焊接应力、焊接变形的产生和控制

影响焊接应力与变形的因素很多,最根本的原因是焊件受热不均匀,其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性的不同所致。本文将主要讨论焊接残余应力、焊接残余变形的产生和控制。     

焊接顺序对Q690钢T型接头残余应力和变形的影响

利用ABAQUS有限元软件分析了Q690钢T型接头焊接顺序对接头残余应力和变形的影响,建立了K型坡口双面双道焊的温度场与应力场仿真模型.分析结果表明:对于残余应力,先焊完一侧再焊另一侧的方案三所产生的整体残余应力水平最小,焊缝区高应力范围也较小,而两侧交替焊接的方案一和方案二的整体应力水平稍大,焊缝区高应力范围也较大;对于焊接残余变形,则是两侧交替焊接的方案一与方案二变形较小,并且两侧变形较为对称,先焊完一侧后焊另一侧的方案三变形最大并伴有整体的倾斜变形.     

随焊氩气激冷控制铝/钢薄板焊接应力与变形数值模拟

采用有限元分析软件ANSYS,对不同焊接工艺条件下铝/钢异种金属薄板对接熔钎焊接过程进行数值模拟,建立了TIG电弧热源与氩气冷源模型,将常规焊接和随焊氩气激冷焊接的残余应力与变形进行对比分析,研究发现:随焊氩气激冷技术可使焊接纵向残余应力和变形分别降低32.8%和48.1%。为了验证数值模拟结果的准确性,进行了铝/钢异种金属薄板熔钎焊试验,将温度场与应力场的模拟值与试验值进行对比,结果显示两者吻合较好,表明随焊氩气激冷技术可有效控制铝/钢薄板焊接残余应力与变形。     

热处理对超厚板焊接残余应力影响的数值分析

基于ABAQUS软件的热弹塑性有限元程序,对390 mm超厚度20MnMoNb钢板拼焊制造EO反应器管板的焊接过程进行焊接残余应力与变形有限元模拟,考察焊后500℃热处理对板内残余应力与变形的影响。结果表明:超厚板焊态在焊缝及热影响区存在高度不均匀的残余应力,由于为了限制管板的变形,在板面上施压有配重,导致先焊面的残余应力较大,特别是在靠近表面的焊缝及热影响区附近存在残余拉应力峰值;后焊面的残余应力相对较小一些;焊缝内部为残余压应力;焊后管板发生了一端翘起的角变形;500℃热处理可明显降低厚板的焊接残余应力,且使应力分布趋于均匀,但热处理后焊接变形有所增大。     

焊缝层数对特厚度管板焊接残余应力与变形影响的有限元分析

基于ABAQUS软件,建立了顺序耦合的焊接残余应力与变形有限元计算程序,对大型环氧乙烷（EO）反应器国产化中采用的390 mm厚20MnMoNb特厚板拼焊反应器管板的焊接过程进行了残余应力与变形计算,并讨论采用不同焊缝层数对管板焊后残余应力与变形的影响.焊接采用双U形坡口,通过翻转管板进行两面坡口的交替焊接,为防止管板发生过度变形,焊接时始终在管板两端压有重量为4.5 MN配重.计算结果表明：焊后管板发生了一端翘起的角变形,在靠近表层的焊缝及热影响区存在较大残余拉应力,在焊缝内部为较大的残余压应力;由于配重对变形的限制导致先焊面的应力大于后焊面;增加焊缝层数,使变形增加,残余应力降低,但并不显著.对如此大型特厚板约束焊,增加焊缝层数不是降低其焊接残余应力的有效手段.     

