摘要：焊接作为一种灵活高效的连接方式广泛运用于桥梁、船舶、建筑、航空、压力容器等制造业，然而，随之而来的焊接结构残余变形也一直困扰着焊接界。焊接变形的存在不仅造成了焊接结构形状变异，尺寸精度下降和承载能力降低，而且在工作荷载作用下引起的附加弯矩和应力集中现象是焊接结构早期失效的主要原因，也是造成焊接结构疲劳强度降低的原因之一。基于此，本文主要对焊接变形预测技术研究进展进行分析探讨。
关键词：焊接变形；预测技术；研究进展
1、前言
焊接变形预测对焊接结构的生产和使用具有重要意义，然而进行准确的焊接变形预测较为困难。导致焊接变形预测不准确的主要因素有:焊接变形机理的复杂性;一些重要的物理数据在材料处于高温时难于测定;热力分析过程中的误差积累。传统的焊接变形预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。近年来，随着计算机技术的飞速发展，有限单元法成了研究复杂结构力学的主要的数值方法，许多焊接残余应力和焊接变形的研究都采用计算机模拟技术。计算焊接力学的发展，热弹塑性有限单元法和固有应变法在焊接变形预测中的成功应用，使焊接变形预测有了坚实的理论基础。
2、预测焊接变形的方法
国内外学者对焊接变形的研究至今已有半个多世纪的历史，关于焊接变形预测方法也取得了不少研究成果。这些方法归纳起来可分为三类：经验法，解析法和数值模拟法。其中经验法是通过查找焊接手册上的经验公式和数据曲线来估计焊缝的收缩量和角变形量。这些经验数据是在一定条件下的试验或生产实际中得到的，且针对最简单的情况，存在相当的局限性。焊接数值模拟的发展是从解析法开始的。随着数值计算技术的发展，逐步过渡到有限差分法和有限单元法。在近几年的发展中，随着有限元软件的开发及其良好的使用效果，有限元法已占据了主导地位。近年来，数值模拟已经成为焊接研究方面的主要手段。本文将重点介绍数值模拟技术在焊接变形预测领域的运用方法和模拟技术进展。
3、焊接变形数值模拟
焊接数值模拟的理论意义在于通过对复杂或不可观察的焊接现象进行模拟和对极端情况下尚不知的规则的预测，以助于认清焊接现象的本质，弄清焊接过程的规律。焊接数值模拟的现实意义在于根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优化结构设计和工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接质量。1970年代初，日本的上田幸雄等[2]首先以有限元法为基础，提出了焊接热弹塑性分析理论，从而使复杂的动态焊接过程的应力应变分析成为可能。随后，许多国家的研究者加入到焊接数值模拟的研究行列，建立的数值模型从一维发展到二维，再到目前重点研究的三维；模拟对象从简单的平板堆焊、对接焊到角焊缝，再到目前的研究热点多道焊；研究内容从焊接接头的收缩变形到角变形，再到大型复杂焊接结构的整体变形。数值模拟作为一种强有力的定量研究手段，不仅可以用来帮助理解焊接现象的本质，预测残余应力和变形，国内外的研究者们还以此为工具，研究控制和减小残余应力，优化焊缝质量的工艺方法。
3.1热弹塑性有限元法
理论上讲，热弹塑性有限元法是焊接数值模拟最重要、最一般的方法，它跟踪整个焊接热循环过程，可以同时考虑许多重要因素的影响，除了用来预测焊接残余应力和变形，也可用以分析裂纹、疲劳、断裂等现象。热弹塑性有限元法预测焊接变形的过程为：先进行焊接热循环分析，得到整个焊件在焊接过程中任一时刻的温度场，再将温度场输入热弹塑性有限元分析程序，进行应力和变形的分析计算。
