焊接残余应力的研究进展

毕长刚

(沈阳有色冶金设计研究院，辽宁沈阳 110003)

0 引言

焊接残余应力是焊接工程研究领域的重点问题。涉及焊接的各种工程应用中，都十分关注残余应力的影响。例如，在土木工程领域，对于钢结构焊接连接，残余应力对结构的疲劳性能、稳定承载力等均有影响。因此，对焊接残余应力的研究越来越引起人们的注意。

1 焊接残余应力在国外的研究现状

起始于20世纪30年代的一些简单的试验的测量和数据的整理，开始了人们对焊接应力应变的分析和研究，然后50年代～60年代通过研究人员理论经验和数据的不断积累逐渐形成了一些在理论方面的权威理论作品，例如梅兰和帕尔库斯的《由于定常温度场而产生的热应力》和帕尔库斯单独写的《非定常热应力》[1]，全面的总结当时人们在焊接应力应变方面取得的一些进展。

起初对焊接应力应变的分析从一维的问题开始，应用图解法分析焊接过程，其中奥凯尔布洛母等人(前苏联学者)在分析中加进了温度变化对材料属性的影响。对于尺寸稍大的构件，仅仅的解析方法无法满足分析的需求，人们开始向计算机程序编写的方面推进，首次应用编写的程序模拟一维板中堆焊由 Tall等人完成[2]。

随着一维焊接应力应变的发展和完善，人们把分析逐步的向二维领域发展，70年代初，对接焊和平板堆焊的二维应力应变分析程序就由Iwkai和Muraki编制完善，二维分析成为了可能。这一年代的又一个突破就是对焊接过程的另一个关键因素的考虑，就是焊接过程中金属的熔敷产生的相变组织变化[3]。

随着焊接应力应变理论基础的不断完善，80年代，人们开始注重更深层次的研究，开始研究更加准确的焊接应力应变在分布上的趋势，通过一些计算数据，如Josefson等人定位焊和薄壁管件等焊接应力过程研究数据的分析，提出了一些精度更高的焊接应力分布趋势和一些消减焊接应力应变的方法和措施[4]。

焊接应力应变的研究与计算机的发展密切结合，向着更加精确和细致的方面拓宽，对影响焊接应力应变的因素考虑越来越多，90年代，焊接应力应变开始考虑焊接过程当中热源的辐射问题、焊接过程中金属熔化产生的熔敷现象和焊接构件与空气之间的热传递问题，Mahin等人在考虑了以上因素的条件下，还考虑了温度场和应力场的耦合关系，选用实验的方法来矫正热源的分布趋势，计算出的焊接应力和用衍射中子得到的实验结果很好的得到了吻合;接下来T·Tnouce考虑了一些对焊接过程产生影响的温度因素和焊接温度场、应力场及其焊接过程出现的金属相变潜热耦合作用，并且构件在上述考虑条件下的焊接过程热的本构方程，为以后在这方面研究的各位研究人士提供了很好的可以参考的资料;焊接应力应变的分析由薄板向着厚板，单层焊接向着双层焊接方向发展，Shim等人(美国)就在热弹塑性平面应变有限元理论下对多层焊接的厚板件实行了计算，并且比较了不同的焊缝形式(坡口)下的焊接残余应力，以此为依据，提取了关于厚板的焊接残余应力的分布趋势[5]。科技的发展总是由简单到复杂，二维焊接应力应变的完善，使得三维分析初见端倪，Chidiac(加拿大)首次在厚板的应力应变中建立了三维的有限元的温度场分析模型，考虑了焊接过程中由于高温熔化而导致的材料本身显微晶体组织的变化和生长。

近年来，焊接残余应力的研究取得了一定的成果，I.Ranjbar-Nodeh，S.Serajzadeh，A.H.Kokabii应用 ANSYS 的模拟技术，对焊接模型在焊接前后(点焊)的温度场的分布情况进行了二维的模拟。应用X射线对小管(手工电弧焊)的对接焊进行了测量。对激光焊接的残余应力应变的测量数据，显示了两个影响焊接残余应力的重要因素，即焊接速度和焊接热源，焊接残余应力随着焊接速度的增大而减小。沿着焊件的横向和纵向都存在着焊接残余应力，应用理论(大变形)和实验相比较的方法得到比较满意的结果，从而得出沿薄板的厚度方向几乎不存在焊接残余应力，即在焊接的过程中，沿着板件厚度方向温度几乎没有变化，不产生温度梯度[6]。