行车梁焊接变形的控制

焊接变形是因焊件在焊接过程中不均匀加热引起的,是钢结构制造中所遇到的一个普遍问题。如何控制好焊接变形是钢结构产品制造成功与否的关键之一,也是难点之一。有的工厂因为控制不好焊接变形而报废整个产品,如行车梁、吊车梁、钢平台等。在钢结构制造中,焊接产生的残余应力和残余应力变形,降低了焊接构件的稳定性和可靠性,如不采取措施加以控制,将严重影响其制作质量及使用寿命。我厂为某厂制作的大跨度吊车梁在焊接变形控制和矫正方面做过一些尝试,取得了良好的效果,现做简单的介绍。     

反变形、振动时效与振动焊接在柴油机机体焊修中的应用

探讨了机体焊修中产生的焊接变形和残余应力对柴油机运用的不良影响.通过反变形法控制机体焊接变形,振动时效释放焊接残余应力,提高了机体检修质量和生产效率;通过焊缝晶粒度检验和盲孔法应力检测,验证了振动焊接工艺在细化焊缝晶粒、消除焊修机体残余应力方面有很好的作用.     

固态焊接加热过程中的等效压缩变形*

受约束焊件在固态焊接加热过程中因胀大变形不能进行而产生压缩变形,与焊接面垂直的等效压缩变形是形成固态焊接接头所需塑性变形的重要组成部分.文中对等效压缩变形的产生及应力应变进行了分析,提出了等效压缩应变的表达式,并认为这种变形除与焊件材料有关外,焊接温度升高、预压力增大、加热时间延长等均能使等效压缩变形增大,若材料在加热过程中发生固态相变,则等效压缩变形更大.     

焊接钢制罐体焊接应力及变形的控制应用

在焊接的过程中会焊件会产生内应力及变形,根据钢制罐体在焊接过程中产生焊接变形的现象,本文分析了焊接应力及变形产生的原因,提出了钢制罐体焊接应力及变形控制的措施,为有效保证焊接质量和罐体制作质量提供参考。     

基于有限元法的振动时效数值模拟与分析

利用有限元分析软件ANSYS,模拟了圆管对接焊件的焊接过程,得到了焊件的残余应力场,在合理确定了振动时效工艺参数基础上,对焊件扭转振动方式的振动时效过程进行了数值模拟,分析和探讨了扭转振动方式的振动时效对消除残余应力效果的影响.模拟结果表明:在合理的振动时效工艺参数条件下,扭转振动方式的振动时效能有效减小和均化残余应力,残余应力的减小和均化效果随激振力的增大而增大.     

钴基合金静叶片焊接裂纹力学因素研究

采用热弹塑性有限元技术，分析研究了Ｃｏ基Ｓｔｅｌｌｉｔｅ３１合金静叶片电子束焊接时产生焊接裂纹的力学因素、焊接残余应力、与焊接装夹方式及焊接工艺的关系。结果表明：焊接过程中产生的冷裂纹，主要由于焊接过程中产生的收缩力引起；焊接方向和焊件的装夹方式对接头中的残余应力分布有较大的影响，焊缝两端附近的残余应力分布和焊接方向有关，焊端缝中心是拉应力，而在终焊端则是压应力；焊接速度及焊接线能量都对焊接残余应     

堆焊角变形动态过程试验与数值分析

采用有限元数值模拟方法研究了CO2气体保护堆焊的角变形动态过程.为了反映夹具和焊接件的接触状态,将夹具和焊件统一建立有限元模型.对计算焊接角变形的接触约束二维模型、位移约束二维模型和位移约束三维模型进行了比较,并与试验结果进行了对比分析.研究结果表明:虽然二维模型不能反映焊接角变形的动态过程,但能得到和试验结果一致的残余角变形;三维模型能反映焊接过程中的动态角变形,但计算效率低;接触约束模型能计算出焊接件在夹具作用下的摩擦力和接触压力.     

超载拉伸消除焊接残余应力的计算机模拟

焊接件内部总是存在着较大的残余应力,对焊接件的承载能力和抗腐蚀性能有很大影响,本文采用弹塑性有限元方法对超载拉伸消除焊接残余应力过程进行了数值模拟．对三种拉伸载荷下的宽板和窄板两种模型进行的模拟结果表明：拉伸载荷越大,残余应力消除得越好,但是也不能通过一味地增大拉伸载荷来得到较好的残余应力消除效果,而必须同时考虑材料的塑性储备、构件允许的变形量及构件允许的残余应力等,以防过量变形使构件脆断的危险性增大．     

