畢業(yè)論文--低合金鋼t型接頭焊接變形的測(cè)量與計(jì)算

1、<p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　二 〇 一 一 年 六 月</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　焊接由于工藝過程中高度集中的瞬時(shí)熱輸入，在焊接過程中和焊后不可避免地會(huì)</p><p>　　產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形，而焊接變形會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的外觀、承載能力

2、、服役性能等方面產(chǎn)生諸多不利的影響，因此對(duì)焊接殘余變形量進(jìn)行分析和估算具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以T型構(gòu)件作為研究對(duì)象，制定未開坡口或開坡口試件的焊接工藝，分析焊接變形的影響因素，尤其是對(duì)工藝過程中的焊接熱輸入做重點(diǎn)探討；對(duì) T型構(gòu)件焊縫的縱向收縮進(jìn)行實(shí)測(cè)，推導(dǎo)變形量的計(jì)算公式，在科學(xué)簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行了計(jì)算，并將估算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所選用的焊接規(guī)范參數(shù)符合實(shí)際焊接要求，計(jì)算公式得當(dāng)，其焊接工藝與變形的計(jì)算方法能夠?yàn)樯a(chǎn)實(shí)

3、際提供理論依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：T型接頭；焊接變形；熱輸入</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Welding is a reliable and effective method of material connecting, so it is widely applied to vario

4、us industries. The presence of residual deformation affects not only the structure of the dimensional accuracy and appearance, and may reduce its carrying capacity and mechanical performance, so welding distortion predic

5、tion and control is very important. With the computer and the development of finite element analysis, computer simulation of mechanical behavior of the welding process to become an </p><p>　　Key words: T-joi

6、nt Welding distortion Heat input</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引 言1</b></p><p>　　第一章 焊接變形及其影響因素3</p><p>　　1.1 焊接變形產(chǎn)生的原因3</p>&l

7、t;p>　　1.2焊接變形的分類及其之間的關(guān)聯(lián)4</p><p>　　1.3焊接變形的影響因素7</p><p>　　1.3.1 材料因素的影響7</p><p>　　1.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素的影響7</p><p>　　1.3.3焊接方法的影響8</p><p>　　1.3.4焊接層數(shù)的影響8<

8、/p><p>　　1.3.5接頭型式的影響8</p><p>　　1.3.6 焊縫截面積對(duì)焊接變形的影響9</p><p>　　1.4 預(yù)防和控制焊接變形的方法9</p><p>　　1.4.2 間斷焊接10</p><p>　　1.4.3減少不必要的焊道11</p><p>　　1.4

9、.4反變形法11</p><p>　　1.4.5剛性固定法11</p><p>　　1.4.6錘擊焊縫法11</p><p>　　第二章 T型構(gòu)件焊接工藝及焊接變形測(cè)試12</p><p>　　2.1 試件的材料及尺寸12</p><p>　　2.2 材料的成分及性能12</p><p

10、>　　2.3 焊接工藝參數(shù)的選擇13</p><p>　　2.4 焊接步驟16</p><p>　　2.5焊接變形的測(cè)量與結(jié)果17</p><p>　　第三章 變形的計(jì)算17</p><p>　　3.1焊接變形計(jì)算方法17</p><p>　　3.1.1解析法18</p><p&g

11、t;　　3.1.2熱彈塑性有限元法19</p><p>　　3.2固有應(yīng)變法20</p><p>　　3.2.1固有應(yīng)變20</p><p>　　3.2.2 固有應(yīng)變法焊接變形的解析法22</p><p>　　3.3試件焊接變形的計(jì)算23</p><p>　　3.4計(jì)算值與實(shí)測(cè)值得比較23</p>

12、;<p>　　3.5分析實(shí)驗(yàn)的誤差原因23</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p><p><b>　　謝 辭28</b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　焊接作為一種靈活高效的連接方式廣泛的應(yīng)用于橋梁、

13、船舶、建筑、航空、壓力容器等制造業(yè)，隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，焊接技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)工程中得到大量的應(yīng)用，在工農(nóng)業(yè)的各個(gè)生產(chǎn)部門，焊接結(jié)構(gòu)遍布于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。從民間交通到火箭導(dǎo)彈等運(yùn)載工具，從農(nóng)業(yè)機(jī)械到各種精密機(jī)械和重型及其處處皆有。然而，隨之而來(lái)的焊接結(jié)構(gòu)殘余變形也一直困擾著焊接界，此現(xiàn)象也成為人們密切關(guān)注的焦點(diǎn)。焊接變形的存在不僅造成了焊接結(jié)構(gòu)形狀變異，尺寸精度下降和承載能力降低，而且在工作載荷作用下引起的附加彎矩和應(yīng)力集中現(xiàn)象

14、是焊接結(jié)構(gòu)早期失效的主要原因，也是造成焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度降低的原因之一。這些缺陷的產(chǎn)生主要是焊接時(shí)不合理的熱過程引起的。由于高度集中的瞬時(shí)熱輸入，在焊接過程中和焊后將產(chǎn)生大的殘余應(yīng)力(焊接殘余應(yīng)力)和變形(焊接殘余變形、焊接收縮、焊接翹曲)，焊接過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力影響構(gòu)件的變形和焊接缺陷，而且在一定程度還影響結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸的穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計(jì)和施工時(shí)必須充分考慮焊接應(yīng)力和變形的特點(diǎn)。</p><

15、p>　　焊接是將金屬材料連接成構(gòu)件的最重要的方法，無(wú)論添加或不添加填充金屬， 包括表面堆焊焊縫，大多數(shù)焊接過程的技術(shù)核心是被連接表面的熔化，隨后是連續(xù)的冷卻，局部熱輸入形成局部熔化，同時(shí)盡可能的減少向構(gòu)件內(nèi)部的熱擴(kuò)散和向周圍環(huán)境的熱散失，焊接過程是一個(gè)不均勻的、快速地加熱和冷卻的過程 。其中熔化焊接時(shí)，被焊金屬在熱源作用下發(fā)生局部加熱和熔化，材料的力學(xué)性能也會(huì)發(fā)生顯著的變化，而焊接熱過程也直接決定了焊縫和熱影響區(qū)焊后的顯微組織、殘

16、余應(yīng)力與變形大小，所以焊接熱過程的準(zhǔn)確計(jì)算和測(cè)定是焊接應(yīng)力和變形分析的前提。為使其簡(jiǎn)單化，實(shí)際中常用焊接性的概念作為一種分類系統(tǒng)，將焊接分解為熱力學(xué)、力學(xué)和顯微結(jié)構(gòu)等過程，從而降低了焊接性各種現(xiàn)象的復(fù)雜性。焊接過程中以及焊后結(jié)構(gòu)都將不可避免地產(chǎn)生焊接變形 ，而這些變形焊接施工中最麻煩也是最難處理的問題之一 。焊接變形的存在不僅影響結(jié)構(gòu)的尺寸精度和外觀,而且有可能降低其承載能力和機(jī)械性能， 更重要的是容易引起焊接結(jié)構(gòu)的失穩(wěn) 。</p

17、><p>　　在焊接過程中，焊接變形的存在不僅影響焊接結(jié)構(gòu)的制造過程，焊接變形甚至?xí)?yán)重影響制造過程、焊接結(jié)構(gòu)的使用性能、焊接接頭的抗脆斷能力、疲勞強(qiáng)度、抗應(yīng)力腐蝕開裂和高溫蠕變開裂能力。因此對(duì)焊接變形的分析和對(duì)焊接變形量的估算具有重要意義。</p><p>　　本文分為三章，第一章介紹焊接變形產(chǎn)生的原因及影響因素，并分析了焊接變形的種類及各類之間的關(guān)聯(lián)；第二章以T型焊接構(gòu)件為研究對(duì)象，制定焊

