對Q345鋼板焊接應(yīng)力與變形的分析

張露 張屹 陸 袁有錄

三峽大學(xué)機械與動力學(xué)院（443002）

對Q345鋼板焊接應(yīng)力與變形的分析

三峽大學(xué)機械與動力學(xué)院（443002）

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

彈熱彈塑性分析；殘余應(yīng)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(yīng)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(dá)。

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(yīng)變和應(yīng)力五者之間的關(guān)系,從而得出焊接過程中的應(yīng)力、應(yīng)變的變化過程,焊后的殘余應(yīng)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(dá)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(yuǎn)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(yīng)力[1]。

5.2 焊接殘余應(yīng)力分析

當(dāng)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(yīng)力，在周圍的金屬中會形成壓應(yīng)力[2]。

殘余應(yīng)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(yīng)力，應(yīng)用以下四種方法進行解決：

在局部可以稍微加熱，焊接時應(yīng)降低焊件的剛度，使金屬變?nèi)彳洠瑴p少殘余應(yīng)力；

收縮量大的焊縫優(yōu)先焊接；

采用機械拉伸法（預(yù)加載法）消除或調(diào)整；

進行整體消除應(yīng)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(dá)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力與變形提出相對應(yīng)的措施來避免大殘余應(yīng)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(xué)學(xué)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(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2010(6)：1007-1009.

國家自然科學(xué)基金項目（71501110）