中厚板高强钢焊接变形控制技术研究

中厚板高强钢焊接变形控制技术研究

张广军

徐州建机工程机械有限公司 

摘要：随着工业制造技术的不断发展，中厚板高强钢因其优异的机械性能在工程结构中得到了广泛应用。然而，焊接过程中产生的变形问题限制了其性能的充分发挥。本文通过对中厚板高强钢焊接变形机理的分析，探讨了影响变形的各种因素，并对现有的焊接变形预测方法和控制技术进行了综述，为今后焊接变形控制技术的研究和应用提供参考。

关键词：中厚板；高强钢；焊接变形；预测方法；控制技术

引言

焊接作为一种重要的连接方式，在制造业中占据着重要地位。中厚板高强钢因其高强度、高韧性等优点被广泛应用于工程结构中，但焊接过程中产生的变形问题限制了其性能的充分发挥。因此，对中厚板高强钢焊接变形控制技术的研究具有重要意义。

一、中厚板高强钢焊接变形机理分析

（一）焊接过程中热应力与残余应力的产生机制

焊接是一种高温制造技术，它基于局部加热使接缝处金属熔化，并借助凝固实现金属间的结合。在此过程中，高温输入使得该物质温度快速增加，超越其熔点，进而形成液态区域。当金属从液态过渡到固态，即熔池冷却并凝固时，其体积会相应缩小，然而，由于周围材料的约束，这种体积的减小并非无拘无束地进行，焊接接头区域便因此承受了焊接产生的热应力。在焊接作业中，热应力的大小受制于温度梯度、材料的热膨胀系数以及冷却速度等多个因素的共同作用与影响。当材料所承受的热应力超出其屈服强度极限，塑性变形随之产生，此变形在冷却过程中，部分遗留于材料内部，形成所谓的残余应力。材料在残余应力作用下，其力学性能可能发生变化，进而影响使用寿命，严重的情况下，这种应力可能导致结构的变形或破坏。
（二）影响变形的因素

材料属性、结构形式、接头样式以及焊接工艺参数等多方面因素，均会对焊接变形产生显著影响。材料的性质，如弹性模量和屈服强度等，是决定其在焊接过程中如何变形的的关键因素。一个结构的形状及其连接方式，在焊接作业中会对热能的分布和内部应力产生显著影响，进而决定着物体产生的形变程度。焊接过程中，参数如电流大小、焊接速度等，对焊接产生的变形有着显著的作用。
                      影响变形的因素如图一所示
        
   （三）不同焊接方法对变形的影响

在焊接过程中，选择适当的焊接方法对于有效控制焊接变形现象具有至关重要的作用。各种焊接技术在焊接过程中会形成各异的热影响区和产生不同的焊接应力分布模式，这些因素会对焊接件的形变产生影响。以气体作为保护介质的焊接技术，其热影响区较为局限，焊接时产生的应力较为平均分布，相较于电弧焊等传统焊接技术，该方法能更有效地管理焊接过程中的形变问题。
     二、焊接变形预测方法

（一）有限元分析法

有限元分析法，简称FEA，是基于数值方法的工程分析技术，此技术通过将连续的物理域离散化为有限数量的单元，并在这些单元上施加数学模型，用以模拟物理现象。在焊接过程中，对变形进行预测的研究领域，有限元分析方法已经实现了显著的进展。对焊接接头区域的温度分布、应力状态及应变情况进行计算机模拟，以此预测焊接过程中产生的变形程度及其分布情况。有限元分析法在焊接领域的应用显著，其优势表现在对焊接过程和结构特点的复杂性给予充分考虑，进而提供精确的焊接变形预测数据，这为焊接工艺的优化提供了科学依据。
   （二）热弹塑性理论

热弹塑性理论主要阐述在热力影响下，材料如何发生形变。本研究将关注于材料在热效应下的体积变化、应力释放后的弹性回复以及应力超过极限后的塑性形变，进而构建一个综合性的数学框架，对以上物理过程进行量化描述。在预测焊接过程中的形变时，热弹塑性理论因其高精确性而被广泛应用，它能精确地描述材料在焊接过程中的行为变化。利用热弹塑性理论，可以对焊接过程中的温度分布、应力状态以及应变发展进行预测，这为焊接变形预测提供了理论依据，有助于更好地控制焊接质量。

