关于焊接过程对焊接残余应力及残余变形的影响

时间:2022-06-22 10:02:39

关于焊接过程对焊接残余应力及残余变形的影响

摘要:焊接工艺十分复杂,在实际操作中,存在很多焊接残余应力和残余变形,如果如果这种现象不能得到控制,将会产生不可估量的损失。本文通过多方论述,讲解分析了多人同时分段焊接与直通焊接在减少焊接残余应力和焊接残余变形上都具有很好的效果.

关键词:焊接 , 残余应力,残余变形,模型 ,焊缝

中图分类号: P755 文献标识码: A 文章编号:

Abstract: the welding process is very complex, in practice, there are a lot of welding residual stress and the residual deformation, if if this phenomenon not controlled, will produce a theirown losses. This paper discusses many, the explanation is analyzed and section welding and direct people to reduce residual stress in welding welding and welding residual deformation has a very good effect.

Keywords: welding, residual stress, residual deformation, model, welding seam

如果焊接较长的焊缝,最好使用多人分段的方法,原理是两种焊接方式相比,多人分段焊接可以在工作过程中对接头均匀加热,来降低工作中产生的残余变形的效果.本文对两种焊接方法的平板焊接与多人焊缝焊接的残余应力和变形来对比,从而来分析多人同时分段焊接取代直通焊的有效性问题.

一、计算模型

本研究假定的研究对象是平板对接接头为4 000mm×4 000mm×12mm的板上堆焊,圆柱壳板环向焊缝对接接头为500mm(R)×10mm(t)×1 600mm(L),焊接速度为7 mm/s,线能量为864 J/mm.材料为软钢,其热物理及力学性能表示为如下温度T的函数[7]:

导热系数λ=(54.34-0.000 42×T2)J/(mm•s•℃)

比热c=0.41+0.000 63×TJ/(g•℃)

密度 ρ=(7.82-2.625×T)×0.001 g/mm3

换热系数 β=33.5×10-6 J/(mm2•s•℃)

线膨胀系数 α=1.3×10-5℃-1

为了分析焊接应力和变形,首先必须进行焊接传热分析.为了方便起见,传热分析也采用有限元法,单元网格划分和应力变形分析完全一致.焊接时热量假定全部施加在焊缝上并随着热源移动而移动.焊接传热分析和焊接应力变形分析分开进行,焊接传热分析所得的焊接温度场如图1(a)、(b)所示.焊接传热分析所得结果形成一个数据文件,把该数据文件作为温度载荷输入三维热弹塑性有限元程序进行应力变形分析.用通用软件ABQUAS进行计算,温度计算选用DC3D8单元,力学计算选用DC3D8I单元.由于对称性,仅对二分之一板模型化.

二、计算结果

热弹塑性有限元计算程序可以给出任一时刻、任一点的应力及变形值,并可以自动绘出瞬态应力及变形分布图,并最终计算出残余应力及变形分布.图2、3分别是平板对接接头直通焊和多人分段焊焊缝处的纵向及横向残余应力分布.

图2两种焊接方法的纵向残余应力(单位:MPa)图3两种焊接方法横向残余应力(单位:MPa)

图4两种焊接方法的平板对接接头翘曲变形

平板对接接头直通焊和多人分段焊两种焊接方法焊接变形的各项指标的计算结果列表1其中纵横向残余变形皆为收缩变形,所以都为负值.翘曲变形是被焊接板在焊接热源作用下的整体翘曲变形,也可以用焊缝处的角变形来描述.表中所列的是板边缘的最大翘曲变形,亦如图4所示.焊缝挠度是指焊缝中心处与焊缝两端的垂直间距与焊缝长度的比值.

表1两种焊接方法的平板对接接头焊接变形计算结果

圆柱壳板环缝对接接头直通焊和多人分段焊两种焊接方法的焊接径向变形的各项指标计算结果列于表2.图5是两种焊接方法下圆柱壳板环缝对接接头径向收缩值在放大5倍时的示意图.图6是圆柱壳板环缝对接接头在直通焊时环缝形状示意图,其中平均收缩是指环缝径向收缩时环缝平均半径所确定圆的大小,实际收缩分布是指实际收缩值与平均收缩的差在放大50倍时的结果.

表2圆柱壳板环缝对接接头焊接变形计算结果

其中:位置为水平轴逆时针方向旋转角度;R为焊接后圆柱壳板不同位置的半径(单位:mm);R为焊接前后圆柱壳板不同位置的半径变化(负值为收缩,正值为膨胀.单位:mm).

图5两种焊接方法的圆柱壳板径向收缩变形图6直通焊环缝焊后形状

由图2可见,多人同时分段焊与直通焊相比,多人同时分段焊焊缝处的纵向残余应力的稳定值从250 MPa左右降至170 MPa左右,并且局部还形成应力水平在100 MPa的应力波谷,总体降幅在30%左右.

由图3可见,多人同时分段焊与直通焊相比,多人同时分段焊焊缝处的横向残余应力的稳定值从80 MPa降至50 MPa,并且局部还形成应力水平在零应力的应力波谷,总体降幅在40%左右.

从表1可知,多人同时分段焊的纵向和横向收缩变形较直通焊要大,但基本上还在同一个数量级上,可是翘曲变形或角变形和焊缝挠度,直通焊分别是多人同时分段焊的10倍和2倍.对于有稳定性要求的焊接结构采用多人同时分段焊进行焊接是一种非常有效的方法.

从表2和图5、6可知,圆柱壳板对接接头多人同时分段焊的径向收缩变形在2%左右,最大波动在0.168%范围内,且在直径方向是对称收缩.这说明焊缝处的径向收缩几乎是同步收缩,而直通焊的径向收缩变形在2.8%3.5%,最大波动范围是0.742%且在直径方向是不对称收缩.直通焊的径向收缩和径向收缩波动分别是多人同时分段焊的1.7倍和4.4倍.

三、结论

(1)对平板对接接头采用多人分段焊进行焊接可以有效地降低焊接残余应力,纵向应力和横向应力的降幅分别在30%和40%左右.

(2)对平板对接接头采用多人分段焊进行焊接可以大大地降低焊缝的角变形或翘曲变形和焊缝的弯曲度,其降幅分别在90%和50%.

(3)对圆柱壳体环缝采用多人分段焊进行焊接可以大大地降低焊缝的径向收缩变形和环缝的不圆度.

参考文献:

[1]曾振宁,武传松,吴林.TIG焊接熔透熔池的数学模型[J].焊接学报,1996,17(4):62-70.

[2]李义丹,辛国春,李振国.正态分布焊接热源三维温度场的解析计算[J].焊接学报,1997,18(4):251-255.

[3]雷卡林.焊接热过程计算[M].北京:机械工业出版社,1951.

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[7]唐非,鹿安理,方慧珍,等.一种降低残余应力的新方法———脉冲磁处理法[J].焊接学报,2000,21(2):29-31.

注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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