焊接應(yīng)力計(jì)算與變形控制技術(shù)講義引言在現(xiàn)代工業(yè)制造中，焊接作為一種關(guān)鍵的連接技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、船舶、橋梁、壓力容器、航空航天等諸多領(lǐng)域。然而，焊接過程本質(zhì)上是一個伴隨有局部高溫加熱和快速冷卻的復(fù)雜物理冶金過程。這種不均勻的熱循環(huán)必然導(dǎo)致焊件內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，并伴隨有各種形式的變形。焊接應(yīng)力與變形不僅可能降低結(jié)構(gòu)的承載能力、影響構(gòu)件的尺寸精度和使用性能，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生，直接威脅結(jié)構(gòu)的安全可靠性。因此，深入理解焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機(jī)理，掌握其計(jì)算分析方法，并采取有效的控制措施，對于保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低制造成本具有至關(guān)重要的理論意義和實(shí)用價值。本講義將圍繞焊接應(yīng)力的計(jì)算方法與變形控制技術(shù)展開詳細(xì)闡述，旨在為相關(guān)工程技術(shù)人員提供一套系統(tǒng)且實(shí)用的理論與應(yīng)用指導(dǎo)。一、焊接應(yīng)力與變形的成因及影響1.1焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機(jī)理焊接過程中，電弧或其他熱源將焊件局部加熱至熔化狀態(tài)，形成熔池。熔池周圍的母材則處于不同程度的熱影響區(qū)。當(dāng)焊接熱源移開后，焊縫及熱影響區(qū)金屬開始冷卻收縮。由于這種加熱和冷卻的極不均勻性，使得焊件各區(qū)域的膨脹和收縮受到周圍材料的約束，無法自由進(jìn)行，從而在焊件內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力，即焊接應(yīng)力。當(dāng)這種應(yīng)力超過材料的屈服極限時，便會產(chǎn)生塑性變形；若應(yīng)力未超過屈服極限，則表現(xiàn)為彈性變形，最終以殘余應(yīng)力的形式存在于焊件中。具體而言，焊接應(yīng)力的產(chǎn)生主要源于以下幾個方面：1.熱應(yīng)力：焊件各部分因溫度差異導(dǎo)致的膨脹或收縮不一致，受到相互約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。2.相變應(yīng)力：焊接過程中，金屬在固態(tài)下發(fā)生相變時，由于比體積的變化受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。3.拘束應(yīng)力：由于焊件的剛性固定或構(gòu)件本身的剛性，使得焊接變形不能自由發(fā)生而產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接變形則是焊接應(yīng)力作用的結(jié)果，是焊件內(nèi)部應(yīng)力與外部拘束條件共同作用下，焊件形狀和尺寸發(fā)生的改變。1.2焊接應(yīng)力與變形的主要類型焊接應(yīng)力按其作用方向和產(chǎn)生時期可分為：*按應(yīng)力方向：縱向應(yīng)力（沿焊縫長度方向）、橫向應(yīng)力（垂直于焊縫長度方向）、厚度方向應(yīng)力（沿焊件厚度方向）。*按產(chǎn)生時期：瞬時應(yīng)力（焊接過程中某一瞬時存在的應(yīng)力）、殘余應(yīng)力（焊接完成后，在焊件內(nèi)部殘留的內(nèi)應(yīng)力）。殘余應(yīng)力是我們最為關(guān)注的，因其對結(jié)構(gòu)性能有長期影響。焊接變形的基本形式主要有：*收縮變形：包括沿焊縫長度方向的縱向收縮和垂直于焊縫長度方向的橫向收縮。*角變形：由于焊縫截面上下不對稱，冷卻收縮不一致，導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生一定角度的彎曲變形。*彎曲變形：構(gòu)件焊后發(fā)生的整體彎曲。*扭曲變形：焊件產(chǎn)生的螺旋狀變形，多由焊接順序不合理或構(gòu)件剛性不對稱引起。*波浪變形：薄板焊接時，由于壓應(yīng)力作用而產(chǎn)生的失穩(wěn)變形。1.3焊接應(yīng)力與變形的危害焊接應(yīng)力與變形對焊接結(jié)構(gòu)的危害是多方面的：*降低結(jié)構(gòu)承載能力：殘余應(yīng)力與外載荷疊加，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在低于設(shè)計(jì)載荷下發(fā)生破壞。*影響構(gòu)件尺寸精度和外觀質(zhì)量：變形會使焊件尺寸超出設(shè)計(jì)要求，增加矯正工作量，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。*產(chǎn)生焊接裂紋：焊接過程中產(chǎn)生的瞬時應(yīng)力或焊接殘余應(yīng)力，若與其他致裂因素（如氫、淬硬組織）疊加，極易導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生。