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    焊接結構變形預測及控制的研究現狀

    作者:西安鈞同機電  來源:西安鈞同機電   更新時間:2021-04-06  閱讀數:4882
     
                      焊接結構變形預測及控制的研究現狀
    摘 要:
         本文綜述了國內外對于焊接變形預測和控制的主要方法及其研究現狀。首先介紹了預測焊接變形的幾種方法:解析法、熱彈塑性有限元法、固有應變法(固有應變有限元法、熱彈塑性有限元獲得固有應變法)等;其次簡述了工程中一些常用的控制焊接變形的措施:制定合理的焊接工藝規程、反變形法、系統綜合分析法等;最后對焊接變形的預測與控制提出了展望。關鍵詞:焊接變形;變形預測;變形控制
           焊接過程將帶來不可避免的焊接變形和殘余應力,大大影響了產品的質量和服役使用。由于焊接過程是一個涉及到冶金、電弧物理、傳質傳熱和力學的復雜過程,焊接變形的影響因素非常復雜,因此對于其中的規律,很難準確的掌握。時至今日,多數情況下對于焊接變形問題的處理仍然需要依靠經驗來完成。如果能夠準確的掌握焊接變形的預測方法,將會給焊接變形的控制提供一定的理論基礎和理論指導,在實際的生產中,就可以根據預測的結果選擇最合理的結構和生產工藝,來提高生產效率和產品質量。
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    1    焊接變形的預測方法
            多年來國內外學者對于焊接變形、焊接殘余應力的預測做了大量的研究,隨著計算機技術的發展和諸如ANSYS、ABAQUS、MARC等分析軟件的開發,以前很多無法實現的問題都有了解決的可能,取得了不少研究成果。焊接變形的預測主要有:解析法、數值模擬等方法。
    1.1    解析法
            最早的解析法是基于彈性理論,應用物理和數學理論推導和演繹數學模型,得到用函數形式表達的解,即解析解。20世紀30年代,D.Rosenthal, H.H.雷卡林[1-3]采用解析法研究了熱源瞬時集中于點、線、面條件下的焊接熱工程,該解析過程假設材料在任何溫度下都是固體狀態,不發生相變, 材料性能不隨溫度產生變化且材料的尺寸是無限大的,這些假設條件和實際情況有很大差異,模擬結果和實際情況差別很大。1940年,前蘇聯的奧凱爾勃洛姆[4]對焊接殘余應力和變形的起因和分類進行了研究,建立了確定焊接殘余應力和變形的理論方法。后來的研究者們基于該理論,提出了以殘余塑變來計算焊接變形的解析法。該方法是基于橫截面假設的基礎上,因此只能做一些簡單的焊接變形的預測。20世紀50年代,Watanabe M和Satoh K[5] 對于低碳鋼薄板焊接變形的翹曲現象,提出了焊縫收縮的概念和預測變形的公式。解析法只考慮了殘余塑性變形,假設所有區域都保持彈性,解決問題的范圍非常有限,對于解析條件的要求非??量?。
    1.2    焊接變形的數值模擬
            焊接數值模擬的發展是建立在解析法的基礎之上的,用計算機程序來求解數學模型的近似解,又稱為數值模擬。隨著計算機技術的迅猛發展,采用計算機模擬技術,不僅成功并直觀的表達出了溫度場的變化情況,而且可以對焊接熱應力和焊接變形進行準確的預測。數值模擬最常用的方法是差分法和有限元法。得益于這兩年多種大型有限元模擬軟件的開發,諸如MARC、ANSYS、ABAQUS等軟件可以比較準確的模擬焊接變形問題,有限元法在焊接變形預測方面也越來越占據主導地位。
    1.2.1    熱彈塑性有限元法
            熱彈塑性有限元法是目前使用非常廣泛的一種方法,它是跟蹤整個焊縫的焊接過程,先是做焊接過程熱循環的分析,得到焊接過程的溫度場, 再把溫度場作為初始條件加載到熱彈塑性有限元程序中,得到焊接的應力應變場,即可做焊接變形的分析。它可以預測不同的焊接方法,不同的焊接接頭形式,不同材料的焊后變形,也可以做焊接強度、斷裂、裂紋和殘余應力的分析。
