焊缝收缩

焊缝焊接收缩量的ANSYS仿真分析作者：张利来源：《城市建设理论研究》2013年第10期摘要：现代焊接技术趋于完善，对焊接变形的数值已有很多经验公式计算，但是都是实测数据，环境不一样，焊接收缩就不一样。

本文运用ANSYS的热分析功能对焊接的收缩进行仿真。

该仿真存在的难点是热结构耦合、单元生死、材料的弹塑性、APDL参数化设计。

关键词：焊缝焊接收缩量ANSYS中图分类号: P755.1文献标识码： A 文章编号：第一步：输入材料特性，建立模型，设定焊接速度，计算热源值。

输入材料特性；本计算模型采用Q345qD钢材的材料特性，设初始温度为室温25℃，且材料密度不变化。

材料密度设为7.85×103 Kg/m3，热膨胀系数为1.75×10-5，初始弹性模量为E=2.0×1011Mpa，泊松比0.25，初始导热系数为18.6W/m·℃，比热容设为502J/（Kg·℃），初始热焓值6.13×109，这些材料特性随温度变化而变化，如下表1、2、3所示：表1：钢材弹模与温度的关系表2：钢材导热系数、比热与温度的关系表3：钢材热焓值与温度的关系由于材料会进入塑性变形区，采用多线性随动强化和双线性随动强化两种方式定义材料在温度变化情况下的特性。