（三）不同预测方法的比较

在具体工程项目中，为了对焊接过程中产生的形变进行更为精确的预估，研究工作者往往需对多种预测手段的准确度和适用范围进行对比分析。各种预测技术展现出了独特的优势与局限，它们为实现准确的预测结果而设计，适应于多样化的工程技术环境和特定的数据情境。本研究首先采用实际焊接试验的方式，对焊接变形进行测量，以直接获取真实数据，然而，此方法存在一定的局限性，如较高的试验成本、较长的周期，以及难以预测在复杂情况下的焊接变形。经验公式法是一种由众多实验结果和经验知识推演而得的简化法则，其优势在于简便易行，然而其准确度则受所累积经验及其适用条件的共同制约。诸如有限元分析法、有限差分法以及有限体积法等数值模拟技术，在符合一定前提下，能够对焊接变形的预测提供精确结果，然而这依赖于大规模的计算资源和支持专业的知识技能。如神经网络、支持向量机等人工智能法则，具备自我学习和适应功能，依赖大规模数据的精确预测能力，但此过程对训练数据量和计算资源有较高要求。

三、焊接变形控制技术

（一）传统控制技术

在焊接过程中，为了控制结构的变形，技术人员通常采用两种传统的技术策略，即预先施加的变形方法（预变形法）与焊接过程中采取的相反变形方法（反变形法）。预先对材料进行拉伸或压缩，以引入与焊接变形相反的变形量，这种方法称为预变形法，其目的是为了在焊接过程中抵消由热应力和残余应力产生的影响。在众多实际工程项目中，某特定技术手段被广泛采纳，尤其是在处理对接与角接焊缝时的变形问题，其效果格外突出。合理确定预变形量，能够对焊接变形的控制和减小起到有效作用，从而提升焊接接头的品质。然而，实施预变形法将对材料实施额外处理步骤，这可能造成材料成本的提高及加工过程的复杂化。在焊接作业中，通过预设逆向形变的方法，即反变形法，用以抵消焊接所引起的形变。采用此技术手段，预先对焊接接头进行形态调整，以便在焊接过程中，材料会产生一种与焊接导致的变形相抗衡的变形，进而实现焊接变形的相互抵消。在处理形状较为复杂的焊接构造时，例如那些呈曲线或斜面状的设计，通常会采用反变形法，这种方法能有效控制焊接过程中产生的形变。采用反变形法，不仅能有效控制焊接过程中产生的变形，而且能够提升焊接接头的力学性能，包括其强度与刚度。 
                 传统焊接变形控制技术比较如图二所示
         

（二）先进控制技术

热机械控制法和振动控制法是近年来发展起来的先进控制技术。热机械控制法是通过控制焊接过程中的温度和冷却速度，以及采用合适的焊接顺序和路径，来减少焊接变形。振动控制法是通过施加振动来控制焊接变形的传播和扩展。这些先进控制技术具有较高的控制效果，但通常需要专门的设备和技术，应用范围有限。

（三）各种控制技术的优缺点及适用范围

各种焊接变形控制技术都有其独特的优点和局限性。传统控制技术如预变形法和反变形法应用广泛，但需要额外的设计和加工，增加成本和复杂性。先进控制技术如热机械控制法和振动控制法具有较高的控制效果，但通常需要专门的设备和技术，应用范围有限。因此，在选择焊接变形控制技术时，需要综合考虑控制效果、成本、复杂性和应用范围等因素，以确定最适合工程实际的技术方案。

结论

焊接变形是中厚板高强钢焊接过程中常见的问题，通过对焊接变形机理的分析，可以更好地理解焊接变形产生的原因。同时，采用合理的焊接变形预测方法和控制技术，可以有效地控制焊接变形，提高中厚板高强钢焊接质量。今后研究应注重焊接变形控制技术的优化和发展，以满足工程结构对中厚板高强钢性能的要求。

参考文献

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