            對此國內外學者做了大量的研究。在國外, 20世紀70年代,日本的上田辛雄和OKumoto[6],以有限元方法為基礎,提出了機械性能隨溫度變化的焊接熱彈塑性分析理論,推導出了模擬焊接熱應力的表達式,并且成功的模擬出了動態焊接應力應變過程,開創了計算焊接力學的新學科。要想準確的預測焊接變形,需要在之前得到準確的焊接溫度場,用于溫度場的熱源模型最早的是點熱源、線熱源、面熱源,分別用于不同焊件的焊接溫度場模擬[7]。之后,美國的G.W.Krutzy[8]在其博士論文中建立了二維焊接熱源模型,并考慮了相變潛熱的問題。加拿大學者J.Goldak[9]提出了雙橢球形熱源模型,這使得熱源模型進一步得到改進,計算精度也大大提高了,雙橢球形熱源適合做厚板的三維數值模擬。
            在國內,20世紀80年代初期,部分高校和研究所在焊接熱彈塑性理論和數值模擬方面展開了研究工作。1981年唐慕堯編制了有限元傳熱程序, 對薄板焊接準穩態溫度場進行了模擬[10]。上海交大則開發出了二維平面變形和軸對稱的焊接彈塑性有限元方程程序[11],并在薄板、厚板和殼體對接模型進行了分析應用。近年來,上海交大和日本大阪大學對三維實體的焊接溫度場及應力應變問題進行了共同研究[12],并提出了改善計算精度和提高收斂性的方法。此外, 天津大學也展開了應用熱彈塑性有限元法預測焊接變形和焊接應力的研究,分別對薄板結構的客車側墻焊后失穩變形以及管道環焊縫焊接應力進行了計算。所得的模擬結果和實驗結果基本一致[13]。
            在采用熱彈塑性有限元法時,對于焊接熔覆金屬填充焊縫過程的模擬是一個難點。通常采用“生死單元法”焊接過程中,焊縫處的單元根據一定的判定準則一個個順序地被激活。
    1.2.2    固有應變法
            當前,盡管熱彈塑性有限元法可以被用來有效的預測小型和中型結構件的焊接殘余應力和變形,但是這種方法對于大型結構件焊接變形的模擬是不可行的,因為需要大量的計算時間,而且對計算機性能的要求極高。為了能夠找到預測大型結構件焊接變形的有效方法,過去幾十年,許多學者做了大量的研究。Ueda和他的合作者[14]研究T型和I型接頭端部的固有應變的特性分布,并且用固有應變來預測焊接殘余應力。最近,Jung和Tsai[15]提出了一種叫做基于塑性變形分析(PDA)的方法,用來研究T型接頭角焊時累積的塑性應變和角變形之間的關系。在他們的研究當中,六次累積塑性應變和角變形之間的關系被論證出來。他們也研究了在使用PDA程序的時候外部約束和熱處理對于累積塑性應變和角變形之間關系的影響。
            目前用的比較多的兩類固有應變法是固有應變有限元法和熱彈塑性有限元法獲取固有應變的方法。
            (1)固有應變有限元法
            所謂固有應變可以看成是內應力的產生源。固有應變有限元法避開整個焊接過程,著眼于焊接以后在焊縫和近縫區存在的固有應變。如果能找到固有應變大小和分布與焊接參數以及焊件尺寸等的關系,那么將固有應變作為初始應變值進行一次彈性有限元計算,就可以得到整個焊件的殘余應力和變形,從而大大減少了計算工作量。
            汪建華教授對此作了大量的研究,取得了豐碩的成果。在文獻[16]中他認為固有應變存在于焊縫與近焊縫區,并與焊接熱輸入和板厚等因素有關,通過試驗和熱彈塑性分析,可以確定它們的關系曲線。Wx、Wy、Z、e則是四個確定焊接變形的決定性參數,Wx=KQ,Wy=ξQ, 其中Wx表示縱向總的固有應變,Wy表示橫向總固有應變,Z為Wx中心到截面中心距離,e為Wy 的偏心矩。之后e、ξ通過與熱輸入以及板厚之間的關系曲線確定,而Z和K通過簡化的解析法由經驗公式確定。之后他將此方法應用在了大型焊接船體結構對接環縫的變形分析和轎車副車架的焊接變形分析中,取得了良好的效果。
            (2)熱彈塑性有限元法獲取固有應變
            目前國內的多數固有應變法,主要獲取縱向固有應變和橫向固有應變,而固有應變包括縱向固有應變、橫向固有應變、角變形。
            文獻[17]中,日本學者使用ABAQUS分析軟件, 運用熱彈塑性有限元法獲取了不同焊接接頭處的固有變形。他認為,除彈性、塑性和熱應變,在焊接過程中的固態相變增加了兩種附加應變。一種是體積變化的相變應變;另一種是相變塑性應變。對低碳鋼而言,相變對于焊接殘余應力和變形的影響并不重要,總體的應變應該由彈性、塑性和熱應變三者組成。彈性應變使用帶有楊氏模量和柏松比的等向胡克定律來模擬。對于塑性應變部分,使用帶有Von-Mises屈服表面,溫度相關的材料特性的塑性模型來模擬。最后通過熱彈塑性有限元法,在ABAQUS中分析得到橫向收縮、縱向收縮力Tendon Force、角變形。之后通過一次彈性有限元分析得出焊接變形和殘余應力,最后用實驗驗證了該方法所得結果與實際情況相符合。
     