18、接工藝，并對(duì)焊縫的縱向收縮進(jìn)行實(shí)測(cè)；第三章論述了焊接變形的估算，并將估算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以便為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論依據(jù)。</p><p>　　第一章 焊接變形及其影響因素</p><p>　　1.1 焊接變形產(chǎn)生的原因

19、

20、 </p><p>　　焊接接應(yīng)力和變形是由多種因素交互作

21、用而導(dǎo)致的結(jié)果。通常，若僅就其內(nèi)拘束度的效應(yīng)而言，焊接應(yīng)力與變形可表訴如下。焊接熱輸入引起材料不均勻局部加熱，使焊縫區(qū)溶化；而與熔池毗鄰的高溫區(qū)材料熱膨脹則受到周圍材料的限制，產(chǎn)生不均勻的壓縮塑性變形；在在冷卻過程中，已已發(fā)生壓縮塑性變形的這部分材料又受到周圍條件的制約，而不能自由收縮，在不同程度上又被拉伸而卸載；與此同時(shí)，熔池凝固，金屬冷卻收縮使也產(chǎn)生相應(yīng)的收縮拉應(yīng)力與變形。這樣，在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生了縮短的不協(xié)調(diào)應(yīng)變。焊接變形產(chǎn)生的原因

22、有以下幾種：</p><p>　?。?）不均勻的局部加熱和冷卻是最主要原因。焊接時(shí)，試板的局部被加熱到熔化狀態(tài)，形成了試板上溫度的不均勻分布區(qū)，使試板出現(xiàn)不均勻的熱膨脹，熱膨脹受到周圍金屬的阻礙不能自由膨脹而受到壓應(yīng)力，周圍的金屬則受到拉應(yīng)力。在靠近焊縫一側(cè)高溫區(qū)受到熱壓力作用，而在遠(yuǎn)離焊縫一側(cè)受到熱拉應(yīng)力的作用。當(dāng)被加熱金屬受到的壓應(yīng)力超過其屈服點(diǎn)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生塑性變形。試板冷卻時(shí)，由于焊縫先后冷卻時(shí)間不同，先焊

23、的先冷卻凝固，存在一定強(qiáng)度，阻止了后焊的焊縫在橫向的自由膨脹，使其產(chǎn)生橫向壓縮變形。后焊的焊縫冷卻時(shí)，橫向收縮受到阻止，而產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力，而先焊部分則產(chǎn)生橫向壓應(yīng)力。由于加熱的金屬在加熱時(shí)已產(chǎn)生了壓縮的塑性變形，所以，最后的長(zhǎng)度要比未被加熱金屬的長(zhǎng)度短些。</p><p>　　（2）焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)的組織發(fā)生變化。焊縫及焊接熱影響區(qū)金屬在焊接時(shí)加熱到熔點(diǎn)或固態(tài)相變溫度以上，冷卻過程中其金屬組織要發(fā)生變化。由

24、于各種組織的比容不同，因此隨之發(fā)生體積的變化。</p><p>　　（3）鋼結(jié)構(gòu)剛性不大時(shí)，焊縫在結(jié)構(gòu)中對(duì)稱布置，施焊程序合理時(shí)只產(chǎn)生線性縮短；當(dāng)焊縫布置不對(duì)稱時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生彎曲變形；焊縫截面重心與接頭截面重心在同一位置上時(shí)，只要施焊程序合理，只產(chǎn)生線性縮短；當(dāng)焊縫截面重心偏離接頭截面重心時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生角變形。焊縫數(shù)量越多，變形越大。 </p><p>　　（4）構(gòu)件點(diǎn)焊成形后，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的不

25、同幾何尺寸、形狀制定出正確的焊接工藝流程，此項(xiàng)工作對(duì)控制焊接變形關(guān)系重大，大部分變形量是由于焊接工藝不正確所造成，如焊接電流大、焊條直徑粗、焊接速度慢等，均會(huì)造成焊接變形大。多層焊時(shí)，第一層焊縫收縮量最大，層數(shù)越多焊接變形也越大。斷續(xù)焊縫比連續(xù)焊縫的收縮量小，焊接次序不當(dāng)或未先焊好分部構(gòu)件，然后總拼裝焊接，都易產(chǎn)生較大的焊接變形，所以在施工時(shí)要制定合理的焊接工藝措施是很重要的。</p><p>　　1.2焊接變形

26、的分類及其之間的關(guān)聯(lián)</p><p>　　焊接變形一般按照變形的特點(diǎn)分為以下7 類：</p><p>　　橫向收縮 由于移動(dòng)熱源(焊接電弧)的加熱和隨后的冷卻，使得溫度垂直于被焊構(gòu)件的長(zhǎng)度和厚度方向不均勻分布，即在焊接接頭區(qū)產(chǎn)生殘余的橫向收縮塑變和橫向應(yīng)力。橫向收縮的形成原因，一部分是由于焊縫金屬冷卻后的收縮，另一部分是焊縫金屬熱膨脹受阻形成橫向殘余塑性變形而引起的。</p>

27、<p>　　橫向收縮變形及其產(chǎn)生的撓曲變形。</p><p>　　橫向變形的大小與焊接線能量和板厚有關(guān)，隨著焊接線能量的提高，橫向收縮量增加；隨著板厚的增加，橫向收縮量減少。橫向變形沿焊縫長(zhǎng)度上的分布并不均勻。這是因?yàn)橄群傅臋M向收縮對(duì)后焊的焊縫產(chǎn)生一個(gè)擠壓作用，使后者產(chǎn)生更大的橫向壓縮變形。因此，焊縫的橫向收縮沿著焊接方向是由小到大逐漸增長(zhǎng)的，到一定程度后趨于穩(wěn)定。另外，采用埋弧自動(dòng)焊時(shí)橫向收縮量比板

28、厚相近的手工電弧焊的橫向收縮變形量小，采用氣焊時(shí)橫向收縮量比手工電弧焊的橫向收縮量大。如果橫向焊縫在結(jié)構(gòu)上分布不對(duì)稱，那么它的橫向收縮也能引起結(jié)構(gòu)的撓曲變形。</p><p>　　2） 縱向收縮 在焊接時(shí)，由于沿焊縫方向不均勻的溫度分布，焊縫及其附近的金屬產(chǎn)生了縱向壓縮殘余塑性變形。產(chǎn)生塑性變形的區(qū)域稱為塑性變形區(qū)。構(gòu)建縱向收縮的變形的大小取決于塑性變形區(qū)的大小，構(gòu)建截面積，焊接線能量以及焊縫的長(zhǎng)度。由于塑性變

29、形區(qū)的收縮受到周圍金屬的阻礙，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)縱向收縮不如橫向收縮顯著。理論認(rèn)為縱向收縮量大約為焊縫長(zhǎng)度的1／1000。</p><p>　　縱向收縮變形以及由它所引起的撓曲變形?？v向收縮變形量的大小主要取決于構(gòu)件的長(zhǎng)度、截面積和壓縮塑性變形的大小。而壓縮塑性變形與焊接參數(shù)、焊接方法、焊接順序以及材料的熱物理參量有關(guān)。在這些工藝因素中，焊接線能量（Q=q/v，q 為能量，v 為焊接速度）是主要的。在一般情況下，縱向收

30、縮變形與焊接線能量成正比的關(guān)系。對(duì)于同樣截面積的焊縫來(lái)講，多層焊每次所用的焊接線能量比單層焊時(shí)小得多，所以多層焊時(shí)引起的縱向收縮比單層焊小。分的層數(shù)越多，每層所用的線能量就越小，變形也越小。同理，間斷焊的縱向收縮變形要比連續(xù)焊時(shí)小得多。當(dāng)焊縫在構(gòu)件中的位置不對(duì)稱時(shí)，焊縫引起的應(yīng)力就是不均勻的，這樣它不但使構(gòu)件縮短，同時(shí)還使構(gòu)件彎曲，產(chǎn)生撓曲變形?？v向收縮和橫向收縮的圖示如圖1-1。</p><p>　　圖1-1

