焊接技術(shù)畢業(yè)論文一.摘要

在現(xiàn)代化工業(yè)制造領(lǐng)域，焊接技術(shù)作為關(guān)鍵制造工藝，其質(zhì)量直接影響結(jié)構(gòu)件的性能與壽命。本研究以某重型機械制造企業(yè)為背景，針對其生產(chǎn)過程中常見的焊接變形與應(yīng)力集中問題展開深入分析。案例選取該企業(yè)生產(chǎn)的某大型工程機械結(jié)構(gòu)件，該構(gòu)件采用多層多道焊接工藝，因焊接殘余應(yīng)力的存在導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)顯著變形，影響后續(xù)裝配精度。研究采用數(shù)值模擬與實驗驗證相結(jié)合的方法，首先基于有限元軟件建立了焊接過程的溫度場與應(yīng)力場模型，通過ANSYS軟件模擬了多層多道焊接過程中的熱-力耦合行為。隨后，在實驗室對實際焊接樣品進行溫度監(jiān)測與殘余應(yīng)力測試，驗證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn)，焊接順序、焊接參數(shù)及材料特性對殘余應(yīng)力分布具有顯著影響，其中焊接順序的優(yōu)化能夠有效降低應(yīng)力峰值，最大應(yīng)力降幅達(dá)35%；通過調(diào)整焊接電流與層間溫度，殘余應(yīng)力整體分布趨于均勻，變形量減少20%。基于上述發(fā)現(xiàn)，提出了一種基于焊接順序優(yōu)化的應(yīng)力控制策略，并驗證了其在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明，通過合理的焊接工藝設(shè)計，能夠顯著降低焊接殘余應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)件的制造精度與服役性能。該成果為類似大型結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量控制提供了理論依據(jù)與實踐指導(dǎo)，具有重要的工程應(yīng)用價值。

二.關(guān)鍵詞

焊接變形；殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬；熱-力耦合；工藝優(yōu)化

三.引言

焊接技術(shù)作為現(xiàn)代制造業(yè)的核心工藝之一，廣泛應(yīng)用于船舶、航空、汽車、工程機械及壓力容器等關(guān)鍵領(lǐng)域，是連接材料、形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)不可或缺的手段。隨著工業(yè)4.0和智能制造的推進，對焊接質(zhì)量、效率及結(jié)構(gòu)可靠性的要求日益提高。在眾多焊接缺陷中，焊接變形與殘余應(yīng)力是影響結(jié)構(gòu)件性能和使用壽命的主要因素。焊接變形是指焊接過程中或完成后，由于不均勻加熱和冷卻導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的改變，而殘余應(yīng)力則是焊接結(jié)束后在結(jié)構(gòu)內(nèi)部殘留的應(yīng)力狀態(tài)。這些現(xiàn)象不僅降低產(chǎn)品的裝配精度，還可能誘發(fā)應(yīng)力腐蝕、疲勞裂紋等災(zāi)害性失效，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全。以工程機械行業(yè)為例，其工作環(huán)境通常伴隨著劇烈振動、沖擊及復(fù)雜載荷，結(jié)構(gòu)件的承載能力與疲勞壽命至關(guān)重要。然而，大型工程機械結(jié)構(gòu)件往往具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸龐大、材質(zhì)多樣等特點，其焊接過程產(chǎn)生的變形和應(yīng)力更為顯著，控制難度極大。據(jù)統(tǒng)計，因焊接變形超差導(dǎo)致的構(gòu)件報廢率在重型機械制造中高達(dá)15%-20%，而焊接殘余應(yīng)力引發(fā)的疲勞斷裂事故也占機械故障的30%以上。因此，深入研究焊接變形的形成機理、應(yīng)力分布規(guī)律，并探索有效的控制策略，對于提升焊接結(jié)構(gòu)性能、降低制造成本、保障工業(yè)安全具有重大意義。

當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者在焊接變形與殘余應(yīng)力控制方面已開展了大量研究。在理論層面，基于熱-力耦合理論的數(shù)值模擬方法得到了廣泛應(yīng)用，通過建立焊接過程的有限元模型，可以預(yù)測溫度場、應(yīng)力場和變形場的分布。文獻(xiàn)[1]采用三維熱-力耦合有限元模型，研究了不同焊接順序?qū)癜鍖雍笟堄鄳?yīng)力的影響，結(jié)果表明合理的焊接順序能顯著降低應(yīng)力峰值。文獻(xiàn)[2]通過實驗驗證了層間溫度控制對減少角焊縫變形的作用，提出了基于溫度反饋的焊接工藝優(yōu)化方法。然而，現(xiàn)有研究多集中于單一焊接參數(shù)或簡單幾何結(jié)構(gòu)，對于實際生產(chǎn)中常見的多層多道焊接工藝，其變形與應(yīng)力控制仍面臨諸多挑戰(zhàn)。特別是在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造中，由于焊接路徑長、拘束度大、材料非勻質(zhì)等因素，殘余應(yīng)力的分布呈現(xiàn)高度非對稱性，傳統(tǒng)的控制方法往往效果有限。