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    2    控制焊接變形的措施
    2.1    選擇科學的設計方法
            為減少焊接件的變形,首先應從產品設計入手。在設計中,應充分利用力學、機械原理、金屬材料等知識,使設計、加工質量、生產率得到提高。
    2.1.1    合理選擇構件結構:認真分析構件的特點,材料、生產規模、技術要求和前后加工工序的聯系,盡量做到構件穩定、截面對稱。
    2.1.2    合理選擇焊縫尺寸和布局:焊縫尺寸過大,不但增加焊接工作量和對焊件輸入較多的熱量,而且增加焊接變形。所以,在滿足強度和工藝要求的前提下,盡可能減少焊縫長度和焊縫數量。設計焊縫時,盡量設計在構件截面中心軸的附近和對稱于中心軸的位置上,使產生的焊接變形相互抵消。
    2.1.3    合理選擇焊縫的截面和坡口型式:開坡口和不開坡口的T型和十字接頭,當強度相等時, 開坡口填充的金屬量要少于不開坡口的,這對減少焊接變形很有利。
    2.2    充分利用反變形法
            焊縫的焊接過程其實就是焊縫從液態轉化為固態的過程,也是焊縫在冷卻過程中的收縮過程, 焊縫的收縮致使焊接后工件外形尺寸減小。所謂的反變形法就是在生產中預先人為地制成一個變形,使得這個變形與焊后發生的變形方向相反而變形量相等。目前該方法的使用比較廣泛,操作簡便,主要依靠經驗來完成,關于這方面的理論還很少。文獻[18]介紹了反變形法在挖掘機動臂焊接過程中的使用,結果表明,在使用了反變形法之后,焊接過程中產生的焊接變形和反變形在一定程度上相互抵消,有效的控制了生產中的焊接變形。宗培、文建成[19]等人用迭代法推導出求解反變形形狀的遞推公式,對簡單立體結構進行了有限元模擬,經過五次迭代得到了最終反變形的設計形狀。盡管每一次迭代都要進行復雜的焊接變形計算,但是這種迭代法思路為后續的關于反變形的理論研究提供了鋪墊。
    2.3    優化焊接方法
            針對不同的母材、接頭類型、焊縫質量等級要求以及焊接時所處的周邊環境,選擇合理的焊接方法可以有效的減少焊接變形。例如,目前在航空、航天、汽車、造船等領域應用越來越廣泛的高能束焊接。高能束焊接技術是利用功率密度大于5×105W/cm2的熱源對材料或結構進行焊接的技術,其熱源一般指電子束、激光和等離子束。高能束焊接改變了能量傳遞方式,形成“小孔效應”這一顯著特征,與一般弧焊相比,其能量密度高,接頭深寬比大,熱影響區很小,可以有效的減少焊接變形[20]。文獻[21]則分析比較了鎢極氬弧焊(TIG)、熔化極氣體保護焊(MAG)、埋弧焊(SAW)三種窄間隙焊技術。所謂窄間隙焊是把常規的焊接工藝與窄間隙坡口結合在一起通過專門的裝置和控制技術而集成的一種新型焊接技術。窄間隙坡口大大降低了焊縫的填充量,焊接熱影響區較小,減少了焊接變形,節約了材料, 提高了焊接效率和焊接接頭性能,如延遲裂紋、回火脆化能力、沖擊韌性等。
    2.4    制定合理的焊接工藝規程
    2.4.1    選用合理的工藝參數:嚴格的控制焊接過程中的各項工藝參數,選用合理的焊接工藝是減少焊接變形的常用方法。如上述文獻[18]中所述, 在挖掘機動臂的焊接過程中,盡可能將電流控制在下限值,以減小熱輸入。為減小角變形,焊縫的第一層焊接電流量要適當減小,焊速要適當加快。隨著焊層和焊道增加,可適當增加焊接電流, 以提高焊接生產率,從而有效地減小了動臂焊接后的角變形、扭曲變形與彎曲變形。
    2.4.2    選擇合理的焊接順序及焊接方向:選擇合理的焊接順序和方向也是減少焊接變形的常用方法。選擇焊接順序和焊接方向一般按下面的原則進行:結構對稱時,采用對稱焊法;焊縫多比較集中時,采用跳焊法分散受熱避免集中受熱;長度大于1m的長焊縫,采用分段退焊等;對組合件,先部件組焊矯正合格后,再整體拼裝;結構不對稱時,先焊焊縫少的一側;先焊收縮量較大的焊縫,使焊縫能較自由地收縮,以最大限度地減少焊接應力;先焊工作時受力較大的焊縫,使內應力合理分布。文獻[22] 研究了四種不同焊接順序對薄板焊接變形的影響,發現從大剛度接頭移向小剛度接頭的焊接順序可以減少薄板的彎曲。