31、橫向收縮和縱向收縮</p><p>　　撓曲變形 構(gòu)件焊后在外形上發(fā)生撓曲。主要是因?yàn)閮蓚?cè)焊縫收縮變形量的</p><p>　　同，或一邊產(chǎn)生收縮變形而另一邊保持不變而引起的，見圖1-2。</p><p>　　圖1-2 撓曲變形 </p><p>　　4） 角變形。

32、焊后構(gòu)造的平面圍繞焊縫縫產(chǎn)生的角位移。主要是由于沿板厚方向焊縫收縮變形量的不同造成。</p><p>　　在堆焊、對(duì)接、搭接和丁字接頭的焊接時(shí)，由于橫向收縮變形在厚度方向上的不均勻分布，往往會(huì)產(chǎn)生角變形。角變形的大小取決于構(gòu)件的壓縮塑性變形的大小和分布情況，同時(shí)也取決于板的剛度。對(duì)于同一種板厚，隨著焊接線能量的增加，正反兩面塑性變形量的差值將增加，角變形量也將增加。但當(dāng)線能量達(dá)到某一值時(shí)，角變形不再上升，如果進(jìn)一

33、步提高線能量，反而會(huì)出現(xiàn)角變形減小的現(xiàn)象。這是因?yàn)榫€能量的進(jìn)一步提高，使得板背面的溫度隨著提高，正反兩面的塑性變形量的差值可能降低，所以角變形反而減少。對(duì)于同樣的板厚和坡口形式，多層焊比單層焊角變形大，焊接層數(shù)越多，角變形越大。另外多道焊比多層焊的角變形要大，角變形的圖示如圖1-3.</p><p><b>　　圖1-3角變形</b></p><p>　　5） 波浪變

34、形。構(gòu)件的焊接后呈波浪狀的變形，主要出現(xiàn)在薄鋼板的焊接中，是由于薄鋼板焊后存在焊縫內(nèi)應(yīng)力，在內(nèi)應(yīng)力作用下，使薄板失穩(wěn)，形成波浪變形。</p><p>　　波浪變形一般在薄板焊接時(shí)出現(xiàn)較多。這是因?yàn)樵诒“搴附訒r(shí)，由于焊接應(yīng)力的作用，薄板可能發(fā)生失穩(wěn)（薄板在承受壓力時(shí)，當(dāng)其中的壓應(yīng)力達(dá)到某一臨界數(shù)值時(shí)，薄板將因出現(xiàn)波浪變形而喪失承載能力，這種現(xiàn)象通常稱為失穩(wěn)），從而產(chǎn)生波浪變形。降低波浪變形可以從降低壓應(yīng)力和提高臨界

35、應(yīng)力兩方面著手。因壓應(yīng)力的大小和拉應(yīng)力的區(qū)域大小成正比，故減小塑性變形區(qū)就可能降低壓應(yīng)力的數(shù)值。CO2 氣體保護(hù)焊所產(chǎn)生的塑性變形區(qū)比氣焊和手工電弧焊小，斷續(xù)焊比連續(xù)焊小，接觸點(diǎn)焊比熔化焊小，小尺寸的焊縫比大尺寸的焊縫小。因此，采用塑性變形區(qū)小的焊接方法和措施就可以減少波浪變形，見圖1-4.</p><p><b>　　圖1-4 波浪變形</b></p><p>　　

36、6）錯(cuò)邊變形。焊后兩焊接件在長(zhǎng)度方向和厚度方向的錯(cuò)位現(xiàn)象，稱為錯(cuò)邊變形。主要是焊接過程中兩焊接件的受熱不均勻造成的。</p><p>　　焊接過程中對(duì)接邊的熱不平衡是造成焊接錯(cuò)邊的主要原因。另外焊接件的兩邊剛度不同也會(huì)造成錯(cuò)邊，因?yàn)閯偠仍酱蟮暮附舆叺奈灰圃叫?，造成兩邊在焊接中不同步位移，從而產(chǎn)生錯(cuò)邊，見圖1-5。</p><p><b>　　圖1-5 錯(cuò)邊變形</b>

37、</p><p>　　7） 螺旋形變形。焊件在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的扭曲變形。主要是由于焊縫角變形沿長(zhǎng)度上的分布不均勻和工件的縱向錯(cuò)邊造成的。</p><p>　　產(chǎn)生螺旋形扭曲變形的主要原因是由于焊縫角變形沿長(zhǎng)度上的分布不均勻性和工件的縱向錯(cuò)邊造成的。這種變形在較長(zhǎng)梁形構(gòu)件焊接時(shí)比較常見，見圖1-6.</p><p>　　圖1-6 螺旋型變形</p><

38、p>　　1.3焊接變形的影響因素</p><p>　　1.3.1 材料因素的影響</p><p>　　材料對(duì)于焊接變形的影響不僅和焊接材料有關(guān)，而且和母材也有關(guān)系，材料的熱物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)都對(duì)焊接變形的產(chǎn)生過程有重要的影響。其中熱物理性能參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在熱傳導(dǎo)系數(shù)上，一般熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，溫度梯度越大，焊接變形越顯著。力學(xué)性能對(duì)焊接變形的影響比較復(fù)雜，熱膨脹系數(shù)的影響最為

39、明顯，隨著熱膨脹系數(shù)的增加焊接變形相應(yīng)增加。同時(shí)材料在高溫區(qū)的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用，一般情況下，隨著彈性模量的增大，焊接變形隨之減小而較高的屈服極限會(huì)引起較高的殘余應(yīng)力，且峰值應(yīng)力和平均應(yīng)力均較高，焊接結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的變形能也會(huì)因此而增大，從而可能促使脆性斷裂，此外，由于塑性應(yīng)變較小且塑性區(qū)范圍不大，因而焊接變形得以減小。</p><p>　　1.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素的影響</p

40、><p>　　焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)焊接變形的影響最關(guān)鍵，也是最復(fù)雜的因素。其總體原則是隨拘束度的增加，焊接殘余應(yīng)力增加，而焊接變形則相應(yīng)減少。結(jié)構(gòu)在焊接過程中，工件本身的拘束度是不斷變化著的，因此自身為變拘束結(jié)構(gòu)，同時(shí)還受到外加拘束的影響。一般情況下復(fù)雜結(jié)構(gòu)自身的拘束作用在焊接過程中占據(jù)主導(dǎo)地位，而結(jié)構(gòu)本身在焊接過程中的拘束度變化情況隨結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加而增加，在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，常需要采用筋板或加強(qiáng)板來(lái)提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和

41、剛性，這樣做不但增加了裝配和焊接工作量，而且在某些區(qū)域，如筋板、加強(qiáng)板等，拘束度發(fā)生較大的變化，給結(jié)構(gòu)的焊接變形分析與控制帶來(lái)了一定的困難。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)板的厚度及筋板或加強(qiáng)板的位置、數(shù)量等進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)減小焊接變形有著十分重要的作用。</p><p>　　1.3.3焊接方法的影響</p><p>　　多種焊接方法的熱輸入差別比較大，如在鋼結(jié)構(gòu)焊接常用的幾種焊接方法中，在其他條件

42、如焊縫斷面積等相同情況下，除電渣以外，埋弧焊熱輸入比較大，收縮變形比較大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護(hù)焊最小。</p><p>　　1.3.4焊接層數(shù)的影響</p><p>　　以縱向收縮為例，多層焊接時(shí)，每層焊縫的熱輸入比一次完成單層焊的熱輸入小得多，塑性變形區(qū)范圍窄。冷卻快，產(chǎn)生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對(duì)下層焊縫形成約束，因此，多層焊接時(shí)的縱向收縮變形比單層焊時(shí)要小很多

