浅析钢结构大型焊接构件的焊接变形预测与控制

[摘 要]随着我国基础建设步伐的日益加快，钢结构也成为各工程领域中应用的主要材料之一。其本身具有强度较高、重量轻等优势，极适用于大跨度与高层结构施工。然而应用中也发现因其焊接难度过大且构件大截面尺寸，为焊接工作带来较大的难题，使构件焊接质量受到影响。本文主要对焊接模拟变形中热源子程序的引入、对焊接中应力应变场、温度场的模拟、模拟结果讨论以及焊接变形的具体控制策略进行探析。

[关键词]钢结构；焊接变形；模拟；控制

中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）47-0152-01

前言：现行大多建筑施工领域中焊接构件多以工字型界面为主，而且在焊接过程中通常采用电弧焊的形式，由于其本身需进行加热或冷却，在结束焊接后可能出现残余变形等问题，严重情况下将直接直接致使构件变成废品。这种情况下，无论进行变形矫正工作或构件成为废品都可能使企业在生产进度、生产成本等方面受到影响。因此，如何做好焊接变形控制是现行企业钢结构构件制作中需考虑的重要问题。

一、焊接模拟变形中热源子程序的引入

现阶段，对于大多焊接领域中用于有限元分析的软件包括很多如ANIDN、ANSYS以及ABAQUS等。以其中ABAQUS为典型代表，能够充分模拟焊接中弧焊的具体过程，在此基础上对模拟结果进行计算分析。从ABAQUS引用正，进行有限元分析的具体过程看，主要通过ABAQUS/CAE前处理、ABAQUS/STANDARD计算过程以及后处理工作。其中前处理中要求进行ABAQUS模型的构件，并将生成的文件向分析计算软件中进行传输。而计算中主要对文件内的相关模型进行求解，并在后台中进行运行。最后利用后处理将相应的如XY曲线、动画、云纹图等进行读入分析。为使软件功能得以充分发挥，在应用中还需对DFLUX子程序进行编写，需注意因焊接过程较为复杂，在模拟中也面临较大的难题，因此在热源模型构件中应以简化形式为主，包括高斯热源模型、分段移动以及双椭球体等类型热源模型[1]。

二、对焊接中应力应变场、温度场的模拟分析

由于焊接变形问题的产生除因温度场存在外也包括应力应变场等原因，在模拟分析过程中应充分将此两点考虑其中。实际模拟前可假定的以20℃为构件初始温度、不考虑搅拌与化学反应问题并假定木材与焊条一致。在此基础上首先模拟焊接中的温度场。具体步骤包括：①几何模型的构建与材料相关参数的明确。其中几何模型构建需通过焊缝、腹板与翼板形成相应的平面模型，此时进行拉伸以形成三维模型，这样在不考虑融化问题的基础上使焊缝表面以弧面的形式存在。而在材料参数方面主要选定20℃初始温度的焊件，Q235B钢材；②单元类型的确定。根据焊接温度场具体分析主要选用三维实体单元，其在传热功能分析、焊缝处单元划分等方面都具有较为明显的优势；③划分网格。结合焊接中温度变化的表现形式，在网格划分中主要集中在焊缝区、母材区、影响以及过渡区；④对热源加载的考虑。该过程中主要需利用ABAQUS中的相关模块对焊接的准备、加热与冷却步骤进行设计，同时考虑施加热源载荷中双椭球热源功能的实现；⑤对求解过程的设计。主要考虑焊接的热传导、对流以及辐射等。

而在应力应变场模拟中，利用ABAQUS软件模拟过程中与温度场模拟较为相似，在模型构建的基础上进行材料参数的明确以及单元类型的划分。然后结合温度场计算结果做好求解过程设置。与之不同的为其需做好后处理工作，要求根据时间变化对焊接借点应力变化进行分析，最终完成相应的计算过程。

三、模拟结果讨论

通过模拟结果，对于温度场可从分布云图、样点热循环以及具体分布路径等方面得出相应的结论。其中在分布云图中，可分别对冷却前与冷却后焊接情况进行判断，当初始温度为2000℃时，在冷却作用下温度逐渐下降，且腹板焊缝等区域受余温影响出现等温色带区域，而冷却后在温度保持20℃左右时，可发现构建的模型与模拟结果接近。在样点循环方面，通过模拟结果可发现与焊缝中心相近处热循环表现出温度高、加热与冷却速度快等特征，而距离较远处温度变化则不明显。加上温度场的具体分布情况，可得出移动热源模型下温度差与实际分布不存在较大的差异。而在应力场方面，无论从分布云图、样点焊接以及分布路径等方面都可得出模型模拟数值保持相近。因此在控制过程中应充分利用有限元分析方法[2]。

四、焊接变形的具体控制策略

结合变形控制相关理论以及上述模拟分析，焊接中变形问题的产生主要归因于不均匀加热，且在焊接中存有残余应力作用下，焊接构件易发生变形问题。具体控制焊接变形的措施主要体现在：第一，从设计角度。钢构件焊接过程中要求做好焊接形式与尺寸的控制。通常尺寸控制往往与变形的大小保持正比关系，变形随尺寸的增加而变大，且焊接工作量也交到，所以控制中应以小焊接尺寸为主。同时应注重对焊缝位置进行合理安排，可使中性轴与焊缝保持对称，这样变形挠曲问题能够逐渐消除。第二，从技术工艺应用角度。在控制中采取的方式首先体现在加工质量方面。加工中对于钢结构原材料应注重切割质量的提高，使零件具备较高精度的尺寸，同时引入工装胎具可使装备质量得以保证，这样关于前文中提及对应力应变场问题得以解决。其次应做好焊接方向顺序的控制工作，确保材料在性能、厚度以及焊缝等级等各方面满足焊接要求的基础上进行焊接顺序的确定，如对角焊接方式的应用等。而在方向确定过程中应结合不同焊接情况进行方式选择如焊缝在同一直线较多的情况下可由中间向两侧进行退焊，或对于隔离焊缝引入跳焊方式。再次，对于因电弧焊引起的变形问题，可引用的方式主要以二氧化碳气保护的方式，其具备成本低且效率高等优势。最后，利用刚性固定的方式，主要在焊接中进行拉杆或支撑的设置，使工件以封闭的形式存在，对于焊接变形问题的解决也可起到一定的作用[3]。

结论：对于焊接变形问题，实际预测与控制中应注重引入有限元分析方法，分别对焊接温度场、应力应变场进行相应模型的构建，在ABAQUS软件应用的基础上进行得出具体的模拟结果。这样在实际预测与控制中便可结合模拟计算结果采取相应的策略，使焊接变形问题得以解决。

参考文献

[1] 张永涛. 大型钢构件制作加工过程中残余应力与变形的理论分析与实践[D].河北工业大学，2013.

[2] 王聪. 钢结构大型焊接构件的焊接变形预测与控制[D].青岛理工大学，2012.

[3] 于之翠. 大跨结构钢箱梁焊接变形预测与控制的应用研究[D].燕山大学，2013.