厚板焊接殘余應力分布受焊接順序的影響探析

翟磊

摘 要： 焊接是不均勻加熱和冷卻的過程，其熱過程具有局部性和瞬時性的特點。焊接時接頭區會發生不同程度的熱彈塑性變化，焊后將產生不均勻的殘余應力。在實際焊接過程中，由于溫度處于驟熱驟冷狀態，焊接接頭產生殘余應力是較為常見的形態，當殘余應力超出所焊接材料屈服極限后，會使焊接結構的有效截面積減少，誘發脆性斷裂和降低焊接結構的屈服強度。因此，需要技術人員給予焊接殘余應力必要的關注，并對其影響因素進行深度剖析。本文對焊接順序影響厚板焊接殘余應力分布的原因進行了簡要分析，并集中闡釋了研究焊接順序影響厚板焊接殘余應力的過程，旨在為相關技術研究人員提供有價值的參考建議。

關鍵詞：焊接順序 厚板焊接 殘余應力 分布

中圖分類號：TG4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）02-0299-01

一、焊接順序影響厚板焊接殘余應力分布的原因

焊接順序會影響焊接結構的溫度場以及焊接變形結構，在焊接工藝開展過程中，相關技術人員要結合實際情況，結合相關耦合參數，積極應用相應的管理機制。對于焊接材料來說，焊接殘余應力會導致焊接過程中出現冷裂紋，也會導致元件出現疲勞裂紋和應力腐蝕裂紋。之所以焊接順序會對應力產生影響，追究其原因，主要是由于在實際焊接過程中，會存在冷熱不均的問題。在焊接過程中相應的元件在受熱方面存在不足，就導致整體結構的應力分布出現安全隱患。

正是基于此，需要相關技術人員結合實際需求，建構更加有效的系統化運行模式。而研究殘余應力的主要路徑為試驗模擬，對被測對象產生一定程度的破壞，且成本較高，多數研究都選取后者[1]。

二、研究焊接順序影響厚板焊接殘余應力的過程

在實際處理過程中，多數技術人員對于退火溫度和反應的關注度都較高，且整體溫度管控水平也非常明顯，待結構冷卻到一定溫度后，則需要對其進行再次加工硬化，并在有限元模型建構過程中，提高數據和具體參數的完整度。例如，在建立模擬奧氏體不銹鋼厚板多道焊接接頭模型的過程中，要保證焊接試件的整體制造結構符合要求。在焊接完成后，要利用切條的方式對殘余應力進行集中分析。并且利用機械研磨的機制對焊接位置進行有效地磨平，以保證1號焊道和4號焊道以及3號焊道和6號焊道能有效的貼合在電阻結構上。利用公式對其橫向殘余應力和縱向殘余應力進行系統化分析。其中，縱向殘余應力，具體公式為；橫向殘余應力，具體公式為。

在模型建立過程中，主要利用的是厚板結構，也就是說，在熱量輸入參數不大的情況下，焊接產生的殘余應力對于模型不會產生過于敏感的效應。主要是借助體積熱源對焊接熱輸入值進行分析，在對焊接縫局部形狀進行研究的基礎上，要對熱源截面形狀進行有效的劃分，確保密度體積熱源長度和初始單元長度相同，具體計量數據控制在0.53厘米，利用熱流密度公式對熱源進行計算，并借助非線性傳熱結構對工件內部傳導過程進行系統化分析，從而確保工件和外部環境之間能形成有效的對流和輻射[2]。

另外，目前利用遺傳算法對焊接順序進行優化，從而合理化分布焊接應力的方式也較為常見，通過建立有限元初始模型，利用相關軟進行多作業選擇機制，能在踐行熱機耦合的基礎上對相關有限元進行集中分析，并且生成有效的數據文件，指導焊接技術人員利用最佳焊接順序進行焊接操作，一定程度上提高整體運行的有效性。不同焊接順序和字符串一一對應，通過焊接順序的數目判斷相應的適應度參數結構，從而借助遺傳算子的計算模式提高整體運行維度和實效性。

在進行焊接殘余應力計算的過程中，要對彈性應力和應變關系進行系統化分析，并且保證其關系遵循胡克定律，熱應變數據結構主要是依據膨脹系數，并對塑性變形進行集中計算。例如，在實際機構建立和計算模型構建過程中，由于奧氏體不銹鋼在加工過程中硬化程度較為明顯，需要設計人員在有限元模型中對其不同硬化結構進行效果分析，也要充分考量退火效應，并設定退火溫度為800攝氏度。為了有效避免應力計算結構中出現問題，避免過高預測焊縫的金屬殘余應力，需要對材料以及焊接材料的力學性能進行集中審定，保證殘余應力符合標準參數系統要求[3]。