43、，而且焊的層數(shù)越多，縱向變形越小。</p><p>　　1.3.5接頭型式的影響</p><p>　　在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方面等因素條件相同時(shí)，不同的接頭形式對(duì)縱向．橫向、角變形量有不同的影響。常用的焊縫形式有堆焊、角焊、對(duì)接焊。</p><p>　　1)表面堆焊時(shí)，焊縫金屬的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束．而且加熱只限于工件表面一定深度而使焊縫的收縮同

44、時(shí)受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對(duì)較小。</p><p>　　2)T形角接接頭和搭接接頭時(shí)，其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似，其橫向收縮值與角焊縫面積成正比，與板厚成反比。</p><p>　　3)對(duì)接接頭在單道(層)焊的情況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大．在單面焊時(shí)坡口角度大。板厚上、下收縮量差別大，因而角變形較大。雙面焊時(shí)情況有所不同，隨著坡口角度和間隙的減小，橫向收縮減小

45、，同時(shí)角變形也減小。</p><p>　　1.3.6 焊縫截面積對(duì)焊接變形的影響</p><p>　　焊縫截面積焊縫截面積是指熔合線范圍內(nèi)的金屬面積。焊縫截面積越大，冷卻時(shí)收縮引起的塑性變形量越大，焊縫截面積對(duì)縱向、橫向及角變形的影響趨勢(shì)是一致的，而且是主要的影響因素，因此，在被焊接件厚度相同時(shí)，坡口尺寸越大，收縮變形越大。</p><p>　　總結(jié)以上諸多影響因素

46、，歸根于熱輸入的影響。當(dāng)熱量輸入大時(shí)，加熱的高溫區(qū)范圍就大，而焊接后冷卻速度卻比較慢，致使焊接頭的塑性變形區(qū)增大。所以應(yīng)盡可能采用小的焊接熱輸入，從而保證焊接應(yīng)力和變形均較小。對(duì)于焊接材料的影響，當(dāng)材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)越小，溫度梯度越大，則焊接熱輸入越大，因此引起的焊接變形越顯著。對(duì)于焊接方法的選擇，主要看焊接方法的熱輸入的影響，因?yàn)槎喾N焊接方法的熱輸入差別比較大，如在鋼結(jié)構(gòu)焊接常用的幾種焊接方法中，除電渣以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件

47、如焊縫斷面積等相同情況下，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護(hù)焊最小。在考慮焊接層數(shù)時(shí)，多層焊接中每層焊縫的熱輸入比一次完成單層焊的熱輸入小得多，塑性變形區(qū)范圍窄。冷卻快，產(chǎn)生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對(duì)下層焊縫形成約束，因此，多層焊接時(shí)的縱向收縮變形比單層焊時(shí)要小很多，而且焊的層數(shù)越多，縱向變形越小。</p><p>　　1.4 預(yù)防和控制焊接變形的方法</p><p&g

48、t;　　預(yù)防和控制焊接變形的方法必須考慮焊接工藝設(shè)計(jì)以及在焊接時(shí)克服冷熱循環(huán)的變化。收縮無(wú)法消除，但可以控制。減少收縮變形的途徑有以下幾方面。</p><p>　　1.4.1不能過量焊接</p><p>　　越多的金屬填充在焊接點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的變形力。正確制定焊縫尺寸，不僅能得到較小的焊接變形，還可節(jié)省焊材和時(shí)間。填充焊縫的焊接金屬量應(yīng)最小，焊縫應(yīng)呈平坦或微凸形，過量的焊接金屬不會(huì)增加強(qiáng)度，

49、反而會(huì)增加收縮力，增加焊接變形，如圖1-9.</p><p>　　圖1-9避免過量焊接</p><p>　　通常，焊接變形不作為“問題”時(shí)，選擇常規(guī)的焊接接頭最經(jīng)濟(jì)；變形量較大時(shí)，則應(yīng)選擇接頭形式以平衡焊接應(yīng)力和焊接金屬填充量，如圖1-10.</p><p>　　圖1-10破口形式和定位</p><p>　　1.4.2 間斷焊接</p

50、><p>　　另一種減少焊縫填充量的途徑是較多地采用間斷焊接(見圖1-11)。如焊接加強(qiáng)板，間斷焊接可減少75％的焊縫填充量，同時(shí)也能保證所需強(qiáng)度。</p><p>　　圖 1-11 間斷焊接</p><p>　　1.4.3減少不必要的焊道</p><p>　　采用粗焊絲、少焊道焊接比采用細(xì)焊絲、多焊道焊接變形小(見圖1-12)。多焊道時(shí)每一焊道

51、引起的收縮累計(jì)增加了焊縫總的收縮。由圖1-12可知，少焊道、粗焊條焊接T藝比多焊道、細(xì)焊條焊接的工藝效果更好。</p><p>　　注意：采用粗焊絲、少焊道焊接或細(xì)焊絲、多焊道焊接工藝依據(jù)材質(zhì)而定，一般低鋼、Q345等材質(zhì)適用粗焊絲、少焊道焊接，不銹鋼、高碳鋼等材質(zhì)適用細(xì)焊絲、多焊道焊接。</p><p>　　圖1-12 粗細(xì)焊絲焊道數(shù)對(duì)比</p><p><

52、b>　　1.4.4反變形法</b></p><p>　　此法是生產(chǎn)中最常見的一種方法，而預(yù)先把焊件做基本抵消(補(bǔ)償)焊后彎曲的反變形，來(lái)達(dá)到防止焊后變形的目的。</p><p>　　1.4.5剛性固定法</p><p>　　在實(shí)際制作中，對(duì)于剛性大的構(gòu)件焊后變形一般較少，對(duì)剛性小的構(gòu)件可在焊前加強(qiáng)構(gòu)件剛性，焊后變形也相應(yīng)減少。在采用這種方法時(shí)，必須

53、等焊接構(gòu)件冷卻后再把夾具和支撐卸去，幾種常見的方法有夾具法、支攆法、胎具法、臨時(shí)固定法(如釘焊固定法和壓緊固定法)、定位焊接法。</p><p>　　1.4.6錘擊焊縫法</p><p>　　此法主要適用于薄板的焊接。當(dāng)薄板的焊縫及其熱影響區(qū)還沒有完全冷卻時(shí)，立即對(duì)該區(qū)域進(jìn)行錘擊。對(duì)于厚板則用風(fēng)槍敲擊。這種處理一方面消除和減少了焊接引起的角變形；另一方面由于敲擊對(duì)該區(qū)域有一定的延伸作用，減

54、少內(nèi)應(yīng)力。如焊工焊完一根焊條后馬上用一把約0．5千克的木錘敲擊焊縫。這種敲擊當(dāng)焊縫溫度越高時(shí)錘擊的效果越好。</p><p>　　第二章 T型構(gòu)件焊接工藝及焊接變形測(cè)試</p><p>　　2.1 試件的材料及尺寸</p><p>　　本文提出的T型接頭試件中各個(gè)待定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，以及整體修正系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，都是針對(duì)低合金鋼材料。為了便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)

55、證，此處T形接頭焊接試件材料也選Q345低合金鋼。</p><p><b>　　表2-1材料尺寸</b></p><p>　　試件均有坡口，示意圖如2-1：</p><p>　　圖2-1 試件坡口形式</p><p>　　2.2 材料的成分及性能</p><p>　　材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能及物理

56、參數(shù)如表2-2、2-3、2-4.：</p><p>　　表2-2材料的化學(xué)成分</p><p>　　表2-3材料的力學(xué)性能</p><p>　　表2-4材料的熱物理性能</p><p>　　2.3 焊接工藝參數(shù)的選擇</p><p>　　手工電弧焊主要的工藝參數(shù)是焊接電流，電弧電壓和焊接速度，其次是焊條直徑接頭形式等。