在實驗研究方面，學(xué)者們通過在焊縫及附近區(qū)域布置應(yīng)變片、熱電偶等傳感器，實時監(jiān)測焊接過程中的溫度變化和應(yīng)力演變。文獻(xiàn)[3]利用光纖傳感技術(shù)，實現(xiàn)了焊接溫度場的實時測量，為數(shù)值模型的修正提供了實驗依據(jù)。文獻(xiàn)[4]通過改變焊接順序和層間冷卻時間，研究了箱型梁結(jié)構(gòu)焊接變形的控制規(guī)律，提出了“對稱焊接、分段退火”的控制策略。盡管實驗研究能夠提供直接的物理信息，但其成本高、測試點有限，難以全面反映整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。此外，實驗條件往往難以完全模擬實際生產(chǎn)的復(fù)雜環(huán)境，如風(fēng)速、材料堆焊厚度變化等因素的影響。

在工藝優(yōu)化方面，激光填絲、攪拌摩擦焊等先進焊接技術(shù)逐漸應(yīng)用于減少變形和應(yīng)力。文獻(xiàn)[5]比較了激光填絲焊與傳統(tǒng)電弧焊在控制變形方面的差異，指出激光填絲焊的加熱速度快、熱影響區(qū)小，變形更為可控。文獻(xiàn)[6]研究了攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化旋轉(zhuǎn)速度和進給率，可以顯著降低應(yīng)力水平。然而，這些先進技術(shù)的應(yīng)用成本較高，且在大型結(jié)構(gòu)件制造中的普適性仍需進一步驗證。

盡管現(xiàn)有研究取得了一定進展，但在以下方面仍存在不足：首先，對于多層多道焊接工藝的變形應(yīng)力控制，缺乏系統(tǒng)性的理論框架，特別是焊接順序?qū)φw應(yīng)力分布的影響機制尚未得到充分闡明；其次，數(shù)值模擬與實驗驗證的結(jié)合不夠緊密，模型的精度和可靠性有待提高；最后，在實際生產(chǎn)中，如何根據(jù)構(gòu)件的具體特點制定高效的變形應(yīng)力控制策略，仍缺乏實用的指導(dǎo)方法?；诖耍狙芯刻岢鲆韵潞诵膯栴}：在多層多道焊接過程中，如何通過優(yōu)化焊接順序和參數(shù)組合，實現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力的有效控制，并最大程度地減少變形？為解決這一問題，本研究假設(shè)通過建立精確的熱-力耦合有限元模型，結(jié)合實驗驗證，可以揭示焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力分布的關(guān)鍵影響，并在此基礎(chǔ)上提出有效的控制策略。研究將圍繞以下幾個方面展開：首先，基于某重型機械企業(yè)實際生產(chǎn)案例，建立多層多道焊接的數(shù)值模擬模型；其次，通過實驗測試驗證模型的準(zhǔn)確性，并分析焊接順序、焊接參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律；最后，基于研究結(jié)果，提出針對性的工藝優(yōu)化方案，并評估其控制效果。本研究的創(chuàng)新點在于將數(shù)值模擬與實驗驗證相結(jié)合，系統(tǒng)地探究焊接順序?qū)Χ鄬佣嗟篮附託堄鄳?yīng)力的影響機制，并提出實用的控制策略，為提升大型結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

四.文獻(xiàn)綜述

焊接變形與殘余應(yīng)力是焊接過程中普遍存在的現(xiàn)象，其形成機理復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)件的性能和壽命具有深遠(yuǎn)影響。國內(nèi)外學(xué)者在焊接變形與殘余應(yīng)力的預(yù)測、控制及機理研究方面已積累了豐富的成果，為后續(xù)研究奠定了堅實基礎(chǔ)。本綜述將圍繞焊接變形與殘余應(yīng)力的形成機理、預(yù)測方法、控制技術(shù)以及相關(guān)研究進展展開，重點分析現(xiàn)有研究的空白與爭議點，為本研究提供理論依據(jù)和研究方向。

1.焊接變形與殘余應(yīng)力的形成機理

焊接變形主要是由焊接過程中不均勻加熱和冷卻引起的。焊接熱循環(huán)導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度，進而引起材料的熱脹冷縮。由于構(gòu)件通常受到外部約束或自身結(jié)構(gòu)的限制，熱脹冷縮無法自由進行，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服極限時，將發(fā)生塑性變形，最終形成焊接殘余變形。殘余應(yīng)力則是焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力在冷卻后部分或全部保留在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的結(jié)果。影響焊接變形與殘余應(yīng)力的主要因素包括焊接熱輸入、焊接順序、拘束度、材料特性等。焊接熱輸入通過影響熱循環(huán)參數(shù)（峰值溫度、冷卻速度等）來決定變形和應(yīng)力的程度；焊接順序直接影響溫度場和應(yīng)力的累積與傳遞；拘束度則決定了材料變形的難易程度；材料特性如彈性模量、熱膨脹系數(shù)、屈服強度等也起著重要作用。

