厚板焊接残余应力分布受焊接顺序的影响探析

翟磊

摘 要： 焊接是不均匀加热和冷却的过程，其热过程具有局部性和瞬时性的特点。焊接时接头区会发生不同程度的热弹塑性变化，焊后将产生不均匀的残余应力。在实际焊接过程中，由于温度处于骤热骤冷状态，焊接接头产生残余应力是较为常见的形态，当残余应力超出所焊接材料屈服极限后，会使焊接结构的有效截面积减少，诱发脆性断裂和降低焊接结构的屈服强度。因此，需要技术人员给予焊接残余应力必要的关注，并对其影响因素进行深度剖析。本文对焊接顺序影响厚板焊接残余应力分布的原因进行了简要分析，并集中阐释了研究焊接顺序影响厚板焊接残余应力的过程，旨在为相关技术研究人员提供有价值的参考建议。

关键词：焊接顺序 厚板焊接 残余应力 分布

中图分类号：TG4 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）02-0299-01

一、焊接顺序影响厚板焊接残余应力分布的原因

焊接顺序会影响焊接结构的温度场以及焊接变形结构，在焊接工艺开展过程中，相关技术人员要结合实际情况，结合相关耦合参数，积极应用相应的管理机制。对于焊接材料来说，焊接残余应力会导致焊接过程中出现冷裂纹，也会导致元件出现疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹。之所以焊接顺序会对应力产生影响，追究其原因，主要是由于在实际焊接过程中，会存在冷热不均的问题。在焊接过程中相应的元件在受热方面存在不足，就导致整体结构的应力分布出现安全隐患。

正是基于此，需要相关技术人员结合实际需求，建构更加有效的系统化运行模式。而研究残余应力的主要路径为试验模拟，对被测对象产生一定程度的破坏，且成本较高，多数研究都选取后者[1]。

二、研究焊接顺序影响厚板焊接残余应力的过程

在实际处理过程中，多数技术人员对于退火温度和反应的关注度都较高，且整体温度管控水平也非常明显，待结构冷却到一定温度后，则需要对其进行再次加工硬化，并在有限元模型建构过程中，提高数据和具体参数的完整度。例如，在建立模拟奥氏体不锈钢厚板多道焊接接头模型的过程中，要保证焊接试件的整体制造结构符合要求。在焊接完成后，要利用切条的方式对残余应力进行集中分析。并且利用机械研磨的机制对焊接位置进行有效地磨平，以保证1号焊道和4号焊道以及3号焊道和6号焊道能有效的贴合在电阻结构上。利用公式对其横向残余应力和纵向残余应力进行系统化分析。其中，纵向残余应力，具体公式为；横向残余应力，具体公式为。

在模型建立过程中，主要利用的是厚板结构，也就是说，在热量输入参数不大的情况下，焊接产生的残余应力对于模型不会产生过于敏感的效应。主要是借助体积热源对焊接热输入值进行分析，在对焊接缝局部形状进行研究的基础上，要对热源截面形状进行有效的划分，确保密度体积热源长度和初始单元长度相同，具体计量数据控制在0.53厘米，利用热流密度公式对热源进行计算，并借助非线性传热结构对工件内部传导过程进行系统化分析，从而确保工件和外部环境之间能形成有效的对流和辐射[2]。

另外，目前利用遗传算法对焊接顺序进行优化，从而合理化分布焊接应力的方式也较为常见，通过建立有限元初始模型，利用相关软进行多作业选择机制，能在践行热机耦合的基础上对相关有限元进行集中分析，并且生成有效的数据文件，指导焊接技术人员利用最佳焊接顺序进行焊接操作，一定程度上提高整体运行的有效性。不同焊接顺序和字符串一一对应，通过焊接顺序的数目判断相应的适应度参数结构，从而借助遗传算子的计算模式提高整体运行维度和实效性。

在进行焊接残余应力计算的过程中，要对弹性应力和应变关系进行系统化分析，并且保证其关系遵循胡克定律，热应变数据结构主要是依据膨胀系数，并对塑性变形进行集中计算。例如，在实际机构建立和计算模型构建过程中，由于奥氏体不銹钢在加工过程中硬化程度较为明显，需要设计人员在有限元模型中对其不同硬化结构进行效果分析，也要充分考量退火效应，并设定退火温度为800摄氏度。为了有效避免应力计算结构中出现问题，避免过高预测焊缝的金属残余应力，需要对材料以及焊接材料的力学性能进行集中审定，保证残余应力符合标准参数系统要求[3]。