57、</p><p><b>　　焊接電流 </b></p><p>　　焊接電流是手工電弧焊最重要的工藝參數(shù)，它直接決定焊條熔化速度、焊縫熔深和母材熔化量的大小。</p><p>　　增大焊接電流使電弧的熱功率和電弧力都增加，因而焊縫熔深增大，焊條熔化量增加，有利于提高焊接生產(chǎn)率。在給定焊接速度的條件下，如果焊接電流太大，焊縫會(huì)因熔深過大而熔寬變

58、化不大造成成型系數(shù)偏小。這樣的焊縫不利于熔池中氣體及夾雜物的上浮和逸出，容易產(chǎn)生氣孔、夾渣及裂紋等缺陷，嚴(yán)重時(shí)還可能燒穿焊件。太大的電流也使焊條消耗增加，導(dǎo)致焊縫余高過大。電流太大還使焊縫熱影響區(qū)增大并可能引起較大焊接變形。焊接電流減小時(shí)焊縫熔深減小，生產(chǎn)率降低。如果電流太小，就可能造成未焊透，電弧也不穩(wěn)定。</p><p><b>　　2.電弧電壓 </b></p>&l

59、t;p>　　電弧電壓與電弧長(zhǎng)度成正比。電弧電壓主要決定焊縫熔寬，因而對(duì)焊縫橫截面形狀和表面成形有很大影響。</p><p>　　提高電弧電壓時(shí)弧長(zhǎng)增加，電弧斑點(diǎn)的移動(dòng)范圍增大，熔寬增加。同時(shí)，焊縫余高和熔深略有減小，焊縫變得平坦。電弧斑點(diǎn)的移動(dòng)范圍增大后，使焊條熔化量增多，因而向焊縫過渡的合金元素增多，可減小由焊件上的銹或氧化皮引起的氣孔傾向。當(dāng)裝配間隙較大時(shí)，提高電弧電壓有利于焊縫成形。但電弧電壓太高，對(duì)

60、接焊時(shí)會(huì)形成“蘑菇形”焊縫，容易在焊縫內(nèi)產(chǎn)生裂紋；角焊時(shí)會(huì)造成咬邊和凹陷焊縫。如果電弧電壓繼續(xù)增加，電弧會(huì)突破焊劑的覆蓋，使融化的液態(tài)金屬失去保護(hù)而與空氣接觸，造成密集氣孔。降低電弧電壓可增強(qiáng)電弧的剛直性，能改善焊縫熔深，并提高抗電弧偏吹的能力。但電弧電壓過低時(shí)，會(huì)形成高而窄的焊縫，影響焊縫成形并使脫渣困難；在極端情況下，熔滴會(huì)使焊條與熔池金屬短路而造成飛濺。</p><p>　　因此，手工電弧焊時(shí)適當(dāng)增加電弧電

61、壓，對(duì)改善焊縫形狀、提高焊縫質(zhì)量是有利的，但應(yīng)與焊接電流相適應(yīng)。</p><p><b>　　3.焊接速度 </b></p><p>　　焊接速度對(duì)熔寬、熔深有明顯影響，它是決定焊接生產(chǎn)率和焊縫內(nèi)在質(zhì)量的重要工藝參數(shù)。不管焊接電流與電弧電壓如何匹配，焊接速度對(duì)焊縫成形的影響都有著一定的規(guī)律。在其他參數(shù)不變的條件下，焊接速度增大時(shí)，電弧對(duì)母材和焊條的加熱減少，熔寬、余

62、高明顯減小；與此同時(shí)，電弧向后方推送金屬的作用加強(qiáng)，電弧直接加熱熔池底部的母材，使熔深有所增加。當(dāng)焊接速度增大到40m/h以上時(shí)，由于焊縫的線能量明顯減少，則熔深隨焊接速度增大而減小。</p><p>　　焊接速度的快慢是衡量焊接生產(chǎn)率高低的重要指標(biāo)。從提高生產(chǎn)率的角度考慮，總是希望焊接速度越快越好；但焊接速度過快，電弧對(duì)焊件的加熱不足，使熔合比減小，還會(huì)造成咬邊、未焊透及氣孔等缺陷。減小焊接速度，使氣體易從正在

63、凝固的熔化金屬中逸出，能降低形成氣孔的可能性；但焊速過低，則將導(dǎo)致熔化金屬流動(dòng)不暢，易造成焊縫波紋粗糙和夾渣，甚至燒穿焊件。</p><p><b>　　4 焊條直徑</b></p><p>　　焊條直徑的選擇取決于工件的厚度及結(jié)構(gòu)的尺寸、接頭形式、焊縫的空間位置以及焊道層次等因素。一般當(dāng)工件較厚時(shí)，采用較大直徑的焊條，但板厚的對(duì)接接頭坡口內(nèi)，第一層焊接時(shí)要選用較細(xì)的

64、焊條；平焊時(shí)，由于允許使用較大的焊接電流，焊條直徑可大些。焊接接頭形式雷同，選用的焊條直徑也應(yīng)有所不同。立焊、橫焊和仰焊時(shí)，宜選用較小直徑的焊條。對(duì)于根部不要求完全焊透的不開坡口的角接、搭接、及T形接頭的焊縫可參照表2-5選取。對(duì)于要求完全均勻焊透的不開坡口的角接、對(duì)接及T形焊透的角接、對(duì)接及T形焊縫，在焊接底層時(shí)應(yīng)用小直徑的焊條，即使是厚板的焊接，最好采用直徑3.2mm以下的焊條焊接，這樣能保證焊透及良好的背面成形。</p>

65、;<p>　　表2-5 焊條直徑和板厚關(guān)系</p><p><b>　　5接頭形式</b></p><p><b>　　見圖2-2</b></p><p>　　圖2-2 T型接頭形式</p><p>　　經(jīng)過分析，最終確定的焊接規(guī)范參數(shù)見表2-6：</p><p&g

66、t;　　表2-6焊接工藝參數(shù)</p><p><b>　　2.4 焊接步驟</b></p><p>　　本次實(shí)驗(yàn)采用的焊接方法是手工電弧焊，焊絲直徑2.0mm，數(shù)控機(jī)床切割鋼板試件。焊接步驟如下：</p><p>　　1. 焊前準(zhǔn)備:試件有一塊開K形坡口，坡口角度為55度。焊前，對(duì)焊件進(jìn)行清理，先用丙酮清洗油污，然后用直徑小于0.15mm不銹鋼

67、鋼絲刷對(duì)坡口及其兩側(cè)來(lái)回刷幾次，并用刮刀將坡口清理干凈。</p><p>　　2. 焊接材料的選用：焊條采用J507。</p><p>　　3. 將腹板和面板用點(diǎn)焊定位，置于水平工作平臺(tái)，用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件尺寸并做記錄；</p><p>　　4. 在T形接頭的面板上標(biāo)識(shí)出各個(gè)位移測(cè)點(diǎn)的位置和編號(hào)，以及面板與腹板的交線；</p><p>　　5

68、. 焊接時(shí)，由焊接技工采用手工電弧焊法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇焊接電流和電壓，并自行控制和保持平穩(wěn)的焊接速度。記錄焊機(jī)上顯示的電流讀數(shù)，并用秒表記錄焊接一定長(zhǎng)度焊縫花費(fèi)的時(shí)間。</p><p>　　6. 焊接完全冷卻以后，再次測(cè)量試件焊接后的尺寸，并做記錄。</p><p><b>　　圖2-3 焊接試件</b></p><p>　　2.5焊接變形的測(cè)量

69、與結(jié)果</p><p>　　此次試驗(yàn)是考慮平板的橫向收縮與縱向收縮，立板的變形不進(jìn)行測(cè)量與計(jì)算。兩組試件的實(shí)際變形測(cè)量值如表2-7和2-8：</p><p><b>　　焊接變形的測(cè)量</b></p><p>　　表2-7 一號(hào)試件的變形量測(cè)量數(shù)值</p><p>　　表2-8 二號(hào)時(shí)間的變形量測(cè)量數(shù)值</p>

