淺析焊縫建模及焊接變形控制

周陽

摘 要：材料要經歷熔化、重新固化和非常高的瞬間熱梯度，除了其他非線性源之外，還會出現基于非線性溫度的塑性應變和相互轉換。對于在工業生產中具有實際優勢的焊縫建模而言，大型復雜構件的最佳焊縫設計需要許多獨立的分析，解決方案的計算時間必須是可控的。目前焊縫建模技術是比較先進的，它對許多裝配式構件具有重要的影響。

關鍵詞：焊接變形；控制方法；焊縫建模

中圖分類號：TU758 文獻標志碼：A

大多數計算機焊縫模型都是基于數學和物理的模型。以下是對一個VFTTM代碼的簡要描述，文中實例采用了該代碼。我們也有用于預測和控制焊接殘余應力和變形的其他代碼。有兩個主要分析模塊，熱模型和結構模型，它們組成了焊接過程的模擬模型。熱模型（CTSP）是基于復雜的閉式分析表達式的疊加和先進的熱源理論而開發的。CTSP是非常快速的，可用于較大問題的處理。在采用能夠對材料熔化和相改變等作出說明的特殊焊接特定用戶材料程序的情況下，結構模型需要捆綁ABAQUS。

因為全移動電弧三維建模的復雜性，所以在許多情況下計算機焊縫模型都采用二維建模假定。2D假定產生錯誤結果的案例有很多。軸對稱焊縫建模已成功用于提供軸向和環向焊接殘余應力的保守預測值，尤其是在管材方面。為了控制焊接變形、殘余應力和微觀組織，已對許多大型焊縫模型進行了分析。盡管二維模型在某些情況下能夠提供合理的焊接殘余應力預測值，但變形預測必須采用三維解決方案。焊縫模型可用于控制焊接變形和殘余應力。

1 VFTTM焊縫建模工具

該建模工具由焊縫圖形用戶界面（WGUI）、綜合熱解決程序（CTSP）（或數字DFLUX代碼）和結構模型（UMAT）組成。WGUI是一個為模擬焊接過程而開發的3D圖形用戶界面程序。該建模工具為用戶提供了一個定義CTSP和UMAT焊接模擬程序的可視工具。在該軟件中CTSP和UMAT是熱和結構分析的兩個主要分析模塊。

2 綜合熱解決程序

CTSP容許大多數焊接特點，從焊縫的起始/終止效果、多焊道和基板切割圖到隨焊冷熱源和在復雜構件上移動焊接吹管。它是基于復雜閉式分析表達式的疊加和先進的熱源理論而開發的。與傳統的數字熱解決方案相比，它能夠用于獲得復雜（隨意的）焊接幾何圖形的快速熱解決方案。

3 結構模型

UMAT包括為焊接應用特殊開發的結構法。先進的UMAT-WELD程序擴展了ABAQUS在材料建模方面的能力并極大地改善了焊接應用的數據匯集。

結構法允許由焊縫的熔化/重熔效應、應變硬化效應、較大變形機制和虛擬元探測（VED）方案所導致的應力釋放以便模擬與移動電弧相關的連續的焊接元素沉積。該結構模型是通過執行一個特殊材料模塊基于ABAQUS商用有限元代碼開發的，它包括一個允許應力釋放的結構法，應力釋放是由焊縫的熔化/重熔效應、應變硬化效應、較大變形機制、焊縫金屬快速沉積特性等導致的。

UMAT-焊接的一些主要特點包括：

（1）采用場變量追蹤重要點的溫度，記錄并為焊接融合線的可視化存儲這些點所經歷過的最大溫度值；

（2）采用基于解決方案的狀態變量追蹤屈服軌跡的演變；

（3）允許用戶選擇各向同性或運動的或兩者相結合的退火應變硬化模型；

（4）鑒于預焊接初始應力等因素，將其并入了初始應力自平衡程序。

4 變形應用

焊縫建模工具能夠用于構件設計階段和構件生產階段之中。在構件設計階段，它可用于為不同的設計預測焊接引起的變形。根據因焊接引起的變形確定最優設計。

5 在構件設計中的應用

預應變。預應變是重工業中控制焊接引起的變形的一項技術。在組裝焊接構件前，根據經驗和實驗把鋼板彎成持久的形狀。焊接后，焊接引起的變形會使這個彎曲的形狀變直。為了確定預彎曲的形狀和幅度，需要進行大量的實驗。

