焊接殘余應(yīng)力的研究進(jìn)展

畢長剛

(沈陽有色冶金設(shè)計研究院，遼寧沈陽 110003)

0 引言

焊接殘余應(yīng)力是焊接工程研究領(lǐng)域的重點問題。涉及焊接的各種工程應(yīng)用中，都十分關(guān)注殘余應(yīng)力的影響。例如，在土木工程領(lǐng)域，對于鋼結(jié)構(gòu)焊接連接，殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的疲勞性能、穩(wěn)定承載力等均有影響。因此，對焊接殘余應(yīng)力的研究越來越引起人們的注意。

1 焊接殘余應(yīng)力在國外的研究現(xiàn)狀

起始于20世紀(jì)30年代的一些簡單的試驗的測量和數(shù)據(jù)的整理，開始了人們對焊接應(yīng)力應(yīng)變的分析和研究，然后50年代～60年代通過研究人員理論經(jīng)驗和數(shù)據(jù)的不斷積累逐漸形成了一些在理論方面的權(quán)威理論作品，例如梅蘭和帕爾庫斯的《由于定常溫度場而產(chǎn)生的熱應(yīng)力》和帕爾庫斯單獨寫的《非定常熱應(yīng)力》[1]，全面的總結(jié)當(dāng)時人們在焊接應(yīng)力應(yīng)變方面取得的一些進(jìn)展。

起初對焊接應(yīng)力應(yīng)變的分析從一維的問題開始，應(yīng)用圖解法分析焊接過程，其中奧凱爾布洛母等人(前蘇聯(lián)學(xué)者)在分析中加進(jìn)了溫度變化對材料屬性的影響。對于尺寸稍大的構(gòu)件，僅僅的解析方法無法滿足分析的需求，人們開始向計算機(jī)程序編寫的方面推進(jìn)，首次應(yīng)用編寫的程序模擬一維板中堆焊由 Tall等人完成[2]。

隨著一維焊接應(yīng)力應(yīng)變的發(fā)展和完善，人們把分析逐步的向二維領(lǐng)域發(fā)展，70年代初，對接焊和平板堆焊的二維應(yīng)力應(yīng)變分析程序就由Iwkai和Muraki編制完善，二維分析成為了可能。這一年代的又一個突破就是對焊接過程的另一個關(guān)鍵因素的考慮，就是焊接過程中金屬的熔敷產(chǎn)生的相變組織變化[3]。

隨著焊接應(yīng)力應(yīng)變理論基礎(chǔ)的不斷完善，80年代，人們開始注重更深層次的研究，開始研究更加準(zhǔn)確的焊接應(yīng)力應(yīng)變在分布上的趨勢，通過一些計算數(shù)據(jù)，如Josefson等人定位焊和薄壁管件等焊接應(yīng)力過程研究數(shù)據(jù)的分析，提出了一些精度更高的焊接應(yīng)力分布趨勢和一些消減焊接應(yīng)力應(yīng)變的方法和措施[4]。

焊接應(yīng)力應(yīng)變的研究與計算機(jī)的發(fā)展密切結(jié)合，向著更加精確和細(xì)致的方面拓寬，對影響焊接應(yīng)力應(yīng)變的因素考慮越來越多，90年代，焊接應(yīng)力應(yīng)變開始考慮焊接過程當(dāng)中熱源的輻射問題、焊接過程中金屬熔化產(chǎn)生的熔敷現(xiàn)象和焊接構(gòu)件與空氣之間的熱傳遞問題，Mahin等人在考慮了以上因素的條件下，還考慮了溫度場和應(yīng)力場的耦合關(guān)系，選用實驗的方法來矯正熱源的分布趨勢，計算出的焊接應(yīng)力和用衍射中子得到的實驗結(jié)果很好的得到了吻合;接下來T·Tnouce考慮了一些對焊接過程產(chǎn)生影響的溫度因素和焊接溫度場、應(yīng)力場及其焊接過程出現(xiàn)的金屬相變潛熱耦合作用，并且構(gòu)件在上述考慮條件下的焊接過程熱的本構(gòu)方程，為以后在這方面研究的各位研究人士提供了很好的可以參考的資料;焊接應(yīng)力應(yīng)變的分析由薄板向著厚板，單層焊接向著雙層焊接方向發(fā)展，Shim等人(美國)就在熱彈塑性平面應(yīng)變有限元理論下對多層焊接的厚板件實行了計算，并且比較了不同的焊縫形式(坡口)下的焊接殘余應(yīng)力，以此為依據(jù)，提取了關(guān)于厚板的焊接殘余應(yīng)力的分布趨勢[5]。科技的發(fā)展總是由簡單到復(fù)雜，二維焊接應(yīng)力應(yīng)變的完善，使得三維分析初見端倪，Chidiac(加拿大)首次在厚板的應(yīng)力應(yīng)變中建立了三維的有限元的溫度場分析模型，考慮了焊接過程中由于高溫熔化而導(dǎo)致的材料本身顯微晶體組織的變化和生長。