二、焊接順序對殘余應力分布的影響

焊接殘余應力產生的主要原因是由焊接過程中焊件不均勻受熱所產生的。以熔焊法為例，影響殘余應力的主要因素體現為，第一，材料熱學性能和力學性能的影響。常見金屬材料的熱學性能在給定的溫度T區間的平均值。其中熱膨脹系數α和導熱系數λ是決定焊接熱應力-應變的重要參數。熱膨脹系數α、導熱系數λ，比熱容c，密度Q，熱燴S等都是影響焊接溫度分布的主要物理參數。第二，不同類型焊接熱源的影響。產生焊接應力的決定性因素是焊接時的熱輸入。焊接熱源的種類、熱源的變化速度、熱能密度的分布、焊件的形狀與尺寸等都影響著熱源引起的溫度場分布，因而影響著焊接殘余應力的分布規律。

在建構計算模型的過程中，除了要對模型內部相關參數的精度進行分析，也要對焊接順序進行集中管控，并利用算式分析焊接順序不同產生的殘余應力分布差異。若是沒有添加外部結構，則實際模擬能有效防治模型在實際計算過程中出現剛體位移情況。主要是對縱向殘余應力和橫向殘余應力等數據進行系統化分析，并且確保能對試驗值進行系統化比較和處理。

在研究焊接順序對中厚板對接焊殘余應力影響的過程中，要結合試驗項目和數據理論算法，提高對工序的認知程度，也要借助相關模型的模擬對焊接順序進行系統化分析和綜合處理，進一步對不同焊接順序下橫向殘余應力和縱向殘余應力支架的關系進行分析，從而確保焊接項目的優化運行。在計算機技術和焊接計算能力不斷發展的進程中，要在提升建模能力的同時，強化分析機制的有效性，也為焊接項目的可持續發展奠定堅實基礎。在研究過程中，建立的有限元數據分析和模型在計算多焊道焊接結構的過程中，具有一定的優勢，能提升整體檢測和計算精度。若是在焊道結構中，兩條焊道的首尾部位能實現對接，且焊接位置在焊道中央，則能對橫向殘余應力和縱向殘余應力進行較為直觀的區分，其不會出現明顯的連續。而在距離試件中央部位一定距離的位置，縱向殘余應力和橫向殘余應力均會出現在谷底位置，且后焊焊道的縱向殘余應力要較之母材料屈服極限高出許多。究其原因，一方面是由于在處理過程中，有效的結合在加工硬化結構。另一方面，主要是由于焊件本身的結構，內拘束力相對較大[4]。

在實際焊接過程中，模型表面的形狀很重要，焊接殘余應力受到焊接順序的影響較大，特別是在橫向殘余應力的研究方面，后焊的焊道橫向殘余應力的具體參數比較高。而在出現貫穿焊縫時，除了設備兩端由于幾何端反應導致的應力偏低以外，別的區域結構和殘余應力分布流線較為平緩，甚至可以視其為定值。也就是說，中央焊縫結構周圍變化幅度若是有偏大跡象，相較于縱向殘余應力，橫向殘余應力尤為突出，而在距離中央焊縫一定距離的地方，差異最明顯[5]。

結束語

綜上所述，在焊接過程中，要綜合多方面因素，提高焊接水平和焊接質量。第一，在對厚板多道焊縫的橫向殘余應力和縱向殘余應力進行分析的過程中，基本計算模型和試驗模型較為相似，從側面證明了計算系統以及具體模型建立的有效性。第二，在首尾相接的焊縫結構中，不連續現象非常明顯，而對于焊道，先焊焊道的實際殘余應力數據較后焊焊道的殘余應力數據更高。第三，焊接順序不僅僅會導致殘余應力沿著焊縫進行不均勻布置，也會在后焊過程中出現殘余應力峰值[6]。若是利用連續焊接，縱向殘余應力和橫向殘余應力的數據結構分布較為平緩。

參考文獻

[1]戴晴華，季鵬，殷晨波等.焊接順序對中厚板對接焊殘余應力的影響[J].機械設計與制造，2014，15（07）：64-66.

[2]黃煉，黎清寧，屈婧婧等.中厚板T形接頭焊接順序的模擬研究[C].IFWT2014焊接國際論壇——高強鋼先進焊接技術國際論壇論文集.2014：105-109.

[3]鄧德安，清島祥一.焊接順序對厚板焊接殘余應力分布的影響[J].焊接學報，2013，32（12）：55-58.

[4]黃煉，黎清寧，屈婧婧等.中厚板T形接頭焊接順序的模擬研究[J].電焊機，2014，44（05）：105-109.

[5]傅定發，周長青，李燦等.焊接順序對薄壁八邊形管-板焊接接頭殘余應力的影響[J].中國有色金屬學報（英文版），2014，14（03）：657-664.

[6]姬書得，方洪淵，劉雪松等.焊接順序對混流式水輪機轉輪焊接應力的影響[J].機械工程學報，2015，41（08）：224-227.