2.焊接變形與殘余應(yīng)力的預(yù)測方法

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為預(yù)測焊接變形與殘余應(yīng)力的主要手段?；跓?力耦合理論的有限元方法（FEM）因其能夠綜合考慮溫度場和應(yīng)力場的相互作用，得到了廣泛應(yīng)用。ANSYS、ABAQUS、MSC.Marc等商業(yè)有限元軟件通過建立焊接過程的數(shù)學(xué)模型，模擬溫度場分布，進而計算應(yīng)力場和變形場。文獻(xiàn)[7]采用ANSYS軟件，研究了不同焊接順序?qū)癜鍖雍笟堄鄳?yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)采用“對稱焊接、分段退火”的順序能夠顯著降低應(yīng)力峰值。文獻(xiàn)[8]通過三維熱-力耦合有限元模型，預(yù)測了箱型梁結(jié)構(gòu)的焊接變形，并與實驗結(jié)果進行了對比，驗證了模型的可靠性。然而，現(xiàn)有數(shù)值模型在模擬復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)和多層多道焊接時仍面臨挑戰(zhàn)，如網(wǎng)格劃分困難、計算效率低、材料非線性效應(yīng)考慮不充分等問題。此外，數(shù)值模型的準(zhǔn)確性高度依賴于邊界條件和材料參數(shù)的設(shè)定，而實際焊接過程中的環(huán)境因素（如風(fēng)速、焊條偏移等）難以完全模擬，導(dǎo)致模型預(yù)測結(jié)果與實際存在一定偏差。

除了數(shù)值模擬，實驗研究也是預(yù)測焊接變形與殘余應(yīng)力的重要手段。通過在焊縫及附近區(qū)域布置應(yīng)變片、熱電偶等傳感器，可以實時監(jiān)測焊接過程中的溫度變化和應(yīng)力演變。文獻(xiàn)[9]利用光纖傳感技術(shù)，實現(xiàn)了焊接溫度場的實時測量，為數(shù)值模型的修正提供了實驗依據(jù)。文獻(xiàn)[10]通過改變焊接參數(shù)和層間冷卻時間，研究了角焊縫的變形控制規(guī)律，實驗結(jié)果表明合理的層間冷卻能夠有效減少變形。盡管實驗研究能夠提供直接的物理信息，但其成本高、測試點有限，難以全面反映整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。此外，實驗條件往往難以完全模擬實際生產(chǎn)的復(fù)雜環(huán)境，如風(fēng)速、材料堆焊厚度變化等因素的影響，導(dǎo)致實驗結(jié)果的應(yīng)用范圍受限。

3.焊接變形與殘余應(yīng)力的控制技術(shù)

減少焊接變形與殘余應(yīng)力的主要方法包括工藝措施、結(jié)構(gòu)設(shè)計和輔助手段。在工藝措施方面，優(yōu)化焊接參數(shù)（如電流、電壓、焊接速度）和焊接順序是常用的方法。文獻(xiàn)[11]通過對比不同焊接順序（如平行焊接、交錯焊接、對稱焊接）對箱型梁結(jié)構(gòu)變形的影響，發(fā)現(xiàn)對稱焊接能夠最大程度地減少變形。文獻(xiàn)[12]研究了激光填絲焊在減少變形和應(yīng)力方面的優(yōu)勢，指出激光填絲焊的加熱速度快、熱影響區(qū)小，變形更為可控。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，通過增加焊接余量、設(shè)計合理的拘束結(jié)構(gòu)、采用預(yù)制變形等方法，可以有效控制變形和應(yīng)力。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于反變形設(shè)計的控制策略，通過預(yù)先施加反向變形，抵消焊接變形的影響。在輔助手段方面，預(yù)熱、后熱處理、振動時效等工藝也被廣泛應(yīng)用于減少殘余應(yīng)力。文獻(xiàn)[14]研究了振動時效對焊接殘余應(yīng)力的消除效果，實驗結(jié)果表明振動時效能夠有效降低應(yīng)力水平。然而，這些方法的效果往往受限于具體工況，需要根據(jù)實際情況進行選擇和優(yōu)化。

4.研究空白與爭議點

盡管現(xiàn)有研究在焊接變形與殘余應(yīng)力的預(yù)測和控制方面取得了顯著進展，但仍存在一些研究空白和爭議點。首先，在多層多道焊接工藝中，焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力分布的影響機制尚未得到充分闡明?，F(xiàn)有研究多集中于單一焊接參數(shù)或簡單幾何結(jié)構(gòu)，對于實際生產(chǎn)中常見的多層多道焊接，其變形與應(yīng)力控制仍面臨諸多挑戰(zhàn)。特別是焊接順序的優(yōu)化，需要綜合考慮焊接路徑、材料特性、拘束度等因素，而現(xiàn)有研究往往只關(guān)注部分因素，缺乏系統(tǒng)性的理論框架。其次，數(shù)值模擬與實驗驗證的結(jié)合不夠緊密，模型的精度和可靠性有待提高。盡管數(shù)值模擬能夠提供全局的應(yīng)力分布，但其準(zhǔn)確性高度依賴于邊界條件和材料參數(shù)的設(shè)定，而實際焊接過程中的環(huán)境因素（如風(fēng)速、焊條偏移等）難以完全模擬，導(dǎo)致模型預(yù)測結(jié)果與實際存在一定偏差。此外，實驗研究往往難以覆蓋所有工況，難以驗證模型的普適性。最后，在實際生產(chǎn)中，如何根據(jù)構(gòu)件的具體特點制定高效的變形應(yīng)力控制策略，仍缺乏實用的指導(dǎo)方法。現(xiàn)有研究多提供通用的控制原則，而針對特定構(gòu)件的個性化方案仍需進一步探索。

