張露 張屹 陸 袁有錄

三峽大學機械與動力學院（443002）

對Q345鋼板焊接應力與變形的分析

三峽大學機械與動力學院（443002）

針對大型升船機承船廂板焊后應力與變形問題，分析了焊接殘余應力、變形，提出了減少焊接殘余應力、變形的措施，為實際生產(chǎn)中控制殘余應力、變形提供了有益的指導。

彈熱彈塑性分析；殘余應力；變形；Simufact.Welding

升船機(shiplift)是一種利用機械裝置升降船舶用來提升船舶的通航建筑物。在我國水利水電樞紐工程建設(shè)中，卷揚提升式垂直升船機在我國境內(nèi)使用最為廣泛。

升船機中承船廂施工中存在大量焊接，由于焊接部位受熱不均勻,容易產(chǎn)生不同程度的應力變形。而承船廂所承受的載荷為大載荷，因此為了保證整體升船機安全，對焊縫接頭研究及其重要。

1 熱源的選擇

由于焊條電弧挺度和熔深小，焊接熱源為運動的加熱斑，因此，在加熱斑上的熱流分布可以用高斯分布函數(shù)來表達。

沿焊接方向，雙橢球熱源模型主要由前半部分和后半分橢球模型構(gòu)成。

2 熱彈塑性理論

熱彈塑性理論主要是探求溫度、力、位移、應變和應力五者之間的關(guān)系,從而得出焊接過程中的應力、應變的變化過程,焊后的殘余應力和變形狀態(tài)[1]。

3 焊板、焊料屬性

溫度對焊板、焊料性質(zhì)是有影響的，所以依據(jù)溫度與彈性模量、屈服強度、切變模量的關(guān)系圖取幾個具有代表性的值來反映溫度對焊板、焊料性質(zhì)的影響。

4 夾具設(shè)置及網(wǎng)格劃分

為了模擬的真實性，左焊板的兩側(cè)分別有兩個夾具，設(shè)置的夾持力為1 000 N，使左焊板固定。右焊板的兩側(cè)分別有兩個夾具，設(shè)置的夾持力也為1 000 N,使右焊板固定。設(shè)置夾具保證了焊接的穩(wěn)定性。實際上，軟件可自動判斷接觸面的節(jié)點并進行加持力的施加，避免了煩瑣的選取節(jié)點再賦值等操作，達到了同樣的效果。此模型共設(shè)置了四個夾具。

焊板1、2的節(jié)點個數(shù)為5 002，單元個數(shù)為3 540，網(wǎng)格大小2 mm。軟件是自動根據(jù)焊板的網(wǎng)格大小來劃分焊料的網(wǎng)格。軟件自動劃分網(wǎng)格的焊料節(jié)點數(shù)為841，單元數(shù)為560。

5 結(jié)果分析

5.1 溫度變化及熱影響區(qū)情況

在焊接過程中,各追蹤點溫度變化不均勻。在開始階段,溫度升降急劇,隨后漸趨平緩,最后都降至室溫。靠近焊縫區(qū)域溫度變化比較快，遠離焊縫區(qū)域則變化比較慢。加熱溫度太高會影響晶粒的大小，溫度越高，晶粒越大，會造成晶粒脆化，容易形成較大的焊接應力[1]。

5.2 焊接殘余應力分析

當焊接結(jié)束時，加熱的金屬受熱時會受到壓縮和塑性變形，所以最終的長度比未加熱的金屬的長度短，但是由于周邊金屬又會阻礙其收縮，因此，在加熱的焊縫金屬上會形成拉伸應力，在周圍的金屬中會形成壓應力[2]。

殘余應力對強度、剛度、對受壓焊件穩(wěn)定、加工精度、尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性都有影響。為了消除和減小焊接殘余應力，應用以下四種方法進行解決：

在局部可以稍微加熱，焊接時應降低焊件的剛度，使金屬變?nèi)彳?，減少殘余應力；

收縮量大的焊縫優(yōu)先焊接；

采用機械拉伸法（預加載法）消除或調(diào)整；

進行整體消除應力的熱處理。

5.3 焊接變形分析

在冷卻的過程中，發(fā)生壓縮變形的材料（焊縫周圍的材料）受到各種制約，不能自由收縮，在某種程度上又被拉伸而卸載。同時，熔池會因溫度降低而凝固，金屬會收縮會產(chǎn)生變形，因此總變形開始減小一直達到穩(wěn)定值。

焊接變形控制在焊接前是必須考慮的一個問題。針對升船機樣件焊接變形這一問題，提出了如下四種解決方案：

控制工件變形、工件剛度和高彎曲模量是控制焊接變形的有效方法；使焊縫處于自然狀態(tài)，大拘束減少，錯開的短焊縫優(yōu)先進行焊接，后焊長焊縫，同時從中間部位向兩端進行焊接；簡單的反變形可以解決焊接過程中的變形；采用輔助支架控制變形，焊接件固定在焊接平臺上，控制變形。

6 總結(jié)

本研究是基于Simufact.welding對亭子口承船廂焊接樣件應力及變形進行有限元分析，對整個焊接過程進行仿真模擬，將殘余應力仿真值與試驗值進行對比，結(jié)果大致吻合，并針對殘余應力與變形提出相對應的措施來避免大殘余應力與大變形產(chǎn)生，保證承船廂整體的安全。

[1]黃明,張建,胡忠健.基于Simufact的油菜播種機懸掛架焊接仿真[J].安徽農(nóng)業(yè)大學學報,2014(3).：528-532.

[2]高耀東,何建霞,喬云芳,.焊接過程有限元分析[J].北京大學學報：自然科學版,2010(6)：1007-1009.

國家自然科學基金項目（71501110）