混合钢U肋加劲板焊接残余应力影响因素分析

建立三维热弹塑性有限元模型,对混合钢U肋加劲板的焊接温度场和应力场进行模拟,并应用盲孔法残余应力测试试验验证了该数值模拟方法的正确性.应用经验证的焊接残余应力数值模拟方法,研究散热系数、焊接有效功率、熔池面积大小、焊接速度变化对混合钢U肋加劲板焊接残余应力分布与大小的影响.结果显示,焊接有效功率对混合钢U肋加劲板的残余应力分布的影响最大,其次为熔池面积及焊接速度,散热系数影响很小;母板和U肋的残余拉应力和残余压应力大小、残余拉应力区分布宽度、母板残余拉应力合力和残余压应力合力,与焊接有效功率和熔池面积大小成正比变化,与焊接速度成反比变化;而U肋残余拉应力合力和残余压应力合力,与焊接有效功率成正比变化,与熔池面积大小和焊接速度成反比变化.     

K型管节点焊接残余应力及其对应力集中系数的影响

采用有限元软件ANSYS,以K型管节点为研究对象,利用生死单元技术,模拟焊接过程和退火处理过程,研究管节点的焊接残余应力,得到焊接温度场和应力场的分布。分别对考虑焊接残余应力与不考虑焊接残余应力而只考虑焊缝对结构影响的管节点模型施加轴向载荷,计算这两种模型的热点应力集中系数,得到焊接残余应力对管节点应力集中系数的影响。结果表明:对焊接管节点进行退火处理可以显著降低焊接残余应力,降低发生变形和断裂失效的风险,大幅度提高管节点的安全性能;管节点结构中热点位置及热点应力集中系数与尺寸参数、载荷类型、加载方式、焊缝结构等有关。     

磁处理降低焊接残余应力中磁场方向的影响

为了解磁处理可降低铁磁性材料残余应力的内在机理和作用规律,通过实验研究了焊接试板在经不同磁场方向的磁场处理前后的残余应力分布,发现焊板平面内垂直于焊缝方向磁场处理后,焊缝区附近的残余应力有明显的降低;沿板厚方向磁场处理后,焊缝区附近残余应力也有所下降;而磁场方向沿焊缝方向进行处理,残余应力降低不明显。这说明磁场方向垂直于最大主应力方向时最有利于残余应力的降低。该文还初步分析了磁处理降低焊接残余应力时,磁场方向影响其效果的机理。     

最大主应力与形状改变比能对断裂的影响

分析了裂纹尖端附近的形状改变能密度场和主应力场，结合试验数据研究了最大拉应力与形状改变比能对脆性断裂及断裂方向的影响。认为复合型裂纹的脆性开裂方向主要受形状改变比能的影响，开裂方向靠近形状改变比能取最小的方位，而此处的最大拉应力是影响裂纹开裂的主要因素。     

焊接残余应力对钢桁斜拉桥整体稳定性的影响

以郑州黄河公路铁路两用桥为背景,建立了桥塔与主桁连接部位的三维有限元模型,考虑材料热物理性能依赖于温度的变化,对桥塔焊趾处典型焊接细节的焊接温度场和焊接残余应力进行数值模拟,分析了焊接残余应力对结构整体稳定性的影响。通过热力学分析模拟焊接过程温度场变化,将冷却温度场作为荷载,通过结构分析计算桥塔与主桁连接处焊接残余应力;经过一定的简化,将焊接残余应力作为初应力施加到结构典型焊接细节上,分析其对钢桁结构稳定承载力的影响。计算结果表明:初应力同时施加于下横梁和中桁架上弦杆时,稳定系数下降13%;故在焊接结构中初应力对稳定性的影响应引起足够重视。     

运用ANSYS对焊缝残余应力及温度场分析

在焊接过程中,高温移动热源及之后的快速冷却,使得在焊缝及其附近区域产生了残留的拉应力,由此产生热应力场和残余应力。为预测焊接变形,采用有限元软件ANSYS中生死单元技术和热-结构耦合技术对异种材料钢铜连接处的铝焊缝进行数值分析,得出焊缝焊接残余应力、温度场分布情况,进而为制定正确的焊接工艺、改善焊缝性能等实际生产和使用提供理论依据。