近年來，焊接殘余應(yīng)力的研究取得了一定的成果，I.Ranjbar-Nodeh，S.Serajzadeh，A.H.Kokabii應(yīng)用 ANSYS 的模擬技術(shù)，對焊接模型在焊接前后(點焊)的溫度場的分布情況進(jìn)行了二維的模擬。應(yīng)用X射線對小管(手工電弧焊)的對接焊進(jìn)行了測量。對激光焊接的殘余應(yīng)力應(yīng)變的測量數(shù)據(jù)，顯示了兩個影響焊接殘余應(yīng)力的重要因素，即焊接速度和焊接熱源，焊接殘余應(yīng)力隨著焊接速度的增大而減小。沿著焊件的橫向和縱向都存在著焊接殘余應(yīng)力，應(yīng)用理論(大變形)和實驗相比較的方法得到比較滿意的結(jié)果，從而得出沿薄板的厚度方向幾乎不存在焊接殘余應(yīng)力，即在焊接的過程中，沿著板件厚度方向溫度幾乎沒有變化，不產(chǎn)生溫度梯度[6]。

2 焊接殘余應(yīng)力在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，焊接殘余應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬在國內(nèi)起步，經(jīng)過樓志文、關(guān)橋、陳楚等人的不斷努力，取得了一定的理論成果，并編制了相應(yīng)的計算機(jī)程序。隨著科技的發(fā)展，到了20世紀(jì)90年代，對于殘余應(yīng)力和變形的研究取得了進(jìn)一步的發(fā)展。2003年陳麗敏、陳思作根據(jù)熱彈塑性應(yīng)力理論、有限元理論，用大型有限元軟件ANSYS對焊接工字型截面梁進(jìn)行殘余應(yīng)力分析，分析結(jié)果表明，焊接殘余壓應(yīng)力的分布與截面幾何參數(shù)有關(guān)，為用有限元分析焊接工字型截面梁殘余應(yīng)力提供了一種方法[7]。2006年，北京大學(xué)的楊娜、龍麗華等人以有限元分析軟件ANSYS為工作平臺，基于非線性板殼有限元理論，采用殼單元對輕型門式剛架中，H型鋼楔形薄壁梁進(jìn)行考慮雙重非線性的全過程分析，殘余應(yīng)力是型鋼梁屈曲分析中的重要參數(shù)，其影響著型鋼梁的屈曲性能，無論是變截面還是等截面的型鋼梁，在分析屈曲時都應(yīng)該考慮殘余應(yīng)力對其的影響，殘余應(yīng)力的提高會降低構(gòu)件的極限承載能力，但同時卻提高了構(gòu)件的延性[8]。楊文等人對焊接工字鋼和對接焊接的鋼板進(jìn)行了殘余應(yīng)力的研究，分析了焊接過程中由于溫度的變化而產(chǎn)生的溫度梯度分布情況，以及由此所引起的焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變，為了驗證在焊接過程中，鋼材由于溫度變化而引起的材料在熱影響區(qū)內(nèi)的熱物理性能的變化，進(jìn)行了有限元的計算[9]。同濟(jì)大學(xué)的吳蕓和張其林焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力試驗研究，通過對測試數(shù)據(jù)的分析整理，得出縱向焊接工字型截面構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布情況，為進(jìn)一步總結(jié)焊接鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及研究殘余應(yīng)力對構(gòu)件承載力的影響提供了基礎(chǔ)。2010年清華大學(xué)的班慧勇等在殘余應(yīng)力實驗研究中提出了適用于Q420高強(qiáng)等邊角鋼的較為準(zhǔn)確和安全的殘余應(yīng)力分布模型和計算公式[10]。