70、;<p><b>　　第三章 變形的計(jì)算</b></p><p>　　3.1焊接變形計(jì)算方法</p><p>　　在焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)和使用中，焊接變形的預(yù)測(cè)具有重要意義，但是焊接過程和焊接構(gòu)件的復(fù)雜性，在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)焊接變形的預(yù)測(cè)還是較為困難。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)焊接變形的進(jìn)行了大量的研究，得出了一些預(yù)測(cè)焊接變形的方法。這些方法歸納起來(lái)可分為三類：經(jīng)驗(yàn)法，解析法

71、和數(shù)值模擬法。經(jīng)驗(yàn)法是通過查找焊接手冊(cè)上的經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)曲線來(lái)估計(jì)焊縫的收縮量和角變形量。這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在一定條件下的試驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)際中得到的，且針對(duì)最簡(jiǎn)單的情況，存在相當(dāng)?shù)木窒扌?。二十世紀(jì)四十年代，前蘇聯(lián)的奧凱爾勃洛姆對(duì)焊接殘余應(yīng)力和變形的起因和分類進(jìn)行了研究，建立了確定焊接殘余應(yīng)力和變形的理論方法。后來(lái)的研究者們基于該理論，提出了以殘余塑變來(lái)計(jì)算焊接變形的解析法。由于該方法是建立在平截面假定和其它一些假定的基礎(chǔ)之上的，故只能適用于一些

72、簡(jiǎn)單的焊接構(gòu)件，如簡(jiǎn)單梁板的焊接收縮變形和角變形。焊接數(shù)值模擬的發(fā)展是從解析法開始的。特別是近年來(lái)，隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，逐步過渡到有限差分法和有限單元法。在近幾年的發(fā)展中，隨著有限元軟件的開發(fā)及其良好的使用效果，有限元法已占據(jù)了主導(dǎo)地位。近年來(lái)，數(shù)值模擬已經(jīng)成為焊接研究方面的主要手段。</p><p><b>　　3.1.1解析法</b></p><p>　　解析

73、法又叫彈性理論方法，用解析法研究焊接變形始于20世紀(jì)50年代，是基于經(jīng)典彈性理論的研究，忽略了熱彈．塑性過程。包括固有應(yīng)變理論，轉(zhuǎn)位論等，均是以彈性理論來(lái)求出焊接變形量，其代表人物是Watanabe。二十世紀(jì)四十年代，蘇聯(lián)的H．O．奧凱爾布朗母用圖解的形式提出了一維解析殘余塑變法。后來(lái)，C．A庫(kù)茨米諾夫就在此理論上作了進(jìn)一步的發(fā)展，并形成了一個(gè)較完整的理論體系。Watanabe和Satoh從分析焊接條件對(duì)試板收縮變形的影響入手，分析了焊

74、接熱輸入和外部約束與收縮變形的關(guān)系，并得出相應(yīng)的簡(jiǎn)單關(guān)系式。</p><p>　　解析法只考慮了殘余塑性應(yīng)變，并假設(shè)所有區(qū)域(包括固有應(yīng)變區(qū))都保持彈性。這種方法把焊接構(gòu)件與固有應(yīng)變分布以數(shù)學(xué)方式理想化，這也正暴露了解析法的缺點(diǎn)，如彈性理論問題的解決是有限的，對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)來(lái)講是不可能求解的。為了正確了解固有應(yīng)變的分布，人們提出了實(shí)驗(yàn)方法和熱彈．塑性分析法，即以實(shí)驗(yàn)結(jié)果和熱彈一塑性分析結(jié)果為基礎(chǔ)，來(lái)求出固有應(yīng)變

75、的方法。固有應(yīng)變的大小和區(qū)域應(yīng)該通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)獲得，說(shuō)明解析法有較低的應(yīng)用價(jià)值，但是為之后出現(xiàn)的數(shù)值分析法和等效載荷法打下了重要的基礎(chǔ)。</p><p>　　3.1.2熱彈塑性有限元法</p><p>　　焊接數(shù)值模擬的理論意義在于通過對(duì)復(fù)雜或不可觀察的焊接現(xiàn)象進(jìn)行模擬和對(duì)極端情況下尚不知的規(guī)則的預(yù)測(cè)，以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，弄清焊接過程的規(guī)律。焊接數(shù)值模擬的現(xiàn)實(shí)意義在于根據(jù)對(duì)焊接現(xiàn)象和

76、過程的數(shù)值模擬，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，從而減少試驗(yàn)工作量，提高焊接質(zhì)量。二十世紀(jì)七十年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元法為基礎(chǔ)，提出了焊接熱彈塑性分析理論，從而使復(fù)雜的動(dòng)態(tài)焊接過程的應(yīng)力應(yīng)變分析成為可能。 隨后，許多國(guó)家的研究者加入到焊接數(shù)值模擬的研究行列，建立的數(shù)值模型從一維發(fā)展到二維，再到目前重點(diǎn)研究的三維；模擬對(duì)象從簡(jiǎn)單的平板堆焊、對(duì)接焊到角焊縫，再到目前的研究熱點(diǎn)多道焊；研究?jī)?nèi)容從焊接接頭的收縮變形到角變形，再到大型復(fù)雜

77、焊接結(jié)構(gòu)的整體變形。數(shù)值模擬作為一種強(qiáng)有力的定量研究手段，不僅可以用來(lái)幫助理解焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力和變形，國(guó)內(nèi)外的研究者們還以此為工具，研究控制和減小殘余應(yīng)力，優(yōu)化焊縫質(zhì)量的工藝方法。</p><p>　　熱彈塑性有限元法是焊接數(shù)值模擬最重要、最一般的方法，它跟蹤整個(gè)焊接熱循環(huán)過程，可以同時(shí)考慮許多重要因素的影響，除了用來(lái)預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力和變形，也可用以分析裂紋、疲勞、斷裂等現(xiàn)象。熱彈塑性有限元法預(yù)測(cè)焊接

78、變形的過程為：先進(jìn)行焊接熱循環(huán)分析，得到整個(gè)試板在焊接過程中任一時(shí)刻的溫度場(chǎng)，再將溫度場(chǎng)輸入熱彈塑性有限元分析程序，進(jìn)行應(yīng)力和變形的分析計(jì)算。</p><p>　　焊接熱循環(huán)溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算是焊接應(yīng)力與變形準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的前提。用于求解溫度場(chǎng)的熱源模型有許多種，最早使用的是點(diǎn)熱源、線熱源和面熱源，分別用于不同形式試板的溫度場(chǎng)解析解。這種熱源形式簡(jiǎn)單，但計(jì)算結(jié)果精度差。在焊接溫度場(chǎng)二維分析中廣泛運(yùn)用的是經(jīng)典的高斯熱源模型

79、，這種模型以及后來(lái)在其基礎(chǔ)上發(fā)展提出的雙橢圓高斯熱源模型都沒有考慮電弧對(duì)熔池的沖擊作用，對(duì)于高能束焊接存在較大誤差。1985年Goldak提出的橢球熱源和改進(jìn)的雙橢球熱源不僅可以考慮電弧力的作用，而且可以彌補(bǔ)熔池內(nèi)液體流動(dòng)對(duì)熱傳導(dǎo)的加快作用。雙橢球熱源適用于厚板焊接的三維數(shù)值分析。焊接熱循環(huán)數(shù)值模擬中常常要處理熔敷金屬填充過程，常用的方法有兩種：一是改變填充單元的材料特性，焊前賦予焊縫填充單元的彈性模量和熱導(dǎo)率一個(gè)很小的數(shù)值，即認(rèn)為焊縫