*加速結(jié)構(gòu)疲勞破壞：殘余應(yīng)力，尤其是拉伸殘余應(yīng)力，會顯著降低結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，縮短使用壽命。*影響后續(xù)加工：變形超差會給機(jī)械加工帶來困難，影響加工精度。二、焊接應(yīng)力計(jì)算焊接應(yīng)力的計(jì)算是一個復(fù)雜的力學(xué)問題，涉及到熱傳導(dǎo)、材料熱物理性能、彈塑性力學(xué)等多個學(xué)科。目前，主要的計(jì)算方法可分為理論解析法、簡化工程計(jì)算法和數(shù)值模擬法。2.1理論解析法理論解析法是通過建立數(shù)學(xué)模型，求解熱傳導(dǎo)方程和熱彈塑性力學(xué)方程來獲得應(yīng)力分布。早期的研究多基于簡單的模型，如“固有應(yīng)變法”、“假想溫度法”等，對焊接過程中的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行簡化分析。例如，對于無限大平板上堆焊一條無限長焊縫的簡化模型，可基于熱彈塑性理論推導(dǎo)出縱向殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。此類方法能夠揭示焊接應(yīng)力產(chǎn)生的基本機(jī)理和分布特征，但由于實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)和過程的復(fù)雜性，解析法往往只能用于簡單幾何形狀和邊界條件的情況，其應(yīng)用范圍受到較大限制。2.2簡化工程計(jì)算法在工程實(shí)踐中，為了快速估算焊接殘余應(yīng)力的大小和分布，常采用一些基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式的簡化計(jì)算方法。這些方法通常針對特定的焊接接頭形式（如對接接頭、角接接頭）和焊接工藝，給出殘余應(yīng)力的大致范圍或峰值估算。例如，對于低碳鋼和低合金鋼的對接接頭，在特定焊接規(guī)范下，其縱向殘余應(yīng)力的峰值可近似取材料的屈服強(qiáng)度。橫向殘余應(yīng)力則相對復(fù)雜，其峰值一般低于縱向殘余應(yīng)力。這類方法簡便易行，但精度相對較低，多用于初步設(shè)計(jì)或?qū)附討?yīng)力影響進(jìn)行定性評估。2.3數(shù)值模擬法（有限元法）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬法，特別是有限元法（FEM），已成為焊接應(yīng)力與變形分析的主要手段。它能夠較為精確地模擬焊接過程中的溫度場、應(yīng)力場和變形場，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜焊接工藝條件。有限元分析的基本思路：1.建立幾何模型：根據(jù)焊件和焊縫的實(shí)際形狀構(gòu)建三維或二維幾何模型。2.網(wǎng)格劃分：將幾何模型離散為有限個單元，焊縫及熱影響區(qū)通常需要細(xì)化網(wǎng)格。3.定義材料屬性：輸入隨溫度變化的材料物理性能（導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度）和力學(xué)性能（彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)等）。4.施加邊界條件與熱源載荷：定義焊件的約束條件，選用合適的焊接熱源模型（如雙橢球熱源、高斯熱源等）并施加于模型。5.熱-力耦合分析：首先進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，計(jì)算焊接過程中的瞬態(tài)溫度場；然后將溫度場結(jié)果作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)模型上，進(jìn)行熱彈塑性力學(xué)分析，求解應(yīng)力場和變形場。6.結(jié)果后處理：提取并分析焊接過程中的溫度變化、應(yīng)力分布、變形大小及殘余應(yīng)力等結(jié)果。目前，已有多種成熟的通用有限元軟件（如ANSYS,ABAQUS,MSC.Marc等）具備焊接熱-力耦合分析模塊，或可通過用戶子程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜焊接過程的模擬。數(shù)值模擬法的精度取決于材料模型的準(zhǔn)確性、網(wǎng)格劃分的合理性、熱源模型的適用性以及計(jì)算參數(shù)的設(shè)置等多種因素，需要工程技術(shù)人員具備一定的專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)。三、焊接變形控制技術(shù)焊接變形的控制應(yīng)貫徹“預(yù)防為主，矯正為輔”的原則，從焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接工藝制定、焊接過程控制到焊后矯正等多個環(huán)節(jié)入手，采取綜合措施。3.1焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是控制焊接變形的基礎(chǔ)。