3 焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢

20世紀(jì)60年代，計算機(jī)開始應(yīng)用到數(shù)值模擬，主要研究一維

焊接應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)制。20世紀(jì)70年代，由于有限元技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在焊接應(yīng)力變形中的研究和應(yīng)用日益廣泛，但是僅僅是應(yīng)用于二維空間模型[11]。我們在實際的工程實踐中遇到的結(jié)構(gòu)，往往更加的復(fù)雜和不可確定性，而且就焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變本身也是存在于三維空間，這樣我們就不能把問題簡單的歸結(jié)為二維空間建模，這樣得出的結(jié)果會和實際情況有很大的偏差，所以，應(yīng)用三維建模進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力和應(yīng)變的模擬將是未來的數(shù)值模擬的主要課題。應(yīng)用三維空間建模進(jìn)行模擬也存在著很多的問題，其中普遍存在的有，計算過程中的單元數(shù)量過多造成計算的自由度過多，計算機(jī)的配置無法滿足計算要求造成計算時間長和進(jìn)度達(dá)不到要求等，通過近年來在焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變模擬研究方面取得的進(jìn)展和現(xiàn)有關(guān)鍵問題的分析可知，提高模擬計算的精度和效率是今后焊機(jī)模擬的關(guān)鍵問題:1)在減少自由度方面，可以應(yīng)用動態(tài)的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，即隨著熱源的移動自動的加密和放松網(wǎng)格的劃分程度，在熱影響區(qū)加密，在遠(yuǎn)離熱影響區(qū)時放松;熱源的選取也十分關(guān)鍵，一個合適的熱源可以加快焊接過程的進(jìn)行和計算的收斂速度，這樣可以在加快效率的同時也保證精度，但其技術(shù)細(xì)節(jié)及準(zhǔn)確性等迄今尚無報道。2)研究表明，材料在高溫時候的力學(xué)參數(shù)值很低，計算很不容易收斂，可以通過調(diào)高材料在高溫時候的力學(xué)參數(shù)加快焊接過程的收斂，而且在加快計算的前提下不會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時，為了更好的模擬焊接過程中出現(xiàn)的高溫熔敷現(xiàn)象和多層焊接問題，可以應(yīng)用“生死單元”的技術(shù)。3)通過應(yīng)用并行計算技術(shù)，開發(fā)高性能的并行程序和分布處理系統(tǒng)，是今后發(fā)展的趨勢。并行操作和高性能數(shù)據(jù)交換開關(guān)是分布式并行系統(tǒng)開關(guān)中重要的兩個方面。4)在減少自由度方面還可以通過減小構(gòu)件的尺寸，即采用相似的理論，使得構(gòu)件按照一定的比例縮小，達(dá)到減少計算量的目的，盡管結(jié)構(gòu)的尺寸被縮小，但位移、溫度應(yīng)力的結(jié)果并沒有受到影響，在沒有達(dá)到縮短計算時間的情況下，模型還應(yīng)該做進(jìn)一步的簡化。應(yīng)用有限元進(jìn)行三維模擬還存在著各種各樣的問題，首先要解決的就是在保證計算精度的前提下，盡量的提高計算所需要的時間，以便在實際工程中更好的推廣在三維空間下的焊接數(shù)值模擬技術(shù)。

[1] H.帕爾庫斯，和善育.非定常熱應(yīng)力[M].王同生，譯.北京:科學(xué)出版社，1965.

[2] 武傳松.焊接過程的計算機(jī)模擬[A].第十次全國焊接學(xué)術(shù)會議IT與焊接專題會議[C].2001:42-43.

[3] 楊慶祥，李艷麗，趙言輝，等.堆焊金屬殘余應(yīng)力場的計算機(jī)模擬[J].焊接學(xué)報，2001，22(3):44-46.

[4] K.S.Alfredsson，B.L.Josefson.Harmonies Response of a Spot Welded Box Beam-Influence of Welding Residual Stresses and Deformations[J].Proc.IUTAM Symposium on the Mechanical Effects of Welding.Lulea，Sweden，June，1991:1-8.

[5] J.Goldaketal.Thermal stress analysis of welds:from melting Point to temperature.Proc.Theoretical Prediction in Joining and welding，osaka，Japan，NOV，1996:225-233.

[6] Dean Deng，Hidekazu，Murakawa.Prediction of welding distortion and residual stress in a thin plate butt-welded Joint[J].Compuational Materials Scienee，2008(43):353-365.

[7] 陳麗敏，陳思作.基于ANSYS軟件的焊接工字型截面梁殘余應(yīng)力的有限元分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2003，2(18):45-52.

[8] 龍麗華，蔣 健，熊 珍.殘余應(yīng)力對等截面H型鋼梁相關(guān)屈曲的影響分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2006，24(1):49-53.

[9] 楊 文，石永久，王元清，等.結(jié)構(gòu)鋼焊接殘余應(yīng)力三維有限元分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報，2007，37(2):352-387.

[10] 班慧勇，施 剛，邢海軍，等.Q420等邊角鋼軸壓桿穩(wěn)定性能研究(1)——殘余應(yīng)力的實驗研究[J].土木工程學(xué)報，2010，43(7):14-21.

[11] 鹿安理.焊接過程仿真領(lǐng)域的若干關(guān)鍵問題及其初步研究[J].中國機(jī)械工程，2002，11(1):201-205.