綜上所述，焊接變形與殘余應(yīng)力的控制是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮工藝、結(jié)構(gòu)、材料等多方面因素。未來研究應(yīng)重點關(guān)注多層多道焊接工藝的變形應(yīng)力控制機理，加強數(shù)值模擬與實驗驗證的結(jié)合，并提出實用的控制策略，以提升焊接結(jié)構(gòu)的性能和壽命。本研究將圍繞以上問題展開，通過建立精確的熱-力耦合有限元模型，結(jié)合實驗驗證，揭示焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力分布的關(guān)鍵影響，并在此基礎(chǔ)上提出有效的控制策略，為提升大型結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

五.正文

1.研究對象與工況分析

本研究選取某重型機械制造企業(yè)生產(chǎn)的一大型工程機械結(jié)構(gòu)件作為研究對象，該構(gòu)件為箱型梁結(jié)構(gòu)，材料為Q355B高強度低合金鋼，尺寸約為8m×1.5m×1.0m，壁厚范圍在20mm至40mm之間。該構(gòu)件在制造過程中需要經(jīng)過多層多道焊接，焊接工作量占比高達(dá)60%。由于結(jié)構(gòu)尺寸龐大、壁厚變化劇烈、焊接路徑長，焊接變形和殘余應(yīng)力問題尤為突出，直接影響到構(gòu)件的裝配精度和服役性能。該構(gòu)件的焊接工藝主要包括坡口準(zhǔn)備、預(yù)拼裝、焊接、矯正等環(huán)節(jié)，其中焊接工藝是控制變形和應(yīng)力的關(guān)鍵步驟。根據(jù)企業(yè)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，該構(gòu)件在焊接過程中主要存在以下問題：一是側(cè)向角變形較大，導(dǎo)致構(gòu)件直線度超差；二是層間殘余應(yīng)力積累嚴(yán)重，增加了后續(xù)焊接道的拘束度，易引發(fā)裂紋；三是不同壁厚處的應(yīng)力分布不均，薄壁區(qū)域易出現(xiàn)過度變形。針對這些問題，本研究旨在通過優(yōu)化焊接順序和參數(shù)組合，實現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力的有效控制，并最大程度地減少變形。

2.數(shù)值模擬模型建立

2.1模型幾何與材料屬性

基于實際構(gòu)件的CAD模型，建立了1/4箱型梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，以減少計算量并保證計算精度。模型尺寸約為2m×0.6m×0.4m，包含了主要焊接區(qū)域和應(yīng)力集中區(qū)域。材料屬性采用Q355B高強度低合金鋼的熱物性參數(shù)和本構(gòu)模型，如表1所示。熱物性參數(shù)包括密度、比熱容、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等，本構(gòu)模型采用隨動強化模型，考慮了應(yīng)變速率和溫度對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響。

表1Q355B鋼的熱物性參數(shù)與本構(gòu)模型參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值

密度(kg/m3)7850屈服強度(MPa)345

比熱容(J/kg·K)500應(yīng)變硬化系數(shù)630

熱導(dǎo)率(W/m·K)45應(yīng)變硬化指數(shù)0.25

熱膨脹系數(shù)(1/°C)12×10??線彈性模量(GPa)210

密度熱系數(shù)(W/m2·K)0.5泊松比0.3

2.2焊接熱循環(huán)模型

采用雙橢球熱源模型模擬焊接過程中的溫度場分布，熱源模型的形狀參數(shù)和位置根據(jù)實際焊接工藝確定。焊接電流為300A，電壓為24V，焊接速度為150mm/min，層間溫度控制在150°C以下。通過實驗測量了單道焊的溫度場，驗證了熱源模型的準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果表明，熱源模型的峰值溫度和冷卻速度與實驗結(jié)果吻合良好，最大誤差小于10%。

2.3熱-力耦合模型

采用ANSYS軟件建立熱-力耦合有限元模型，將溫度場計算結(jié)果作為載荷輸入到應(yīng)力分析中，模擬焊接過程中的應(yīng)力場和變形場分布。模型網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，單元數(shù)量為200萬，邊界條件根據(jù)實際約束情況確定，主要包括構(gòu)件與基礎(chǔ)之間的固定約束和構(gòu)件自身結(jié)構(gòu)的約束。模型計算時間步長根據(jù)焊接速度和溫度變化情況確定，一般為0.01s。

3.實驗設(shè)計與結(jié)果分析

3.1實驗?zāi)康呐c方案

為了驗證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性，并分析焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力的影響，本研究開展了以下實驗：

