的。提出了一種有待改進的用于計算大型復雜焊接結構整體變形的“局部到整體”法。該方法分兩步實施：先使用細化的焊區三維有限元模型計算局部塑性應變，計算中考慮周圍結構的機械約束，再將得到的塑性應變作為初始應變加到整體結構模型上，進行整體變形分析。

七、結語

數值模擬在焊接領域的運用，為解決焊接殘余應力和變形這一難題帶來了新思路和新方法。已有的研究成果使我們對復雜的焊接變形規律和本質有了進一步深入的了解。隨著計算機硬件環境的不斷提高，軟件技術和數值模擬方法的改進，將大型復雜結構焊接殘余應力和變形的數值模擬預測技術全面運用于實際生產，并用來指導設計，制定和優化焊接工藝。