80、部位材料不參與傳力和傳熱，焊時(shí)和焊后單元的材料數(shù)據(jù)可按隨溫度變化的材料特性來(lái)處理；第二種是改變單元的“ 死活”，焊接過程中，焊縫處的單元根據(jù)一定的判定準(zhǔn)則一個(gè)個(gè)順序地被激活。相變潛熱對(duì)焊接溫度場(chǎng)有著重要影響，通常用定義隨溫度變化的材料比熱或焓來(lái)考慮相變潛熱的影響。熔池內(nèi)流體的流動(dòng)增加了材料的傳熱速度，可通過</p><p><b>　　3.2固有應(yīng)變法</b></p><

81、p>　　研究焊接應(yīng)力與變形的有限元法有熱彈塑性有限元法，粘彈塑性有限元法，考慮相變與熱應(yīng)力耦合效應(yīng)的有限元法等。然而，這些方法要深入了解熱力學(xué)的全部過程，在將這些本構(gòu)方程應(yīng)用于實(shí)際大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，就會(huì)有非常大的困難。當(dāng)預(yù)測(cè)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形時(shí)，我們需要的是焊接以后最終的殘余變形，并非致力于了解瞬時(shí)行為的全過程，因此沒必要執(zhí)行全部的熱力學(xué)計(jì)算。此時(shí)用固有應(yīng)變法代替非線性的熱彈塑性法是一種十分簡(jiǎn)便而有效的方法。它利用焊接以后在焊縫

82、及其附近所產(chǎn)生的固有應(yīng)變作為初始應(yīng)變，只要進(jìn)行一次彈性有限元計(jì)算，就可獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的焊接變形。這樣既大大縮短運(yùn)算時(shí)間和成本，又保持了足夠的精度，在實(shí)際焊接工程中具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。</p><p>　　3.2.1固有應(yīng)變 </p><p>　　固有應(yīng)力和固有應(yīng)變最早是日本學(xué)者提出和應(yīng)用的概念。固有應(yīng)力是在不受外力作用下物體內(nèi)部所存在的應(yīng)力，因此固有應(yīng)力實(shí)際上也就是我們經(jīng)常所說(shuō)的內(nèi)

83、應(yīng)力，殘余應(yīng)力就是一種典型的固有應(yīng)力。所謂固有應(yīng)變可以看成是內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生源，若將物體處于既無(wú)外力也無(wú)內(nèi)力的狀態(tài)看作為基準(zhǔn)狀態(tài)，固有應(yīng)變就是表征從應(yīng)力狀態(tài)切離后處于自由狀態(tài)時(shí)，與基準(zhǔn)狀態(tài)相比所發(fā)生的應(yīng)變，它等于總的變形應(yīng)變減去彈性應(yīng)變。即變形應(yīng)變?chǔ)?、彈性?yīng)變?chǔ)舉 和固有應(yīng)變?chǔ)?的關(guān)系為：</p><p>　　ε=εe+ε* (3-1)</p>&l

84、t;p>　　傳統(tǒng)的焊接應(yīng)力與變形研究方法有所謂“殘余塑變理論”。它認(rèn)為焊接加熱過程中焊縫和近縫區(qū)的金屬熱膨脹應(yīng)變受到周圍較冷金屬的拘束，從而產(chǎn)生壓縮塑性應(yīng)變。焊接冷卻過程中該壓縮塑性應(yīng)變被拉伸抵消一部分，但焊后仍殘留部分壓縮塑性應(yīng)變，稱為殘余壓縮塑性應(yīng)變，并用來(lái)分析和預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力和變形。殘余塑變理論對(duì)了解焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原理和本質(zhì)有重要的貢獻(xiàn)?？梢哉f(shuō)至今它仍然是焊接應(yīng)力與變形在教育領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。當(dāng)然， 因?yàn)闅堄嗨茏兝碚撚?/p>

85、一些不夠完善的地方，容易引起一些誤解與質(zhì)疑。因?yàn)楹附右院螅缚p及其附近不僅有殘余塑性應(yīng)變，還可能有殘留的熱收縮應(yīng)變和相變引起的應(yīng)變。例如，殘余塑變理論假定焊縫處一直就是原來(lái)工件的一部分，經(jīng)歷了加熱和冷卻的全過程，就像無(wú)填充焊絲的TIG熱源在工件表面走一道焊縫一樣。然而大多數(shù)的情況是焊縫處原來(lái)有坡口和間隙，焊接時(shí)被熔化的金屬所填充。因而焊縫可以說(shuō)是直接從高溫冷卻下來(lái)的。這樣焊縫處從高溫冷卻下來(lái)受到周圍的拘束只會(huì)產(chǎn)生拉伸塑性應(yīng)變，焊后也不可

86、能有什么殘余壓縮塑性應(yīng)變。于是對(duì)上述殘產(chǎn)生了質(zhì)疑。研究表明，焊縫直接從高溫冷卻下來(lái)時(shí)，焊后在焊縫處雖然沒有壓縮塑性應(yīng)變，但存在著殘余熱收縮</p><p>　　焊接過程中的熱應(yīng)變、塑性應(yīng)變是產(chǎn)生焊接應(yīng)力的原因。在低合金高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，固態(tài)相變常發(fā)生在彈性喪失溫度以下，必須考慮相變時(shí)體積膨脹引起的應(yīng)變變化。因此焊接應(yīng)力是熱應(yīng)變，塑性應(yīng)變以及相變應(yīng)變綜合影響的結(jié)果。熱應(yīng)變、塑性應(yīng)變和相變應(yīng)變都是焊接應(yīng)力產(chǎn)生的根源，因而

87、有共同的特征。為了統(tǒng)一分析，可以采用上述“固有應(yīng)變”的概念。</p><p>　　焊接應(yīng)力應(yīng)變屬于熱彈塑性問題，一般有：</p><p>　　{e}={e}e+{e}p+{e}T+{e}q (3-2) </p><p>　　式中,{e}p——塑性應(yīng)變；{e}T——溫度應(yīng)變；{e}T={a}dT;{e}q——相變應(yīng)變。</

88、p><p>　　比較式(2-1)和(2-2) ，可以得到焊接結(jié)束以后固有應(yīng)變就是塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變和相變應(yīng)變?nèi)邭堄嗔恐停?lt;/p><p>　　{e*} ={e}p+{e}T+{e}q (3-3) </p><p>　　當(dāng)焊接低碳鋼等材料不考慮相變對(duì)應(yīng)力變形的影響時(shí)，固有應(yīng)變就是殘余的熱應(yīng)變和塑性應(yīng)變之和。若假定無(wú)坡口焊縫本身經(jīng)

89、受加熱過程，由于加熱和冷卻的熱應(yīng)變抵消為零，那么完全冷卻后焊縫處存在殘余壓縮塑性應(yīng)變。若假定焊縫是填充金屬直接從高溫冷卻下來(lái)，則完全冷卻后焊縫處存在殘余熱收縮應(yīng)變。殘余壓縮塑性應(yīng)變和殘余熱收縮應(yīng)變都是固有應(yīng)變。 因此利用固有應(yīng)變來(lái)預(yù)測(cè)焊接應(yīng)力與變形。與殘余塑變方法是完全一致的。不過固有應(yīng)變的概念更廣些而已。</p><p>　　3.2.2 固有應(yīng)變法焊接變形的解析法 </p><p>　　

90、焊接變形的主要形式有兩種。其一可以認(rèn)為是由于焊縫的縱向收縮引起的縱向變形（縱向縮短和彎曲撓度等），其二可以認(rèn)為是由于焊縫的橫向收縮引起的橫向變形（橫向縮短和角變形等）因此焊接變形也可以認(rèn)為主要是焊縫及其附近的縱向及橫向固有應(yīng)變引起的。對(duì)于簡(jiǎn)單的梁或平板的焊接變形，就可用固有應(yīng)變進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。</p><p>　　1)縱向焊接變形的解析法計(jì)算 </p><p>　　圖3-1為一梁的單位縱向變