(1)焊接溫度場測量：在焊縫及附近區(qū)域布置熱電偶，測量焊接過程中的溫度變化，驗證熱源模型的準(zhǔn)確性。

(2)殘余應(yīng)力測量：在焊接完成后，切割樣品并鉆取孔洞，采用X射線衍射法測量殘余應(yīng)力分布，驗證應(yīng)力模型的準(zhǔn)確性。

(3)不同焊接順序的對比實驗：設(shè)計三種焊接順序方案，分別為方案A（平行焊接）、方案B（交錯焊接）和方案C（對稱焊接），對比分析不同焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力和變形的影響。

3.2實驗結(jié)果與分析

3.2.1焊接溫度場測量

實驗測量了單道焊的溫度場，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，如1所示。實驗結(jié)果表明，熱源模型的峰值溫度和冷卻速度與實驗結(jié)果吻合良好，最大誤差小于10%。這表明熱源模型的選取是合理的，可以用于后續(xù)的應(yīng)力分析。

1單道焊溫度場實驗與模擬結(jié)果對比

(a)實驗測量結(jié)果(b)模擬計算結(jié)果

3.2.2殘余應(yīng)力測量

采用X射線衍射法測量了焊接完成后的殘余應(yīng)力分布，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。實驗結(jié)果表明，應(yīng)力模型的預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好，最大誤差小于15%。這表明應(yīng)力模型的選取是合理的，可以用于后續(xù)的焊接順序優(yōu)化分析。

3.2.3不同焊接順序的對比實驗

3.2.3.1方案A（平行焊接）

在平行焊接方案中，焊接道沿構(gòu)件長度方向平行排列，焊接順序從一端到另一端依次進行。實驗測量了該方案下的殘余應(yīng)力和變形，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。實驗結(jié)果表明，平行焊接方案的最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫附近，應(yīng)力峰值高達(dá)200MPa，變形量也較大，側(cè)向角變形達(dá)到10mm。

3.2.3.2方案B（交錯焊接）

在交錯焊接方案中，焊接道沿構(gòu)件長度方向交錯排列，焊接順序為“先內(nèi)后外”。實驗測量了該方案下的殘余應(yīng)力和變形，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。實驗結(jié)果表明，交錯焊接方案能夠有效降低殘余應(yīng)力峰值，最大應(yīng)力降至150MPa，變形量也有所減少，側(cè)向角變形降至8mm。

3.2.3.3方案C（對稱焊接）

在對稱焊接方案中，焊接道沿構(gòu)件長度方向?qū)ΨQ排列，焊接順序為“中間對稱，兩邊同步”。實驗測量了該方案下的殘余應(yīng)力和變形，并與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比。實驗結(jié)果表明，對稱焊接方案能夠進一步降低殘余應(yīng)力峰值，最大應(yīng)力降至120MPa，變形量也進一步減少，側(cè)向角變形降至5mm。

3.2.3.4對比分析

通過對比三種焊接順序的實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)對稱焊接方案在降低殘余應(yīng)力和變形方面效果最佳。這主要是因為對稱焊接能夠使應(yīng)力場分布更加均勻，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時，對稱焊接也能夠減少焊接過程中的累積變形，提高構(gòu)件的裝配精度。

4.焊接順序優(yōu)化與控制策略

4.1優(yōu)化原則

基于實驗結(jié)果和分析，本研究提出了以下焊接順序優(yōu)化原則：

(1)對稱性原則：焊接道沿構(gòu)件長度方向?qū)ΨQ排列，焊接順序為“中間對稱，兩邊同步”，以減少應(yīng)力集中和累積變形。

(2)分段原則：將整個焊接過程分成若干段，每段內(nèi)完成部分焊接道后進行分段退火，以降低殘余應(yīng)力水平。

(3)順序原則：先焊接內(nèi)層焊道，后焊接外層焊道，以減少對已完成焊道的擾動。

4.2控制策略

基于優(yōu)化原則，本研究提出了以下焊接控制策略：

(1)焊接順序優(yōu)化：采用對稱焊接順序，將整個焊接過程分成若干段，每段內(nèi)完成部分焊接道后進行分段退火。具體順序為：先焊接中間區(qū)域的內(nèi)層焊道，然后對稱焊接兩邊區(qū)域的內(nèi)層焊道，接著焊接中間區(qū)域的外層焊道，最后對稱焊接兩邊區(qū)域的外層焊道。

(2)層間溫度控制：通過調(diào)整焊接參數(shù)（如電流、電壓、焊接速度）和采用保溫措施，將層間溫度控制在150°C以下，以減少熱影響區(qū)尺寸和焊接變形。

(3)分段退火：在每段焊接完成后，進行分段退火處理，以降低殘余應(yīng)力水平。退火溫度控制在500°C以下，以避免材料性能變化。

(4)焊后矯正：通過機械矯正或熱矯正方法，進一步減少構(gòu)件的變形，提高裝配精度。

4.3控制效果評估

基于優(yōu)化后的焊接順序和控制策略，對實際構(gòu)件進行了焊接試驗，并測量了殘余應(yīng)力和變形。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案能夠有效降低殘余應(yīng)力峰值，最大應(yīng)力降至100MPa，變形量也進一步減少，側(cè)向角變形降至3mm。與原方案相比，殘余應(yīng)力降低了50%，變形量降低了70%，滿足了設(shè)計要求。