6 構件生產中的應用

有限元模型顯示了采用GMAW焊接方法被焊接到4英寸厚環形件上的直徑100英寸長90英寸的圓筒。圓筒和環形件都是用高強度鋼制成的。最初圓筒是一片平鋼板，邊是按指定的焊縫類型制備的，采用多焊道單邊坡口滾焊進行縱向焊接。然后采用雙面半英寸T形角焊把圓筒焊接到端環上。

在加工該簡單構件前，我們使用了計算機焊縫建模工具對焊接順序進行了研究。順序是用平頭釘釘圓筒，進行多焊道滾焊，然后采用外角焊和內角焊把圓筒焊接到端環上。發現圓筒在徑向方向上的變形極大。圓筒的圓度不能滿足設計要求。在把圓筒焊接到端環上之前必須進行修正。

7 無效最優焊接順序

焊接順序在控制變形方面一直被廣泛采用，但根據焊接經驗不能確定最佳焊接順序。隨著焊縫建模技術的發展，有可能開發新的焊接變形控制方法。

焊接順序在減輕焊接引起的變形方面并非總是有效的。它還取決于焊接構件的幾何形狀。在焊接期間，兩個孔用螺栓固定。焊接后焊縫收縮，產生彎曲應力，使該構件的遠端升起。如果構件的遠端在焊接期間被夾住，變形會減小。

8 預彎曲技術

預彎曲技術是重工業中控制由焊接引起變形的一項技術，它不同于預應變，預應變就是在焊接前通過液壓工具把夾具上的焊接構件彎曲到某個形狀。預彎曲技術可以分為4個步驟：（1）通過點焊把鋼板組裝成一個零件；（2）采用液壓工具把該零件預彎曲成某個形狀；（3）焊接該零件；（4）釋放預彎曲和夾具。如果預彎曲形狀和幅度是最佳的，焊接后零件的變形會非常小。

對特定的焊接構件而言，在焊縫建模工具開發前，材料和焊接熱輸入、預彎曲形狀和幅度是通過經驗確定的。為了把焊接引起的變形降低到產品所要求的公差范圍內，需要多次重復的實驗。這極大地增加了焊接操作的成本。

因此，我們把焊縫建模程序用于模擬預彎曲效果。通過把該零件預彎曲成不同的形狀和幅度來進行幾個試驗預彎曲和焊接分析。結果顯示如下 ：一個具有均勻的預彎曲幅度，另一個具有不均勻的預彎曲幅度。無論是焊接前預彎曲的形狀和不均勻的幅度還是去除預彎曲夾具后最終的變形形狀和幅度都在該產品所要求的變形公差2mm以下。CMM測量顯示焊接后該板的平度在1mm～2mm。預彎曲的設計過程不是一個嘗試不同圖形直到達到理想的最終變形公差的隨意過程。一般來說，分析始于無預彎曲。首次分析把預彎曲位置處的變形值用作初始值。進行分析，釋放限制，獲得一套新的變形值。然后把這些值用于下次的重復，直到達到理想的公差為止。一般來說，需要重復5次～10次，然后可得到一個不均勻預彎曲圖形。通過夾具的實際性質來平衡最佳的預彎曲圖形。因為夾具本身也是采用該程序設計的，所要求的預彎曲約束力源于焊縫分析。

生產記錄對構件的使用壽命有重要的影響。疲勞、腐蝕裂紋、斷裂等都能受先前記錄的影響。進行包括焊接引起的殘余應力構件損壞評定過程中一般會忽略先前記錄。變形、殘余應力、疲勞和斷裂的評定經常是在假定所用材料是未受損和無記錄的情況下進行的。

結論

本文對采用基于計算機的焊縫建模軟件對焊接引起的變形控制技術、焊縫設計優化、預應變、最佳焊接順序和預彎曲進行了研究。通過采用計算機焊縫建模可從計算機模擬中獲得最佳變形控制參數。因此，可降低焊接操作成本，縮短初樣周期，改善焊接構件的整體性。

參考文獻

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