二、焊接顺序对残余应力分布的影响

焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中焊件不均匀受热所产生的。以熔焊法为例，影响残余应力的主要因素体现为，第一，材料热学性能和力学性能的影响。常见金属材料的热学性能在给定的温度T区间的平均值。其中热膨胀系数α和导热系数λ是决定焊接热应力-应变的重要参数。热膨胀系数α、导热系数λ，比热容c，密度Q，热烩S等都是影响焊接温度分布的主要物理参数。第二，不同类型焊接热源的影响。产生焊接应力的决定性因素是焊接时的热输入。焊接热源的种类、热源的变化速度、热能密度的分布、焊件的形状与尺寸等都影响着热源引起的温度场分布，因而影响着焊接残余应力的分布规律。

在建构计算模型的过程中，除了要对模型内部相关参数的精度进行分析，也要对焊接顺序进行集中管控，并利用算式分析焊接顺序不同产生的残余应力分布差异。若是没有添加外部结构，则实际模拟能有效防治模型在实际计算过程中出现刚体位移情况。主要是对纵向残余应力和横向残余应力等数据进行系统化分析，并且确保能对试验值进行系统化比较和处理。

在研究焊接顺序对中厚板对接焊残余应力影响的过程中，要结合试验项目和数据理论算法，提高对工序的认知程度，也要借助相关模型的模拟对焊接顺序进行系统化分析和综合处理，进一步对不同焊接顺序下横向残余应力和纵向残余应力支架的关系进行分析，从而确保焊接项目的优化运行。在计算机技术和焊接计算能力不断发展的进程中，要在提升建模能力的同时，强化分析机制的有效性，也为焊接项目的可持续发展奠定坚实基础。在研究过程中，建立的有限元数据分析和模型在计算多焊道焊接结构的过程中，具有一定的优势，能提升整体检测和计算精度。若是在焊道结构中，两条焊道的首尾部位能实现对接，且焊接位置在焊道中央，则能对横向残余应力和纵向残余应力进行较为直观的区分，其不会出现明显的连续。而在距离试件中央部位一定距离的位置，纵向残余应力和横向残余应力均会出现在谷底位置，且后焊焊道的纵向残余应力要较之母材料屈服极限高出许多。究其原因，一方面是由于在处理过程中，有效的结合在加工硬化结构。另一方面，主要是由于焊件本身的结构，内拘束力相对较大[4]。

在实际焊接过程中，模型表面的形状很重要，焊接残余应力受到焊接顺序的影响较大，特别是在横向残余应力的研究方面，后焊的焊道横向残余应力的具体参数比较高。而在出现贯穿焊缝时，除了设备两端由于几何端反应导致的应力偏低以外，别的区域结构和残余应力分布流线较为平缓，甚至可以视其为定值。也就是说，中央焊缝结构周围变化幅度若是有偏大迹象，相较于纵向残余应力，横向残余应力尤为突出，而在距离中央焊缝一定距离的地方，差异最明显[5]。

结束语

综上所述，在焊接过程中，要综合多方面因素，提高焊接水平和焊接质量。第一，在对厚板多道焊缝的横向残余应力和纵向残余应力进行分析的过程中，基本计算模型和试验模型较为相似，从侧面证明了计算系统以及具体模型建立的有效性。第二，在首尾相接的焊缝结构中，不连续现象非常明显，而对于焊道，先焊焊道的实际残余应力数据较后焊焊道的残余应力数据更高。第三，焊接顺序不仅仅会导致残余应力沿着焊缝进行不均匀布置，也会在后焊过程中出现残余应力峰值[6]。若是利用连续焊接，纵向残余应力和横向残余应力的数据结构分布较为平缓。

参考文献

[1]戴晴华，季鹏，殷晨波等.焊接顺序对中厚板对接焊残余应力的影响[J].机械设计与制造，2014，15（07）：64-66.

[2]黄炼，黎清宁，屈婧婧等.中厚板T形接头焊接顺序的模拟研究[C].IFWT2014焊接国际论坛——高强钢先进焊接技术国际论坛论文集.2014：105-109.

[3]邓德安，清岛祥一.焊接顺序对厚板焊接残余应力分布的影响[J].焊接学报，2013，32（12）：55-58.

[4]黄炼，黎清宁，屈婧婧等.中厚板T形接头焊接顺序的模拟研究[J].电焊机，2014，44（05）：105-109.

[5]傅定发，周长青，李灿等.焊接顺序对薄壁八边形管-板焊接接头残余应力的影响[J].中国有色金属学报（英文版），2014，14（03）：657-664.

[6]姬书得，方洪渊，刘雪松等.焊接顺序对混流式水轮机转轮焊接应力的影响[J].机械工程学报，2015，41（08）：224-227.