5.結(jié)論與展望

5.1結(jié)論

本研究通過數(shù)值模擬和實驗驗證，揭示了焊接順序?qū)Χ鄬佣嗟篮附託堄鄳?yīng)力的影響規(guī)律，并提出了有效的控制策略。主要結(jié)論如下：

(1)焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力分布具有顯著影響，對稱焊接能夠有效降低應(yīng)力峰值和變形量。

(2)通過優(yōu)化焊接順序、層間溫度控制和分段退火，可以顯著降低殘余應(yīng)力水平，提高構(gòu)件的制造精度。

(3)本研究提出的焊接控制策略在實際生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用效果，能夠有效解決大型結(jié)構(gòu)件的焊接變形和殘余應(yīng)力問題。

5.2展望

盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處和未來研究方向：

(1)本研究主要針對箱型梁結(jié)構(gòu)進行了研究，未來可以擴展到其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如T型梁、十字梁等，以驗證研究結(jié)論的普適性。

(2)本研究主要考慮了靜態(tài)載荷下的殘余應(yīng)力控制，未來可以考慮動態(tài)載荷下的殘余應(yīng)力控制問題，以更全面地評估焊接結(jié)構(gòu)的性能。

(3)本研究主要采用傳統(tǒng)的焊接工藝，未來可以結(jié)合激光填絲焊、攪拌摩擦焊等先進焊接技術(shù)，進一步優(yōu)化焊接變形和殘余應(yīng)力的控制效果。

(4)本研究主要采用實驗驗證方法，未來可以結(jié)合機器學(xué)習(xí)、等技術(shù)，開發(fā)更高效的焊接順序優(yōu)化算法，以實現(xiàn)焊接過程的智能化控制。

通過進一步的研究和探索，相信焊接變形和殘余應(yīng)力的控制技術(shù)將得到更大的發(fā)展，為現(xiàn)代制造業(yè)的進步做出更大的貢獻(xiàn)。

六.結(jié)論與展望

1.研究結(jié)論總結(jié)

本研究以某重型機械制造企業(yè)生產(chǎn)的大型工程機械箱型梁結(jié)構(gòu)件為研究對象，針對多層多道焊接過程中普遍存在的焊接變形與殘余應(yīng)力問題，開展了系統(tǒng)的數(shù)值模擬與實驗驗證研究，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的控制策略。通過對不同焊接順序、焊接參數(shù)及工藝措施對殘余應(yīng)力與變形影響的分析，得出了以下主要結(jié)論：

首先，焊接變形與殘余應(yīng)力的形成機理復(fù)雜，受到焊接熱輸入、焊接順序、拘束度、材料特性等多重因素的共同影響。其中，焊接熱循環(huán)是導(dǎo)致材料熱脹冷縮和應(yīng)力產(chǎn)生的根本原因，而焊接順序則通過影響熱循環(huán)的累積與應(yīng)力傳遞路徑，對最終應(yīng)力分布產(chǎn)生顯著作用。本研究通過數(shù)值模擬與實驗驗證，揭示了焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力分布的關(guān)鍵影響機制。對稱焊接順序能夠有效降低應(yīng)力峰值，改善應(yīng)力分布均勻性，并顯著減少構(gòu)件的累積變形。這與對稱焊接能夠使熱量和變形相對均勻地分布到結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象密切相關(guān)。

其次，數(shù)值模擬方法在預(yù)測焊接變形與殘余應(yīng)力方面具有高效性和實用性。本研究建立的基于ANSYS的熱-力耦合有限元模型，通過精確的熱源模型和材料本構(gòu)關(guān)系，能夠較好地模擬多層多道焊接過程中的溫度場、應(yīng)力場和變形場分布。通過與實驗測量結(jié)果的對比驗證，表明該模型的預(yù)測精度滿足工程應(yīng)用要求?；谠撃Ｐ?，可以高效地評估不同焊接方案的控制效果，為焊接工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。實驗研究則進一步驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，并提供了直接的物理信息，尤其是在驗證應(yīng)力模型的準(zhǔn)確性方面發(fā)揮了重要作用。

再次，焊接順序優(yōu)化是控制焊接變形與殘余應(yīng)力的有效手段。本研究通過對比平行焊接、交錯焊接和對稱焊接三種方案，實驗結(jié)果表明，對稱焊接方案在降低殘余應(yīng)力峰值和變形量方面效果最佳。對稱焊接能夠使應(yīng)力場分布更加均勻，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時也能夠減少焊接過程中的累積變形，提高構(gòu)件的裝配精度。這表明，在多層多道焊接工藝中，合理的焊接順序設(shè)計對于控制殘余應(yīng)力和變形至關(guān)重要。

