简述焊接变形和焊接应力

简述焊接变形和焊接应力

刘政威冷康龙

中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266000

摘要：在国民经济发展的过程中，制造行业获得了飞速的发展与进步。自动焊接工艺改进对于制造业的影响十分突出。焊接工艺、焊接性能决定着可靠性与安全性。所以必须重视对焊接工艺的研究，其对制造行业的发展有着现实性意义。鉴于此，本文对焊接变形和焊接应力进行分析，以供参考。

关键词：焊接变形；焊接应力；简述

引言

自动焊能够让生产过程变得合理化，对制造生产来说，焊接的意义十分突出。低成本焊接需要重视焊接质量的控制，改善工人施工环境，这些是今后焊接工艺必须要重视的问题。

1自动焊接

焊接工艺有着非常多的种类，根据过程特征可以将焊接工艺分为纤焊、手工电弧焊、压力焊、气保焊。纤焊指的是将纤料与焊件加热至熔点，此时其温度会低于母材温度。随后用液态纤料湿润母材，填充接头间隙和母材相互扩散完成焊件连接。手工电弧焊指的是以手工方式焊接焊条，即常见的电焊。压力焊种类很多，常见的包括超声波焊、旋转电弧焊、扩散焊、摩擦焊、电阻焊，电阻焊是其中最常用的方法。气体保护焊有时候也被称为气保焊，其利用喷嘴喷出气体隔绝周围空气，能够很好的完成焊接区域与电弧的保护，其所用气体包括清漆、氮气以及混合气体。

2焊接方法的分类

金属在焊接环节状态不一，可分为熔焊、钎焊、压焊。制造自动化焊接采用的就是熔焊中的氩弧焊技术。这是一种以氩气作为保护的弧焊技术。自动焊接车主要是埋弧自动焊。这个过程的特点是：生产效率高；焊缝的质量好；生产成本低；作业劳动条件好；适应变量性差；焊接整体设备复杂，需要采用辅助装置；焊前准备工作严格；不便于焊接过程的观察，所以要有焊缝自动跟踪装置；产品对装配精密度质量要求严格；完成每层焊道焊接工序后必须清理焊渣

3新工艺研究

3.1方便性

在钢结构焊接中焊接变形是非常常见的情况，难以避免。焊接变形包括波浪变形、角变形、弯曲变形、横向收缩变形、纵向收缩变形等类型。焊接变形可用反变形技术加以控制和矫正。这里所提出的角变形控制方式为用弹性反向变形技术提前处理变形情况。热弹塑性有限元法模拟焊接过程，能够模拟不同热源、不同板厚结构，获知弹性变形规律。在焊接前用这种技术能够让最后的焊接变形情况近乎为零。加工中H型梁的焊接会出现翼缘板角变形情况，下料中展开焊接方便性能够有效缩短施工周期，完成制作工艺的优化，获得非常好的施工效果。

3.2振动时效残余应力的去除

所谓的振动时效指的就是用外力震动方式，让工件内部出现周期交变作用力，此时的工件残余应力与作用力相互叠加，这种力能够超出工件屈服极限，使得工件出现力学变化，引发残余应力均化与降低。最后工件内部各作用力将会趋于稳定与平衡，很好的控制了工件变形情况。今后焊接技术将会朝向智能化、自动化、数字化方向发展。国内焊接技术实际上已经有很多产品已经达到国际先进水平。机器人焊接已经成为了常态化现象。智能化、柔性化、系统集成、可控性与可靠性将会成为今后的主流研究趋势。

4应力与变形的计算结果

为了清楚直观地显示出焊后残余应力场的分布情况，以预热温度和层间温度为150℃条件为例，分析纵向残余应力σz、横向残余应力σx、板厚方向残余应力σy、VonMises等效残余应力σvon在焊件横截面上的分布规律，如图1所示。

由图1可以看出，纵向残余应力σz水平较高，峰值可以达到817MPa，焊缝中心和焊接热影响区出现了应力集中，打底焊道和最后一层填充焊道位置出现了严重的应力集中。横向残余应力σx的水平也比较高，且在不同深度处显示出不同的应力性质，在打底焊和最后一层填充焊道处出现了较高水平的厚度方向上分布的差异：第一层的深度为上表面以下6mm（L1），处在盖面焊的根部；第二层的深度为距离下表面6mm（L2），位于打底焊道的表面。纵向残余应力σz、横向残余应力σx和VonMises等效残余应力σvon在L1、L2层深度处沿着板宽方向上的分布规律如图所示。由图2（a）可以看出，L1、L2层纵向残余应力σz在焊缝中均表现出拉应力性质，L1层在±35mm以外范围出现压应力，而L2层在±30mm以外出现压应力，且总体上L1层纵向残余应力σz水平高于L2层。由图2（b）可以看出，L1、L2层横向残余应力σx在焊缝和热影响区水平比较高，然后向两侧母材逐渐递减；但是L1层所处位置为盖面焊道的底部，应力分布较L2层复杂，在-10～-20mm左右范围出现了部分压应力，且拉应力峰值水平较高，可以达到545MPa。由图2（c）可以看出，L1层等效残余应力σvon峰值仍然出现在焊缝中，而L2层等效残余应力峰值σvon出现在热影响区部位，且应力峰值水平高于L1层，最高可以达到618MPa。

5焊接材料和焊接方法

自动化应用中目前为止主要使用两种方法，分别是气体保护金属电弧焊（氩弧焊）和埋弧焊，气体保护使用从焊枪送出的线电极，用围绕电弧的保护气体。对于埋弧焊，在连续进给的电极和被焊接工件之间形成电弧，一层粉末焊剂，提供保护罩和炉渣，保护焊接区。不需要保护气体。虽然每个都有优点，但埋弧焊具有更好的沉积，连续焊接而没有断裂，埋弧焊比气体保护金属电弧焊消耗更多功率，需要更多焊接设备。

6自动化焊接技术的发展及趋势

目前我国的焊接自动化普及率还不到35%，但是制造发达的国家自动化普及率已达80%，由此可见我国与发达国家的还有很大的差距。我国国情导致我国在这方面的技术相对落后直至从20世纪50年代才开始以研制自动化设备。20世纪90年代，随着科学技术成果的转化和我国自动化的时代的到来，各种自动化和半自动化的焊接机，逐步代替了传统的手工焊接。到了近几年制造4.0的时代到来，智能科技的飞速发展，解决了自动焊接中的一些问题，改变了一直以来依靠国外进口设备的情况，目前像压力容器、无缝钢管等都采用了自动焊接技术，制造行业上都发展了自动化程度不同的生产线。发展趋势①焊接电源的稳定性；②研发焊接新材料；③发展新的焊接技术；④远程操作；⑤智能控制；⑥柔性制造系统；⑦自动化控制系统的集成化。

结束语

采用试验的方法优化焊接工艺参数，其研发周期长，见效慢。国内外学者通常采用数值模拟的方法对焊接变形进行分析。计算大型结构的焊接变形时，最常用的是Ueda等提出的固有应变法。Xiu等用固有应变法对真空容器的焊接变形进行了预测，刘赞等采用相同的方法研究了转向架构架焊接变形，其模拟结果与试验结果具有较好的一致性。

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