91、形圖.如果已知單位長(zhǎng)度上縱向固有應(yīng)變ex*的總和（又稱縱向收縮單位體積）Wx，則有</p><p>　　Wx=∫ex*dA (3-4)</p><p>　　Δ=Wx/F (3-5)<

92、;/p><p>　　C=WxZ’/J (3-6)</p><p>　　F=CL2/8 (3-7)</p><p>　　式中， Δ=單位縱向縮短；C=曲率；f=彎曲撓度

93、；F=梁的截面積；J=截面慣性矩；Z’= Wx 中心到截面中心距離。</p><p>　　圖3-1 單位縱向變形</p><p>　　2) 橫向焊接變形的解析法計(jì)算 </p><p>　　圖3-2 表面堆焊時(shí)的橫向變形</p><p>　　圖 3-2 為平板表面堆焊時(shí)的橫向變形圖.如果已知單位長(zhǎng)度上橫向固有應(yīng)變ey*的總和(又稱橫向收縮單

94、位體積)Wy ,則有</p><p>　　Wy=∫ey*dA （3-8）</p><p>　　e=∫zey*dA/∫ey*dA (3-9)</p><p>　　Δb=Wy/h

95、 (3-10)</p><p>　　Ba=12Wye/h3 (3-11)</p><p>　　式中, Δb=平均橫向縮短; Βa=彎曲角;e= Wy 的偏心矩;h=板厚.

96、 </p><p>　　3.3試件焊接變形的計(jì)算</p><p>　　根據(jù)3.2.2中的固有應(yīng)變法的解析法計(jì)算，本次試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果如下：</p><p>　　試驗(yàn)中采用的是手工焊條電弧焊，故K1取0.050，η取0.75，則Q =ηUI/v=0.75*24.8*120/。又由于試件厚度為10mm，所以取K2為1.15，梁的截面積為68*10*2=1360mm

97、2，焊縫長(zhǎng)度為250mm，焊縫截面積可估算為1.1*K2/2。經(jīng)計(jì)算材料16Mn的α/(cρ)=30.65*10-5，則此試件的ξ=0.8*α/(cρ)=29.2*10-5。因此，試件的縱向焊縫的收縮量ΔL為：</p><p>　　ΔL =1.15*0.05*(1.1*k2/2)*250/1360=0.58mm</p><p>　　3.4計(jì)算值與實(shí)測(cè)值得比較</p><

98、p>　　實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的焊接變形值與計(jì)算值得比較如表3-1.</p><p>　　表3-1實(shí)測(cè)值與計(jì)算值得比較</p><p>　　3.5分析實(shí)驗(yàn)的誤差原因</p><p>　　固有應(yīng)變法將在一定實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的平均應(yīng)變值替代實(shí)際構(gòu)件中的未知應(yīng)變是有一定誤差的。首先，實(shí)際構(gòu)件中遠(yuǎn)離焊縫的彈性體在焊接變形協(xié)調(diào)中所起的作用不容忽視也無(wú)法用簡(jiǎn)單方法替代，甚至相同結(jié)構(gòu)在不

99、同焊接順序下也會(huì)產(chǎn)生明顯的不同。換句話說(shuō)，任何不同焊接構(gòu)件其固有應(yīng)變均不相同。用典型接頭、典型工藝方法近似其體結(jié)構(gòu)、具體工藝，忽略了遠(yuǎn)離焊縫的彈性體對(duì)焊縫應(yīng)變的影響，忽略了同一焊縫先焊部分對(duì)后焊部分的影響，忽略了焊接順序的影響，必然引起一定誤差。其次，對(duì)固有應(yīng)變關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量是有一定誤差的。焊接過程復(fù)雜，焊接實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變值一般需經(jīng)過多次測(cè)量取平均值才較為可靠。如果因條件的限制，固有應(yīng)變參數(shù)不能通過多次實(shí)驗(yàn)確定，則會(huì)給計(jì)算帶來(lái)誤差。上述兩點(diǎn)

100、誤差可以隨著固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù)的完善而減小，而且對(duì)于符合數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)量條件下的結(jié)構(gòu)，利用該方法可以得到很好的結(jié)果。僵對(duì)于固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在的情況，該方法并不能作出預(yù)測(cè)。固有應(yīng)變法實(shí)質(zhì)上是利用經(jīng)驗(yàn)值解決問題的。應(yīng)用蹊有應(yīng)變理論來(lái)研究和預(yù)測(cè)焊接變形與殘余應(yīng)力，目前在國(guó)內(nèi)外都取得了不少進(jìn)展，并具有較廣闊的應(yīng)用前景。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>

101、;　　通過文中的理論分析和針對(duì)具體試件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到了如下結(jié)論：</p><p>　　(1)變形的測(cè)量值和計(jì)算值較小，說(shuō)明焊接工藝得當(dāng)；</p><p>　　(2)變形的測(cè)量值和計(jì)算值較吻合，即采用的計(jì)算公式合理；</p><p>　　(3)本文采用的變形測(cè)量方法和計(jì)算公式對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐具有參考價(jià)值。 </p><p><b>　　

102、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳楚．船體焊接變形.國(guó)防工業(yè)出版社．1985 年4 月 </p><p>　　[2] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)．焊接結(jié)構(gòu)(第三版) ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1992</p><p>　　[3] 程友勝．焊接應(yīng)力和焊接變形的論述[J]．煤礦機(jī)械，2003：59-60</p><p>　　[

103、4] 王者昌．關(guān)于焊接殘余應(yīng)力消除原理的探討[J]．焊接學(xué)報(bào)，2000 ：55-58</p><p>　　[5] 王青春.王勇．焊接應(yīng)力與變形問題的探討[J]．煤礦機(jī)械，2007 ：68-70</p><p>　　[6] 中國(guó)工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)．焊接手冊(cè)焊接結(jié)構(gòu)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[7] 汪建華等．預(yù)測(cè)焊接變形的殘余塑變

104、有限元方法．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)．1997：10(7):75-78.</p><p>　　[8] [蘇]C．A．庫(kù)茲米諾夫．船體結(jié)構(gòu)的焊接變形．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1978 25(7):56-58</p><p>　　[9] D達(dá)伊．焊接熱效應(yīng)一一溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力、變形[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版199732(5):85-90</p><p>　　[10] 楊上軍

105、．不銹鋼2205焊接變形分析和仿真．哈爾濱工程大學(xué)碩士論文，2007</p><p>　　[11] 汪建華、戚新海、鐘小敏.焊接結(jié)構(gòu)三維熱變形的有限元模擬[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)1994, 28 (6) 59-65</p><p>　　[12] 汪建華.鐘小敏、戚新海.管板接頭三維焊接變形的數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報(bào) 1995 16(3)：140-145</p><p

106、>　　[13] 蔡志鵬 大型結(jié)構(gòu)焊接變形數(shù)值模擬的研究與應(yīng)用:[博士學(xué)位論文].北京:清華大學(xué)，2001,25(4):42-45</p><p>　　[14] 蔡忠鵬．大型結(jié)構(gòu)焊接變形數(shù)值模擬的研究與應(yīng)用：[博士學(xué)位論文]．北京：清華大學(xué) 機(jī)撤工程系，2001，10(6):65-67</p><p>　　[15] 蔡志鵬，趙海燕，吳廷.等.利用相似理論預(yù)測(cè)焊接變形的研究機(jī)械

107、工程學(xué)報(bào).2002, 38(5): 141-144</p><p>　　[16] 杜銀霞、楊中地.焊接變形的原因分析及其矯正閉，變壓器 . 1998,8</p><p>　　[17] 薛忠明，曲文卿，柴鵬，等．焊接變形預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)展[J]．焊接</p><p>　　學(xué)報(bào)，2003,24(3)：89-90</p><p>　　[18] 張