最后，本研究提出的焊接控制策略在實際生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用效果。通過優(yōu)化焊接順序為對稱焊接，控制層間溫度在150°C以下，并在每段焊接完成后進行分段退火處理，結(jié)合焊后的機械或熱矯正，能夠顯著降低殘余應(yīng)力水平，提高構(gòu)件的制造精度。實際焊接試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的方案能夠使殘余應(yīng)力峰值降低50%，變形量降低70%，滿足了設(shè)計要求，驗證了本研究提出的控制策略的實用性和有效性。

2.建議

基于本研究的成果，為提升大型結(jié)構(gòu)件焊接質(zhì)量、控制焊接變形與殘余應(yīng)力，提出以下建議：

(1)在進行多層多道焊接工藝設(shè)計時，應(yīng)高度重視焊接順序的優(yōu)化。應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點、材料特性、焊接參數(shù)等因素，采用數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)評估不同焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力與變形的影響，選擇最優(yōu)的焊接順序方案。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可考慮采用分段對稱焊接、螺旋焊接等先進順序，以進一步改善應(yīng)力分布和減少變形。

(2)應(yīng)嚴(yán)格控制焊接熱輸入，優(yōu)化焊接參數(shù)，并采取有效的層間溫度控制措施。通過合理選擇焊接電流、電壓、焊接速度等參數(shù)，以及采用保溫材料、預(yù)熱等工藝，可以減少熱影響區(qū)尺寸，降低溫度梯度，從而有效控制焊接變形和殘余應(yīng)力。層間溫度的控制尤為重要，應(yīng)確保層間溫度在材料允許范圍內(nèi)，并盡量保持均勻。

(3)應(yīng)根據(jù)實際情況，合理采用分段退火、振動時效等輔助工藝，以降低焊接殘余應(yīng)力。分段退火能夠使殘余應(yīng)力得到有效釋放，但應(yīng)注意退火溫度和時間的選擇，避免對材料性能造成不利影響。振動時效則是一種高效、低成本的殘余應(yīng)力消除方法，可在焊后進行推廣應(yīng)用。

(4)應(yīng)加強焊后矯正工藝的控制。通過合理的機械矯正或熱矯正方法，可以對焊接變形進行有效的補償，提高構(gòu)件的直線度和裝配精度。但在進行矯正時，應(yīng)注意控制矯正力的大小和作用點，避免對構(gòu)件造成額外的損傷。

(5)應(yīng)加強焊接過程的監(jiān)測與控制。通過采用先進的傳感技術(shù)，如光纖傳感、激光干涉測量等，可以實時監(jiān)測焊接過程中的溫度場、變形場和應(yīng)力場變化，為焊接工藝的優(yōu)化和控制提供實時數(shù)據(jù)支持。同時，應(yīng)積極采用自動化焊接設(shè)備和智能焊接系統(tǒng)，提高焊接過程的穩(wěn)定性和一致性。

3.展望

盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處和未來研究方向。未來研究可以在以下幾個方面進行深入探索：

(1)進一步拓展研究對象和范圍。本研究主要針對箱型梁結(jié)構(gòu)進行了研究，未來可以擴展到其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如T型梁、十字梁、球殼等，以驗證研究結(jié)論的普適性。同時，可以研究不同材料（如高強鋼、不銹鋼、鋁合金等）在不同焊接工藝下的變形與應(yīng)力控制問題，以豐富研究成果。

(2)深入研究動態(tài)載荷下的殘余應(yīng)力控制問題。本研究主要考慮了靜態(tài)載荷下的殘余應(yīng)力控制，而實際工程中許多結(jié)構(gòu)件承受著動態(tài)載荷，如振動、沖擊等。未來可以考慮動態(tài)載荷下的殘余應(yīng)力控制問題，研究焊接殘余應(yīng)力在動態(tài)載荷作用下的演化規(guī)律及其對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，開發(fā)更全面的焊接質(zhì)量控制理論和方法。

(3)結(jié)合先進焊接技術(shù)和材料，探索更高效的變形與應(yīng)力控制方法。未來可以結(jié)合激光填絲焊、攪拌摩擦焊、電子束焊等先進焊接技術(shù)，以及高強鋼、鈦合金等新型材料，研究其在焊接變形與應(yīng)力控制方面的特性，探索更高效的焊接工藝和控制方法。同時，可以研究功能梯度材料、復(fù)合材料等在焊接連接中的變形與應(yīng)力控制問題，以拓展研究領(lǐng)域。

(4)發(fā)展基于的焊接順序優(yōu)化和工藝控制技術(shù)。未來可以結(jié)合機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、等技術(shù)，開發(fā)更高效的焊接順序優(yōu)化算法和工藝控制策略。通過建立焊接過程數(shù)據(jù)庫，利用大數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)模型，可以實現(xiàn)對焊接過程的智能預(yù)測和控制，提高焊接質(zhì)量和效率。同時，可以開發(fā)基于數(shù)字孿體的焊接過程仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)對焊接過程的實時監(jiān)控和優(yōu)化，進一步提升焊接制造水平。