    2.4.3    設計合理的焊裝夾具:合理地使用焊接工裝夾具是保障零部件焊接工藝質量的基本要素之一,使用焊裝夾具正確地安裝和固定各個零部件,是進行零部件焊接的先決條件。近年來,特別是在汽車行業和工程機械行業,焊裝夾具的設計和使用都是其生產過程中必不可少的一環。在焊接過程中,焊裝夾具的夾緊和松開對焊接變形產生著重要的影響。文獻[23]對模塊化組合焊接工裝夾具系統以及先進的計算機輔助焊接工裝夾具設計系統在歐美領先工程裝備制造業中的應用做了介紹。事實表明設計合理的焊裝夾具對于焊接變形的控制和減少起到了巨大的作用。
    2.5    系統綜合分析法
            在焊接生產過程中,應多從整體考慮。采用綜合分析的方法建立最優化目標,找到影響焊接變形的關鍵因素以及這些因素的相互關系并進行量化,從而對焊接變形進行定量控制。李鑄國、吳毅雄、林濤等人,在復雜汽車零部件精度焊接成形質量保證系統一文中[24],分析得出四類主要質量影響因素,采用精度誤差理論對各因素進行量化,建立了系統數學模型并進行解析,將模型運用于液力變矩器焊接總成上蓋和泵輪的同軸跳動,實現了精度焊接成形的定量控制。
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    3    展望和建議
            綜上所述,在國內外學者的共同努力之下, 目前焊接變形的預測和控制取得了巨大的發展。但是在實際生產過程中還有很多問題需要去解決,目前的研究成果和實際生產的要求差距仍然很大,還有很多問題需要進一步研究和探討。
    3.1    焊接模擬軟件的開發
            目前,做焊接變形預測的軟件如ANSYS、ABAQUS等基本上都來自國外。也從側面反映了目前國內焊接變形預測研究與國外相比仍然處于落后狀態。這就需要更多相關技術人員從事大型有限元分析軟件的開發,開發出預測更加準確,操作更加人性化的分析軟件。為焊接預測的進一步發展提供強有力的預測工具。
    3.2    優化預測過程,提高計算效率
            由上文知道,目前對于大型結構件焊接變形的預測,用傳統的熱彈塑性有限元法,求解起來非常困難,對計算機性能的要求極高。部分學者致力于新的預測方法固有應變法的研究, 對傳統的預測方法進行優化,大大提高了效率。因此,需要更多的專家、學者研究提高計算效率的方法。 如可以根據焊接過程的特點開發新的單元,簡化計算過程、優化計算過程,采用并行計算技術縮短計算時間等,使得應用熱彈塑性有限元法預測大型結構件的焊接變形也能夠成為可能。
    3.3    注意多個焊縫之間的相互作用
            目前對于焊接變形的研究,主要集中在單一焊縫和近焊縫很小的區域中,而就目前的實際生產情況而言,對于焊接結構件,采用一種焊接方法的情況非常少見,多數情況下結構件都是由多個焊縫構成,多個焊縫之間會相互影響,相互作用,在預測過程在要充分考慮多個焊縫之間的相互作用和耦合。
    3.4    對產品生產過程總體把握
            當前,對于焊接變形的預測和控制,主要還是針對焊接開始到結束的過程。而實際產品的生產過程中,最終變形的產生不僅僅由焊接產生,如焊前預熱、焊后熱處理、采用焊裝夾具時夾具的夾緊和松開等,都會產生變形。這些需要在研究的過程中整體考慮,不僅僅局限于焊接過程。
    3.5    注意理論和實際相結合
            對于焊接變形的預測和控制的研究,最終目的是要運用到實際生產過程中去,就目前的情況來看,雖然對于變形預測和控制方面做了大量的研究,但是運用到實際生產過程中去的案例仍然很少,生產過程中依靠經驗來控制變形仍然是主流。而對于變形的控制大多數情況下都是被動的, 出現了變形之后才想起來去減少變形,這就需要發展焊縫檢測技術,跟蹤整個焊接過程,能夠主動且游刃有余的去控制焊接變形。使得理論和實際能夠結合起來,互相促進,互相提高。
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