薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測(cè)與控制研究

【關(guān)鍵詞】 薄板結(jié)構(gòu) 焊接變形 預(yù)測(cè)與控制 

　　近年來，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)制造技術(shù)水平不斷上升，促使薄板結(jié)構(gòu)在制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。可是其焊接變形問題尚未得到有效根治，這無疑對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量埋下了一定的隱患，因此我們有必要對(duì)其焊接變形做出合理的預(yù)測(cè)，然后加以有效控制，進(jìn)而提高薄板結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量，促進(jìn)薄板制造行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。 

　　1 薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測(cè) 

　　FEM（有限元）方法可對(duì)薄板結(jié)構(gòu)焊接的動(dòng)態(tài)過程加以跟蹤分析，進(jìn)而獲取精確的變形數(shù)值。其中固有應(yīng)變法可對(duì)焊接過程中的溫度、塑性、相變?nèi)�大�?yīng)變加以計(jì)算、分析和比較，從而得出變形數(shù)值，可解決復(fù)雜的大型結(jié)構(gòu)的焊接變形預(yù)測(cè)；熱彈塑性分析則可通過對(duì)熱應(yīng)變行為的動(dòng)態(tài)跟蹤計(jì)算熱應(yīng)力和應(yīng)變量，以此掌握焊接應(yīng)力產(chǎn)生和變形過程；此外融合了二維熱彈塑性模擬和三維結(jié)構(gòu)屈曲分析的新興技術(shù)雖尚在試驗(yàn)階段，但明顯有助于減少計(jì)算量、提高預(yù)測(cè)精度[1]。下面結(jié)合實(shí)例對(duì)FEM方法在薄板結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測(cè)中的應(yīng)用加以闡述。 

　　已知薄板材料為4mm的Q275，采用CO2氣體保焊進(jìn)行焊接，詳情見圖1，然后借助ABAQUS/CAE6.10的軟件為其構(gòu)建了有限元幾何模型，并用單元S8R和DS4分析了應(yīng)力和熱值，且焊縫、起始點(diǎn)、加強(qiáng)筋等名稱和位置均定義合理；接著借助軟件模擬了薄板結(jié)構(gòu)焊接變形過程，將其轉(zhuǎn)化為分析輸入文件后，添加了單元以模擬焊接材料填充，其中熱量值是由焊接速度和熱輸入值決定的，而q（熱流密度）和t（加熱時(shí)間）分別由公式和決定（L、v、、U、I、分別代表加熱長(zhǎng)度、焊接速度、焊接熱效率、電壓、電流、添加熱量單元體積），同時(shí)利用ABAQUS/STATIC有限元軟件對(duì)焊接應(yīng)力進(jìn)行靜態(tài)分析，為使預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，不僅增設(shè)了阻尼器，且借助SW軟件模擬了動(dòng)態(tài)環(huán)境。試驗(yàn)表明，雖然薄板結(jié)構(gòu)焊接的預(yù)測(cè)性狀與實(shí)測(cè)性狀并不完全一致，但實(shí)際變形主要體現(xiàn)在垂直方向上，且該方向的變形預(yù)測(cè)值與實(shí)際變形值相吻合，故焊接變形預(yù)測(cè)準(zhǔn)確[2]。 

　　2 薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的控制 

　　2.1 重視優(yōu)化焊接設(shè)計(jì) 

　　根據(jù)薄板結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測(cè)分析，我們可以從中發(fā)現(xiàn)不足，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小其變形量，如焊縫尺寸要規(guī)范，形式要合理，位置要得當(dāng)，同時(shí)盡量減少焊縫數(shù)量，保證以對(duì)稱形式安排焊縫，并最好使其分布在結(jié)構(gòu)中心線附近，此外還應(yīng)基于實(shí)際情況選擇恰當(dāng)?shù)暮覆摹?nbsp;

　　2.2 正確選擇焊接工藝 

　　選擇焊接工藝時(shí)，盡量采用反變形、剛性固定等基本方法，其中反變形法要基于對(duì)薄板結(jié)構(gòu)焊接變形大小和方向的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，使其形成方向相反且大小相同的變形；而剛性固定法則要將焊件固定于剛性足夠的夾具上，以此提高構(gòu)件剛度，然后配以焊縫冷卻和剛性固定去除。若結(jié)合其他工藝方法，變形控制效果會(huì)更為理想，如散熱法可有效縮小薄板結(jié)構(gòu)焊接過程中形成焊接熱場(chǎng)，進(jìn)而消除殘余應(yīng)力減小變形；壓鐵法可將壓鐵分布于焊縫兩側(cè)用于控制變形；此外低應(yīng)力無變形焊接法也較為常用，即通過事先預(yù)熱、墊置銅塊、通水冷卻、剛性固定等交替操作分散焊接中殘余應(yīng)力場(chǎng)，以防止薄板結(jié)構(gòu)因壓縮失穩(wěn)而變形。 

　　此外還應(yīng)重視焊接順序和參數(shù)的選擇，如具有高熔敷效率、低線能量的工藝參數(shù)可有效控制焊接變形，但要盡量降低焊縫的熱輸入，以此縮小焊熱影響范圍；針對(duì)焊縫較長(zhǎng)等情況，不僅要注意其焊接方向和順序安排，也要盡量選擇逐步退焊、對(duì)稱焊等方法；而在著手薄板結(jié)構(gòu)焊接前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行合理點(diǎn)焊，并在保證焊透的基礎(chǔ)上縮小焊件間隙，及時(shí)清除熔渣、毛刺等，以此強(qiáng)化剛性，減小變形。 

　　2.3 妥善處理焊接缺陷 

　　當(dāng)薄板結(jié)構(gòu)焊接出現(xiàn)變形后，我們要采取措施予以補(bǔ)救，如火焰加熱法，即利用特定的氣體火焰對(duì)其構(gòu)件伸長(zhǎng)處進(jìn)行加熱，以此使其因高溫出現(xiàn)塑性變形、冷卻發(fā)生縮短變形而實(shí)現(xiàn)變形矯正；機(jī)械法，如常見的輥壓法、錘擊法等，可使薄板結(jié)構(gòu)在外力的作用下產(chǎn)生塑性變形，且其與焊接變形方向相反，以此抵消原有的變形。但在應(yīng)用上述缺陷矯正方法時(shí)，應(yīng)視具體情況而定，并對(duì)所用工具、力度、時(shí)間、溫度等相關(guān)因素加以嚴(yán)格控制，以免適得其反，這也反映出我們應(yīng)盡量做好變形預(yù)測(cè)和控制，減少變形矯正，畢竟預(yù)防為主是控制薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的有效手段。 

　　3 結(jié)語 

　　總之，薄板結(jié)構(gòu)焊接變形既是薄板結(jié)構(gòu)制造行業(yè)的重點(diǎn)研究課題，也是焊接技藝領(lǐng)域的一大現(xiàn)實(shí)難題。為改善薄板結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量，增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用性能，我們必須借助先進(jìn)的技術(shù)方法對(duì)其焊接變形加以合理的預(yù)測(cè)和有效的控制，以此推動(dòng)薄板產(chǎn)業(yè)和焊接技藝共同發(fā)展。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　[1]侯志剛.薄板結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)測(cè)與控制[D].華中科技大學(xué)，2010（06）. 

　　[2]胡忠平，鄭惠錦.船舶薄板結(jié)構(gòu)焊接變形模擬預(yù)測(cè)[J].造船技術(shù)，2012（12）.