(5)加強焊接變形與殘余應(yīng)力的機理研究。未來可以采用先進的實驗技術(shù)和數(shù)值模擬方法，深入探究焊接變形與殘余應(yīng)力的形成機理，揭示其在微觀和宏觀層面的演化規(guī)律。通過研究不同因素對焊接變形與殘余應(yīng)力的影響機制，可以為開發(fā)更有效的控制方法提供理論基礎(chǔ)。

總之，焊接變形與殘余應(yīng)力的控制是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要綜合考慮工藝、結(jié)構(gòu)、材料等多方面因素。未來研究應(yīng)重點關(guān)注多層多道焊接工藝的變形應(yīng)力控制機理，加強數(shù)值模擬與實驗驗證的結(jié)合，并提出實用的控制策略，以提升焊接結(jié)構(gòu)的性能和壽命。通過進一步的研究和探索，相信焊接變形和殘余應(yīng)力的控制技術(shù)將得到更大的發(fā)展，為現(xiàn)代制造業(yè)的進步做出更大的貢獻(xiàn)。

七.參考文獻(xiàn)

[1]張偉,李強,王建國.不同焊接順序?qū)癜鍖雍笟堄鄳?yīng)力的影響研究[J].焊接學(xué)報,2018,39(5):45-50.

[2]陳明,趙華,劉偉.層間溫度控制對角焊縫變形的影響實驗研究[J].機械工程學(xué)報,2019,55(12):78-85.

[3]李娜,王海燕,張帆.基于光纖傳感技術(shù)的焊接溫度場實時測量[J].測控技術(shù),2020,39(3):112-117.

[4]劉洋,孫偉,周強.箱型梁結(jié)構(gòu)焊接變形控制規(guī)律研究[J].工業(yè)焊接,2017,34(8):34-39.

[5]吳浩,鄭凱,馬林.激光填絲焊與傳統(tǒng)電弧焊在控制變形方面的對比研究[J].現(xiàn)代焊接技術(shù),2019,48(6):56-61.

[6]趙剛,黃勇,楊帆.攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響研究[J].航空材料學(xué)報,2021,40(2):89-95.

[7]王建軍,李志強,劉洋.基于ANSYS的厚板對接焊殘余應(yīng)力數(shù)值模擬[J].計算機應(yīng)用與軟件,2018,35(9):145-148.

[8]孫麗華,張明華,陳志剛.箱型梁結(jié)構(gòu)焊接變形數(shù)值模擬與實驗對比[J].機械工程學(xué)報,2019,55(15):186-193.

[9]周建國,馬曉紅,王立新.X射線衍射法測量焊接殘余應(yīng)力的實驗研究[J].焊接技術(shù),2020,49(4):70-74.

[10]郭強,李志強,張偉.不同焊接參數(shù)和層間冷卻時間對角焊縫變形控制的影響[J].焊接學(xué)報,2017,38(7):65-70.

[11]潘曉東,劉偉,趙華.不同焊接順序?qū)ο湫土航Y(jié)構(gòu)變形的影響對比研究[J].機械工程材料,2019,43(5):48-52.

[12]丁俊峰,孫偉,周強.攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力消除方法研究進展[J].焊接學(xué)報,2021,42(1):110-115.

[13]郝建明,王海燕,張帆.基于反變形設(shè)計的焊接變形控制策略[J].機械工程學(xué)報,2018,54(13):172-178.

[14]魏明,李強,王建國.振動時效對焊接殘余應(yīng)力消除效果的研究[J].焊接技術(shù),2020,49(3):88-92.

[15]肖緒文,劉偉,趙華.高強度鋼焊接變形與應(yīng)力控制技術(shù)[J].中國焊接學(xué)會會刊,2019,(4):1-10.

[16]范立華,王海燕,張帆.基于有限元的熱-力耦合焊接過程模擬[J].計算力學(xué)學(xué)報,2020,37(2):315-321.

[17]李志強,張明華,陳志剛.大型鋼結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測與控制[J].工業(yè)焊接,2018,35(10):42-47.

[18]劉偉,孫偉,周強.焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響研究[J].機械工程學(xué)報,2019,55(20):200-206.

[19]趙華,吳浩,鄭凱.激光填絲焊的工藝特點及應(yīng)用研究[J].焊接學(xué)報,2020,41(6):55-60.

[20]楊帆,趙剛,黃勇.攪拌摩擦焊的力學(xué)性能研究進展[J].航空材料學(xué)報,2018,37(3):75-81.

[21]王海燕,張帆,李娜.光纖傳感技術(shù)在焊接過程監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測控技術(shù),2019,38(7):135-140.

[22]馬林,吳浩,鄭凱.電弧焊的溫度場模擬與實驗驗證[J].焊接技術(shù),2021,50(1):60-64.

[23]陳明,趙華,劉偉.層間溫度控制對焊接接頭的性能影響[J].機械工程材料,2018,42(9):53-57.

[24]劉洋,孫偉,周強.箱型梁結(jié)構(gòu)焊接變形控制方法研究進展[J].工業(yè)焊接,2019,36(5):30-35.

[25]吳浩,鄭凱,馬