焊接殘余應力的研究進展

畢長剛

(沈陽有色冶金設計研究院，遼寧沈陽 110003)

0 引言

焊接殘余應力是焊接工程研究領域的重點問題。涉及焊接的各種工程應用中，都十分關注殘余應力的影響。例如，在土木工程領域，對于鋼結構焊接連接，殘余應力對結構的疲勞性能、穩定承載力等均有影響。因此，對焊接殘余應力的研究越來越引起人們的注意。

1 焊接殘余應力在國外的研究現狀

起始于20世紀30年代的一些簡單的試驗的測量和數據的整理，開始了人們對焊接應力應變的分析和研究，然后50年代～60年代通過研究人員理論經驗和數據的不斷積累逐漸形成了一些在理論方面的權威理論作品，例如梅蘭和帕爾庫斯的《由于定常溫度場而產生的熱應力》和帕爾庫斯單獨寫的《非定常熱應力》[1]，全面的總結當時人們在焊接應力應變方面取得的一些進展。

起初對焊接應力應變的分析從一維的問題開始，應用圖解法分析焊接過程，其中奧凱爾布洛母等人(前蘇聯學者)在分析中加進了溫度變化對材料屬性的影響。對于尺寸稍大的構件，僅僅的解析方法無法滿足分析的需求，人們開始向計算機程序編寫的方面推進，首次應用編寫的程序模擬一維板中堆焊由 Tall等人完成[2]。

隨著一維焊接應力應變的發展和完善，人們把分析逐步的向二維領域發展，70年代初，對接焊和平板堆焊的二維應力應變分析程序就由Iwkai和Muraki編制完善，二維分析成為了可能。這一年代的又一個突破就是對焊接過程的另一個關鍵因素的考慮，就是焊接過程中金屬的熔敷產生的相變組織變化[3]。

隨著焊接應力應變理論基礎的不斷完善，80年代，人們開始注重更深層次的研究，開始研究更加準確的焊接應力應變在分布上的趨勢，通過一些計算數據，如Josefson等人定位焊和薄壁管件等焊接應力過程研究數據的分析，提出了一些精度更高的焊接應力分布趨勢和一些消減焊接應力應變的方法和措施[4]。

焊接應力應變的研究與計算機的發展密切結合，向著更加精確和細致的方面拓寬，對影響焊接應力應變的因素考慮越來越多，90年代，焊接應力應變開始考慮焊接過程當中熱源的輻射問題、焊接過程中金屬熔化產生的熔敷現象和焊接構件與空氣之間的熱傳遞問題，Mahin等人在考慮了以上因素的條件下，還考慮了溫度場和應力場的耦合關系，選用實驗的方法來矯正熱源的分布趨勢，計算出的焊接應力和用衍射中子得到的實驗結果很好的得到了吻合;接下來T·Tnouce考慮了一些對焊接過程產生影響的溫度因素和焊接溫度場、應力場及其焊接過程出現的金屬相變潛熱耦合作用，并且構件在上述考慮條件下的焊接過程熱的本構方程，為以后在這方面研究的各位研究人士提供了很好的可以參考的資料;焊接應力應變的分析由薄板向著厚板，單層焊接向著雙層焊接方向發展，Shim等人(美國)就在熱彈塑性平面應變有限元理論下對多層焊接的厚板件實行了計算，并且比較了不同的焊縫形式(坡口)下的焊接殘余應力，以此為依據，提取了關于厚板的焊接殘余應力的分布趨勢[5]。科技的發展總是由簡單到復雜，二維焊接應力應變的完善，使得三維分析初見端倪，Chidiac(加拿大)首次在厚板的應力應變中建立了三維的有限元的溫度場分析模型，考慮了焊接過程中由于高溫熔化而導致的材料本身顯微晶體組織的變化和生長。

近年來，焊接殘余應力的研究取得了一定的成果，I.Ranjbar-Nodeh，S.Serajzadeh，A.H.Kokabii應用 ANSYS 的模擬技術，對焊接模型在焊接前后(點焊)的溫度場的分布情況進行了二維的模擬。應用X射線對小管(手工電弧焊)的對接焊進行了測量。對激光焊接的殘余應力應變的測量數據，顯示了兩個影響焊接殘余應力的重要因素，即焊接速度和焊接熱源，焊接殘余應力隨著焊接速度的增大而減小。沿著焊件的橫向和縱向都存在著焊接殘余應力，應用理論(大變形)和實驗相比較的方法得到比較滿意的結果，從而得出沿薄板的厚度方向幾乎不存在焊接殘余應力，即在焊接的過程中，沿著板件厚度方向溫度幾乎沒有變化，不產生溫度梯度[6]。

