焊接变形预测技术研究进展分析

[摘 要]科学技术的发展推动了我国焊接变形预测技术的进步，有限元法和优化设计理论等应用于我国的焊接变形预测中，有效保证了焊接变形预测的准确性，将焊接变形控制在最小范围中，推动了我国焊接行业向世界先进行列的转变。本文先是对焊接变形预测技术的发展进行了概述，又详细分析阐述了焊接变形预测使用的理论。

[关键词]焊接变形 预测技术 研究 进展 分析

中图分类号：F27017 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）13-0313-01

焊接变形的发展严重影响着产品的质量，因此人们加大了对焊接变形技术的研究与分析。早在二十世纪四十年代，就有专家学者建立了与焊接变形有关的理论方法。但是焊接属于一个较为复杂的过程，与之有关的数据资料和现象都是瞬时产生的，具有不均匀性和非线性，也就无法准确的反映出焊接的整个过程。在焊接结构制造的过程中，焊接变形是不可避免的问题，焊接变形又包括多个种类，例如：横纵向变形、角变形、弯曲变形等，严重影响着焊接构造的使用功能。

一、焊接变形预测技术的发展

早在二十世纪中叶，就有专家学者对焊接过程中存在的变形进行研究，而在二十世纪五十年代，低碳钢薄板在焊接过程中出现的变形也受到了广泛的关注，且焊缝收缩被提出，也研究出了与焊接变形预测有关的一系列公式。二十世纪七十年代，有人通过数值分析与试验方法对铝板结构中出现的变形现象进行了研究，且还对角焊缝和角变形两者之间存在的关系进行了详细的分析。随着科学技术的不断发展，人们又相继研发出了有关高强钢、不锈钢、低碳钢、铝合金等材料在焊接过程中发生的焊接变形现象，且研究出了关系式。

很多专家学者在对大型的焊接结构进行分析时，都是使用三维热弹塑性有限元分析法，以此为依据，建立了相关的数学模型，能够帮助人们对焊接变形机理的认识，且保证了焊接变形预测的准确度和正确性。

二、焊接变形预测使用的理论

在统计学分析的基础上，发展出了方差分析法，方差分析法在焊接变形预测中的应用，不仅对焊接变形公式进行了优化，而且还能够分析出焊接变形发生的影响因素，保证焊接质量。

1、热弹塑性有限元法

就理论而言，在焊接变形预测的过程中，热弹塑性有限元法是最重要且使用较普遍的方法，能够对影响焊接变形预测的各种影响因素进行综合考虑。热弹塑性有限元法在焊接变形预测中的使用，不仅能够应对焊接变形预测中存在的复杂的运算，而且还能够通过力学行为对焊接过程中出现的焊接变形进行模拟。而热弹塑性有限元法在焊接变形预测中应用时也需要考虑以下几个问题：材料非线性、几何非线性以及状态非线性，对液固相转变、显微组织转变与热力之间的影响进行综合考虑，从而对焊接变形进行准确的预测。

（1）几何影响因素

①几何非线性

在焊接变形模拟过程中，最先要对几何非线性纳入考虑的范围内，且在焊接变形较大的有限变形中较为适用，在结构焊接的过程中发生的变形或者是转动都较为明显，能够熟练的对结构局部出现的大变形进行解决。一般情况下，大应变分为两种形式：单元取向变化、单元形状改变，两者都对单元刚度改变产生影响。

而弹塑性有限元法在使用过程中需要求解时，就需要借助增量式与Lagrange描述进行辅助，而应变增量的综合就是焊接变形中存在的应变张量之和：

（1）

②类型因素

在使用几何建模时，需要对分析类型进行综合考虑，现阶段，我国的分析类型可分为三种：三维分析、壳分析以及平面分析等，三维分析能够在三维实体单元中使用，壳分析在壳单元中使用，平面分析在平面单元中使用，最重要的一点是在对顺序热力耦合进行分析，需要对热单元和结构单元两者之间存在的相容性进行综合考虑。

③闭锁问题

如果在焊接变形中出现弯曲变形与角变形的话，在对单元进行选择时，需要特别注意有无闭锁现象的存在。线性单元在使用的过程中，容易出现剪切闭锁的现象，而二次单元又比较容易出现体积闭锁的问题。

④网格技术

一般情况下，几何建模在使用的过程中会进行加密网格的操作，以减少计算花费的时间，节省存储空间。因此在远离焊缝的结构中使用网格较大的网格，也可以使用超单元技术。而对热力模拟在大型焊接结构中使用时，随着热源的移动而发生变化的可逆自适应网格存在无可比拟的优越性。

（2）材料特性

热弹塑性有限元法在焊接变形中应用时，需要对材料的非线性进行综合考虑，也就是温度对材料特性产生的影响。而焊接变形热弹塑性有限元与温度对结构变形之间的关系可以通过下列公式进行探究：

（2）

公式（2）中，―弹塑性刚度矩阵；

―热刚度矩阵；

―温度形函数。

2、固有应变法

在大型且复杂的焊接结构中，非线性问题很难通过热弹性模拟进行分析，需要花费较长的时间进行计算。因此，需要研究出科学的、合理的焊接变形模拟计算方法，以保证焊接结构所具备的完整性，而不是根据热弹塑性热力学的变化而发生变化，需要固有应变概念的引入，固有应变包括三部分：相变应变、塑性应变以及热应变。因为热应变在热循环结束之后是零，因此可以忽略不计，将固有应变看成是相变应变与塑性应变之和即可。一般情况下，固有应变在焊接过程中是焊接结构发生变形与应力的源头，在结构焊缝与热影响区分布较多。但是在已知固有应变结构的焊接过程中，将热弹塑性有限元通过线弹性有限元进行代替，在进行焊接变形与焊接残余应力计算时，有效降低了计算所需的时间。在对焊接结构发生的焊接变形进行预测时，需要先通过线弹性有限元对应变模型中存在的焊接变形、焊接残余应力进行分析和计算。

通常情况下，焊接结构中存在的固有应变法包括两种：板壳单元具备的固有应变法和三维实体单元具备的固有应变法。板壳单元固有应变法的优势是计算结果精确，适用于厚度较小的焊接结构；三维实体单元固有应变法对焊接变形计算时具有优势。固有应变的基本方程式可以表示为：

（3）

3、焊接变形的优化设计

目前，随着科学技术的不断发展，在焊接变形的预测过程中，使用了优化设计理论，不仅能够对焊接变形进行有效控制，而且还能够对目标函数进行优化，能够对设计变量影响焊接变形的程度进行研究。

在解析灵敏性、传统有限元优化设计以及非线性程序设计的基础上进行了发展和创新，研究出了焊接过程中瞬态的优化设计方案，在焊接结构焊缝两侧添加了加热带，对加热带大小进行了优化，以保证将焊接变形控制在最小范围中。

结语：

综上所述，随着有限元法、优化设计等理论在焊接变形预测中的应用，不仅能够提高焊接变形预测的精确性，而且还能够促使焊接变形预测向着工程化的方向发展，对焊接变形进行了有效控制，提高了结构焊接的质量，为我国焊接结构行业的发展奠定了基础。

参考文献

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[2] 张三磊，罗宇，陈陟悠.动力机车转向架侧梁焊接变形预测[J].焊接学报，2010，05（10）.