2 焊接残余应力在国内的研究现状

20世纪70年代，焊接残余应力和变形的数值模拟在国内起步，经过楼志文、关桥、陈楚等人的不断努力，取得了一定的理论成果，并编制了相应的计算机程序。随着科技的发展，到了20世纪90年代，对于残余应力和变形的研究取得了进一步的发展。2003年陈丽敏、陈思作根据热弹塑性应力理论、有限元理论，用大型有限元软件ANSYS对焊接工字型截面梁进行残余应力分析，分析结果表明，焊接残余压应力的分布与截面几何参数有关，为用有限元分析焊接工字型截面梁残余应力提供了一种方法[7]。2006年，北京大学的杨娜、龙丽华等人以有限元分析软件ANSYS为工作平台，基于非线性板壳有限元理论，采用壳单元对轻型门式刚架中，H型钢楔形薄壁梁进行考虑双重非线性的全过程分析，残余应力是型钢梁屈曲分析中的重要参数，其影响着型钢梁的屈曲性能，无论是变截面还是等截面的型钢梁，在分析屈曲时都应该考虑残余应力对其的影响，残余应力的提高会降低构件的极限承载能力，但同时却提高了构件的延性[8]。杨文等人对焊接工字钢和对接焊接的钢板进行了残余应力的研究，分析了焊接过程中由于温度的变化而产生的温度梯度分布情况，以及由此所引起的焊接残余应力应变，为了验证在焊接过程中，钢材由于温度变化而引起的材料在热影响区内的热物理性能的变化，进行了有限元的计算[9]。同济大学的吴芸和张其林焊接铝合金构件残余应力试验研究，通过对测试数据的分析整理，得出纵向焊接工字型截面构件残余应力的分布情况，为进一步总结焊接铝合金构件残余应力的分布规律及研究残余应力对构件承载力的影响提供了基础。2010年清华大学的班慧勇等在残余应力实验研究中提出了适用于Q420高强等边角钢的较为准确和安全的残余应力分布模型和计算公式[10]。

3 焊接残余应力数值模拟的发展趋势

20世纪60年代，计算机开始应用到数值模拟，主要研究一维

焊接应力的产生机制。20世纪70年代，由于有限元技术的发展，数值模拟方法在焊接应力变形中的研究和应用日益广泛，但是仅仅是应用于二维空间模型[11]。我们在实际的工程实践中遇到的结构，往往更加的复杂和不可确定性，而且就焊接残余应力应变本身也是存在于三维空间，这样我们就不能把问题简单的归结为二维空间建模，这样得出的结果会和实际情况有很大的偏差，所以，应用三维建模进行焊接残余应力和应变的模拟将是未来的数值模拟的主要课题。应用三维空间建模进行模拟也存在着很多的问题，其中普遍存在的有，计算过程中的单元数量过多造成计算的自由度过多，计算机的配置无法满足计算要求造成计算时间长和进度达不到要求等，通过近年来在焊接残余应力应变模拟研究方面取得的进展和现有关键问题的分析可知，提高模拟计算的精度和效率是今后焊机模拟的关键问题:1)在减少自由度方面，可以应用动态的自适应网格划分技术，即随着热源的移动自动的加密和放松网格的划分程度，在热影响区加密，在远离热影响区时放松;热源的选取也十分关键，一个合适的热源可以加快焊接过程的进行和计算的收敛速度，这样可以在加快效率的同时也保证精度，但其技术细节及准确性等迄今尚无报道。2)研究表明，材料在高温时候的力学参数值很低，计算很不容易收敛，可以通过调高材料在高温时候的力学参数加快焊接过程的收敛，而且在加快计算的前提下不会影响计算结果的准确性，同时，为了更好的模拟焊接过程中出现的高温熔敷现象和多层焊接问题，可以应用“生死单元”的技术。3)通过应用并行计算技术，开发高性能的并行程序和分布处理系统，是今后发展的趋势。并行操作和高性能数据交换开关是分布式并行系统开关中重要的两个方面。4)在减少自由度方面还可以通过减小构件的尺寸，即采用相似的理论，使得构件按照一定的比例缩小，达到减少计算量的目的，尽管结构的尺寸被缩小，但位移、温度应力的结果并没有受到影响，在没有达到缩短计算时间的情况下，模型还应该做进一步的简化。应用有限元进行三维模拟还存在着各种各样的问题，首先要解决的就是在保证计算精度的前提下，尽量的提高计算所需要的时间，以便在实际工程中更好的推广在三维空间下的焊接数值模拟技术。

[1] H.帕尔库斯，和善育.非定常热应力[M].王同生，译.北京:科学出版社，1965.

[2] 武传松.焊接过程的计算机模拟[A].第十次全国焊接学术会议IT与焊接专题会议[C].2001:42-43.

[3] 杨庆祥，李艳丽，赵言辉，等.堆焊金属残余应力场的计算机模拟[J].焊接学报，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] 陈丽敏，陈思作.基于ANSYS软件的焊接工字型截面梁残余应力的有限元分析[J].钢结构，2003，2(18):45-52.

[8] 龙丽华，蒋 健，熊 珍.残余应力对等截面H型钢梁相关屈曲的影响分析[J].钢结构，2006，24(1):49-53.

[9] 杨 文，石永久，王元清，等.结构钢焊接残余应力三维有限元分析[J].吉林大学学报，2007，37(2):352-387.

[10] 班慧勇，施 刚，邢海军，等.Q420等边角钢轴压杆稳定性能研究(1)——残余应力的实验研究[J].土木工程学报，2010，43(7):14-21.

[11] 鹿安理.焊接过程仿真领域的若干关键问题及其初步研究[J].中国机械工程，2002，11(1):201-205.