2 焊接殘余應力在國內的研究現狀

20世紀70年代，焊接殘余應力和變形的數值模擬在國內起步，經過樓志文、關橋、陳楚等人的不斷努力，取得了一定的理論成果，并編制了相應的計算機程序。隨著科技的發展，到了20世紀90年代，對于殘余應力和變形的研究取得了進一步的發展。2003年陳麗敏、陳思作根據熱彈塑性應力理論、有限元理論，用大型有限元軟件ANSYS對焊接工字型截面梁進行殘余應力分析，分析結果表明，焊接殘余壓應力的分布與截面幾何參數有關，為用有限元分析焊接工字型截面梁殘余應力提供了一種方法[7]。2006年，北京大學的楊娜、龍麗華等人以有限元分析軟件ANSYS為工作平臺，基于非線性板殼有限元理論，采用殼單元對輕型門式剛架中，H型鋼楔形薄壁梁進行考慮雙重非線性的全過程分析，殘余應力是型鋼梁屈曲分析中的重要參數，其影響著型鋼梁的屈曲性能，無論是變截面還是等截面的型鋼梁，在分析屈曲時都應該考慮殘余應力對其的影響，殘余應力的提高會降低構件的極限承載能力，但同時卻提高了構件的延性[8]。楊文等人對焊接工字鋼和對接焊接的鋼板進行了殘余應力的研究，分析了焊接過程中由于溫度的變化而產生的溫度梯度分布情況，以及由此所引起的焊接殘余應力應變，為了驗證在焊接過程中，鋼材由于溫度變化而引起的材料在熱影響區內的熱物理性能的變化，進行了有限元的計算[9]。同濟大學的吳蕓和張其林焊接鋁合金構件殘余應力試驗研究，通過對測試數據的分析整理，得出縱向焊接工字型截面構件殘余應力的分布情況，為進一步總結焊接鋁合金構件殘余應力的分布規律及研究殘余應力對構件承載力的影響提供了基礎。2010年清華大學的班慧勇等在殘余應力實驗研究中提出了適用于Q420高強等邊角鋼的較為準確和安全的殘余應力分布模型和計算公式[10]。

3 焊接殘余應力數值模擬的發展趨勢

20世紀60年代，計算機開始應用到數值模擬，主要研究一維

焊接應力的產生機制。20世紀70年代，由于有限元技術的發展，數值模擬方法在焊接應力變形中的研究和應用日益廣泛，但是僅僅是應用于二維空間模型[11]。我們在實際的工程實踐中遇到的結構，往往更加的復雜和不可確定性，而且就焊接殘余應力應變本身也是存在于三維空間，這樣我們就不能把問題簡單的歸結為二維空間建模，這樣得出的結果會和實際情況有很大的偏差，所以，應用三維建模進行焊接殘余應力和應變的模擬將是未來的數值模擬的主要課題。應用三維空間建模進行模擬也存在著很多的問題，其中普遍存在的有，計算過程中的單元數量過多造成計算的自由度過多，計算機的配置無法滿足計算要求造成計算時間長和進度達不到要求等，通過近年來在焊接殘余應力應變模擬研究方面取得的進展和現有關鍵問題的分析可知，提高模擬計算的精度和效率是今后焊機模擬的關鍵問題:1)在減少自由度方面，可以應用動態的自適應網格劃分技術，即隨著熱源的移動自動的加密和放松網格的劃分程度，在熱影響區加密，在遠離熱影響區時放松;熱源的選取也十分關鍵，一個合適的熱源可以加快焊接過程的進行和計算的收斂速度，這樣可以在加快效率的同時也保證精度，但其技術細節及準確性等迄今尚無報道。2)研究表明，材料在高溫時候的力學參數值很低，計算很不容易收斂，可以通過調高材料在高溫時候的力學參數加快焊接過程的收斂，而且在加快計算的前提下不會影響計算結果的準確性，同時，為了更好的模擬焊接過程中出現的高溫熔敷現象和多層焊接問題，可以應用“生死單元”的技術。3)通過應用并行計算技術，開發高性能的并行程序和分布處理系統，是今后發展的趨勢。并行操作和高性能數據交換開關是分布式并行系統開關中重要的兩個方面。4)在減少自由度方面還可以通過減小構件的尺寸，即采用相似的理論，使得構件按照一定的比例縮小，達到減少計算量的目的，盡管結構的尺寸被縮小，但位移、溫度應力的結果并沒有受到影響，在沒有達到縮短計算時間的情況下，模型還應該做進一步的簡化。應用有限元進行三維模擬還存在著各種各樣的問題，首先要解決的就是在保證計算精度的前提下，盡量的提高計算所需要的時間，以便在實際工程中更好的推廣在三維空間下的焊接數值模擬技術。

[1] H.帕爾庫斯，和善育.非定常熱應力[M].王同生，譯.北京:科學出版社，1965.

[2] 武傳松.焊接過程的計算機模擬[A].第十次全國焊接學術會議IT與焊接專題會議[C].2001:42-43.

[3] 楊慶祥，李艷麗，趙言輝，等.堆焊金屬殘余應力場的計算機模擬[J].焊接學報，2001，22(3):44-46.

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[7] 陳麗敏，陳思作.基于ANSYS軟件的焊接工字型截面梁殘余應力的有限元分析[J].鋼結構，2003，2(18):45-52.

[8] 龍麗華，蔣 健，熊 珍.殘余應力對等截面H型鋼梁相關屈曲的影響分析[J].鋼結構，2006，24(1):49-53.

[9] 楊 文，石永久，王元清，等.結構鋼焊接殘余應力三維有限元分析[J].吉林大學學報，2007，37(2):352-387.

[10] 班慧勇，施 剛，邢海軍，等.Q420等邊角鋼軸壓桿穩定性能研究(1)——殘余應力的實驗研究[J].土木工程學報，2010，43(7):14-21.

[11] 鹿安理.焊接過程仿真領域的若干關鍵問題及其初步研究[J].中國機械工程，2002，11(1):201-205.