*合理選擇焊縫形式和尺寸：在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，盡量選用焊縫尺寸較小的接頭形式，如角接接頭可考慮用斷續(xù)焊代替連續(xù)焊（在強(qiáng)度允許時），避免不必要的全熔透焊縫。*減少焊縫數(shù)量和長度：簡化結(jié)構(gòu)，避免不必要的焊縫。例如，采用沖壓件代替焊接件，或采用整體鍛造件。*合理布置焊縫位置：盡量使焊縫對稱分布于構(gòu)件截面中性軸附近，或使焊縫位置靠近構(gòu)件的剛性中心，以減少彎曲變形。避免焊縫過于集中或密集。*采用剛性較小的結(jié)構(gòu)形式：在滿足使用要求的前提下，適當(dāng)降低結(jié)構(gòu)的剛性，可減少焊接應(yīng)力和變形。但需注意結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。3.2焊接工藝措施選擇合適的焊接工藝和參數(shù)，是控制焊接變形的關(guān)鍵。*選擇合適的焊接方法：不同焊接方法的熱輸入差異較大。應(yīng)優(yōu)先選用能量集中、熱輸入小的焊接方法，如氣體保護(hù)焊（MIG/MAG,TIG）、等離子弧焊等，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊條電弧焊，以減小熱影響區(qū)和焊接變形。*優(yōu)化焊接規(guī)范參數(shù)：在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量采用小的焊接電流、較快的焊接速度，以減小線能量輸入。線能量（一般用電流、電壓、速度的乘積表征）越大，焊接變形越顯著。*合理選擇焊接順序和方向：這是控制焊接變形最常用且有效的工藝措施之一。*對稱焊法：對于對稱結(jié)構(gòu)，采用對稱的焊接順序，使兩側(cè)焊縫產(chǎn)生的變形相互抵消。*分段退焊法/跳焊法：將長焊縫分成若干小段，分段焊接，每段焊接方向與總方向相反（退焊），或不連續(xù)的跳躍式焊接（跳焊），可分散熱量，減小集中變形。*先焊收縮量大的焊縫：如對接焊縫比角焊縫收縮量大，應(yīng)先焊對接焊縫。*從中間向兩端焊：適用于較長構(gòu)件，可減小縱向收縮導(dǎo)致的彎曲變形。*采用反變形法：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或計(jì)算，預(yù)先給焊件一個與焊接變形方向相反、大小相等的預(yù)置變形，使焊后變形恰好抵消，從而得到符合要求的構(gòu)件形狀。這是一種主動控制變形的有效方法。*剛性固定法（拘束法）：焊接時利用夾具、胎具或臨時支撐等將焊件剛性固定，限制其焊接變形。這種方法能有效減小焊接變形，但會增加焊接應(yīng)力，焊后去除約束可能會產(chǎn)生一定的回彈。適用于焊接薄板及剛度較小的構(gòu)件。*預(yù)熱與后熱：預(yù)熱可以降低焊接區(qū)域與周圍母材的溫度差，減小焊接應(yīng)力和變形，并有利于氫的逸出。后熱（焊后保溫緩冷）也有類似作用，并可改善焊接接頭組織。預(yù)熱溫度和后熱規(guī)范需根據(jù)鋼材類型和厚度確定。3.3焊接過程中的控制*控制焊接熱輸入的均勻性：對于重要構(gòu)件，應(yīng)保證焊接過程中電流、電壓、速度等參數(shù)的穩(wěn)定，避免熱輸入波動過大導(dǎo)致不均勻變形。*保持正確的焊接操作姿勢和運(yùn)條方法：確保焊縫成形良好，避免因操作不當(dāng)引起的附加變形。*及時清理焊道：去除焊渣和飛濺，確保后續(xù)焊接質(zhì)量，避免因焊縫缺陷導(dǎo)致的應(yīng)力集中和變形。3.4焊后矯正盡管采取了上述預(yù)防措施，若焊后仍存在超差變形，則需要進(jìn)行矯正。常用的矯正方法有：*機(jī)械矯正法：利用外力（如壓力機(jī)、矯直機(jī)、千斤頂、手工錘擊等）使焊件產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，以抵消焊接變形。此法適用于低碳鋼和部分低合金鋼構(gòu)件，對于淬硬傾向大的鋼材應(yīng)慎用，以免引起裂紋。錘擊矯正時，應(yīng)采用平錘，避免用尖錘，且錘擊點(diǎn)應(yīng)避開焊縫金屬。*火焰矯正法：利用氧-乙炔焰或其他火焰對焊件的特定部位進(jìn)行局部加熱，使其產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后收縮，從而矯正原有的焊接變形。加熱方式有點(diǎn)狀加熱、線狀加熱和三角形加熱等?；鹧娉C正的關(guān)鍵在于正確選擇加熱位置、加熱溫度（一般為鋼材的____攝氏度，呈櫻紅色，嚴(yán)禁過熱）和加熱范圍。此法對于復(fù)雜變形的矯正效果較好，但對操作人員的技術(shù)水平要求較高，且同樣需注意對淬硬傾向大鋼材的適用性。四、結(jié)論與展望焊接應(yīng)力與變形的控制是焊接工程領(lǐng)域的重要課題，它直接關(guān)系到焊接結(jié)構(gòu)的安全可靠性、制造精度和生產(chǎn)成本。深入理解焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生機(jī)理，掌握其計(jì)算方法，并在實(shí)際生產(chǎn)中靈活運(yùn)用各種控制技術(shù)，是每一位焊接工程技術(shù)人員必備的能力。隨著科技的進(jìn)步，焊接應(yīng)力與變形的計(jì)算將更加精確，數(shù)值模擬技術(shù)將向多物理場耦合、更高精度材料