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焊接热循环温度场的准确计算是焊接应力与变形准确预测的前提。用于求解温度场的热源模型有许多种。最早使用的是点热源、线热源和面热源，分别用于不同形式焊件的温度场解析解。这种热源形式简单，但计算结果精度差。在焊接温度场二维分析中广泛运用的是经典的高斯热源模型，这种模型以及后来在其基础上发展提出的双椭圆高斯热源模型都没有考虑电弧对熔池的冲击作用，对于高能束焊接存在较大误差。1985年Goldak[1]提出的椭球热源和改进的双椭球热源不仅可以考虑电弧力的作用，而且可以弥补熔池内液体流动对热传导的加快作用。双椭球热源适用于厚板焊接的三维数值分析。焊接热循环数值模拟中常常要处理熔敷金属填充过程，常用的方法有两种：一是改变填充单元的材料特性，焊前赋予焊缝填充单元的弹性模量和热导率一个很小的数值，即认为焊缝部位材料不参与传力和传热，焊时和焊后单元的材料数据可按随温度变化的材料特性来处理；第二种是改变单元的“死活”，焊接过程中，焊缝处的单元根据一定的判定准则一个个顺序地被激活。相变潜热对焊接温度场有着重要影响，通常用定义随温度变化的材料比热或焓来考虑相变潜热的影响。熔池内流体的流动增加了材料的传热速度，可通过增大有效热传导系数的方法来间接考虑流体流动对温度场的影响。
3.2固有应变法
热弹塑性有限元法原理上可以解决复杂焊接结构的应力和变形问题，但是该法耗用大容量计算机和很长的计算时间，因而难以满足工程实际需要。固有应变法是一种能相对比较经济地预测大型复杂焊接结构变形的方法，有很大的实用意义和发展前途。所谓固有应变可以看成是残余应力和变形的产生源，焊后存留于焊缝及其附近区域。只要知道固有应变的分布规律，就可以仅用一次弹性有限元计算来预测焊接变形。
用固有应变法预测焊接变形，大多默认如下假定：某方向的残余变形与该方向上的应变是唯一对应的。例如，焊缝纵向收缩变形用纵向固有应变分量计算，与其余5个应变分量没有关系。基于此假定的焊缝纵向、横向收缩变形固有应变法预测结果与试验值吻合得较好，但关于T型焊接接头角变形预测却少有报导。用PDA法预测的角变形值精度为弹塑性有限元法的97%。由此可见，只有正确认识焊接变形产生的本质，才能充分有效利用固有应变法。
3.3其它方法
热弹塑性有限元法和固有应变法是最广泛使用的焊接数值模拟方法。除此之外还有线弹性体积收缩法、人工神经网络法等。体积收缩法类似于固有应变法，它假定熔化金属冷却过程中的热收缩是导致焊接变形的主要因素，利用试验或数值模拟得到的接头处垂直于焊缝方向发生熔化部分的截面形状，在有限元模型中将该部分单元一次性施加900℃的温度初始条件，然后模拟冷却过程，得到残余变形。人工神经网络具有自组织、自学习、自适应及非线性特性，适合受诸多因素影响的焊接变形的预测。国内的刘黎明[17]在这方面作出了较多研究。
4、结语
焊接变形预测与焊接变形控制是焊接结构制造过程中两个非常重要的内容，二者的发展密切相关。现代科学技术的进步使人们能够不断认识焊接变形机理，掌握焊接变形规律，从而能够在焊接结构制造过程中实施合理的控制方法。随着并行有限元技术、相似理论、优化理论、神经网络与模糊控制技术在焊接变形预测中的成功应用，焊接变形预测技术将向精确化和工程化的方向发展，焊接变形问题可以得到有效控制，焊接结构制造也必将迈向先进制造技术的行列。
参考文献
[1]蔡志鹏，赵海燕，鹿安理，史清宇.焊接数值模拟中分段移动热源模型的建立及应用[J]，中国机械工程，2002，(3)：208-210.
[2]刘黎明，梁国俐，刘玉君.基于人工神经网络的船舶高强钢焊接变形分析预测[J].焊接学报，2002，23(1):27-29.
论文作者:杨林兵
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/3/13
标签：数值论文; 热源论文; 塑性论文; 应力论文; 有限元论文; 残余论文; 结构论文; 《基层建设》2018年第36期论文;