随着温度的升高，钢材的应力-应变曲线越来越平缓，即钢材的强度变低。

建立模型；钢板对接和T接的模型建立比较简单，鉴于需要分析的钢板板厚较多，所以采用参数化设计，方便修改模型。

定义的变量仅有板厚。

对接模型采用单边V形坡口，钝边固定为2mm，坡口角度60°。

单元类型先采用SOLID70进行热分析。

设定焊接速度；按照焊接经验，焊接速度取5mm/s，即热源移动速度为5mm/s。

计算热源值；本模型假设热源与时间成反比例，即热源hetg=a/△t，其中a与焓值、密度、温度相关。

考虑到实际施焊时，焊完一道有足够时间让母材冷却，本模型假设冷却30分钟，母材温度降至室温。

激光焊接两种异常现象的分析提要：研究了在激光焊接中出现的两种异常现象，即焊缝的缩颈和表面凸起现象。

结果表明：焊缝截面的缩颈是因激光束的偏振、小孔壁聚焦、小孔内高压金属蒸气的动态行为引起的；表面凸起是因组织的变化、熔池熔体的流动、热膨胀及热应力引起的。

关键词：激光焊接异常现象焊缝成型1 引言激光焊接采用高能束的激光作为热源，与传统焊接方法相比具有速度快、组织细腻、热影响区小、成型好等特点。

但在激光焊接中，经常会出现两种异常现象，即焊缝截面的缩颈和表面凸起，如图1所示。

焊缝截面的缩颈是指在激光焊缝截面上，在熔深的中段焊缝呈现收缩特征，出现焊缝的上下两端宽、中间窄的现象。

在激光焊接中一般并不添加焊丝等填充材料，但在焊接后焊缝表面常出现凸起，这往往影响了激光焊接的表面光洁度。

对此现象很多激光焊接工作者都没有给予应有的重视。

在实际某些应用中，如汽车蒙皮、汽车底盘钢板对焊后表面质量要求很高，不允许有任何不平。

在一些精密零件的激光焊接也对此有着严格要求，任何表面的不平整都可能造成功能失效或者对使用有严重影响。

因此探索这两种现象的形成机理，对于控制焊缝的成型、提高焊缝质量是很重要的。

本文通过多角度、多侧面的分析，对其进行了具体的解释。

2 理论分析2．1 焊缝截面的缩颈现象激光焊缝截面的缩颈现象，与激光焊接的特性是分不开的。

经大量的研究和试验，分析认为缩颈现象这个特征的形成是由于下列因素所造成的。

①激光束的偏振激光是一种电磁波，具有偏振性。

高功率CO2激光器输出的是偏振面不固定的线偏振光。

工件金属表面对入射光中S成分的反射率Rs与P成分的反射率Rp不同。

由于高功率激光焊接时，产生深的小孔，并且激光沿焊缝移动，造成小孔前侧壁的倾斜，其斜面的法向与激光束的中心线成θ角，θ一般在75°～85°之间。

在这种入射角很大的情况下，偏振面与入射面平行的P光和垂直的S光反射系数相差很大。

S光几乎全部被反射，Rs接近于1.0，而P光则大部分被吸收，反射率只有0.3～0.4，如图2所示。

焊接变形一、焊接变形的种类（1）纵向收缩变形构件焊后在焊缝方向发生的收缩，如图1中的△L。

（2）横向收缩变形构件经过焊接以后在垂直焊缝方向发生的收缩，如图1中的△B。

（3）角变形焊接以后，构件的平面围绕焊缝发生的角位移，如图2所示。

（4）错边变形焊接过程中，由于两块板材的热膨胀不一致，可能引起长度方向或厚度方向上的错边，如图3所示。

图1 纵向和横向收缩变形图2 角变形图3 错边变形a）长度方向的错边；b）厚度方向的错边（5）波浪变形薄板焊件焊后最容易发生这种失稳变形，形状呈波浪状。

如图4所示。

图4 波浪变形（6）挠曲变形构件焊后所发生的挠曲，如图5所示。

挠曲变形可以由焊缝的纵向收缩引起，如图5a所示。

也可以由焊缝的横向收缩引起，如图5b所示。

（7）螺旋形变形焊后的结构上出现的扭曲，如图6所示。

图5 挠曲变形a）由纵向收缩引起的挠曲；b）由横向收缩引起的挠曲图6 螺旋形变形二、焊接变形的估算方法（1）纵向收缩变形、横向收缩变形均可采用有关公式进行计算，具体方法详见本书第二十章焊接计算的有关内容。

（2）角变形可由图7进行估算。

图7 T形接头角变形与板厚δ及焊脚尺寸K的关系a)低碳钢；b）铝镁合金三、焊接变形的经验数据1）低碳钢纵向收缩变形见表1，适用于中等厚度、以及宽度比约为15的板件。

2）焊缝横向收缩变形见表2。

3）低碳钢对接接头横向收缩变形见表3。

4）低碳钢角接接头的横向收缩变形见表4。

5）低碳钢的对接接头角变形见表5。

表中的角变形数值是在自由状态下对接焊后测得的。

6）T形接头和搭接接头的角变形见表6。

四、焊接变形的控制与矫正1.改进焊缝设计（1）尽量减少焊缝数量在设计焊接结构时应当避免不必要的焊缝。

尽量选用型钢、冲压件代替焊接件，以减少肋板数量来减小焊接和矫正变形的工作量。

表1 低碳钢纵向收缩变形（mm/m）（2）合理选择焊缝形状及尺寸对于板厚较大的对接接头应选X 形坡口代替V形坡口。

减少熔敷金属总量以减少焊接变形。

ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ2012 03120实践与探索E xploration控制和消除焊接应力的措施及方法文/鲁兆鹏一、控制焊接应力的措施焊接以后留下一定的残余应力是不可避免的，但是可以通过恰当的工艺措施给予一定程度的控制和调节，使应力值尽可能减小，分布尽可能合理。

焊接应力是由于焊后收缩受到制约造成的，制约越严重，内应力也就越大。

因此，控制内应力的方法虽有多种，但基本原则只有一个，就是缓和对焊缝收缩的制约。

通常采用的工艺措施有以下几种。

１．采用合理的焊接次序　所谓合理的焊接次序，主要是应该尽量使焊缝能比较自由地收缩，特别是那些收缩比较大、残余应力比较大的焊缝。

图1是拼接工字梁的情况。

这时应事先留出一段翼板——腹板角焊缝3，先焊接受力最大的翼板对接焊缝l，然后再焊接腹板对接焊缝2，最后焊满角焊缝3。

这种焊接次序可以使翼板的对接焊缝预先受压应力，而腹板对接缝受拉应力。

角焊缝留在最后焊可以保证腹板有一定的收缩余地，同时也有利于在翼板对接焊时采取反变形措施以防止角变形。

实验证明，这样焊成的梁的疲劳强度比先焊腹板的梁高出30％。

图1　工字梁拼接２．预热法焊接温差越大，残余应力越大，同时从组织转变来说，冷却速度越快组织应力也越大。

预热可以达到减小温差和减慢冷却速度的目的，从而减小焊接应力。

焊件是否需要预热，主要是从钢材的化学成分、厚度和结构刚度等方面来考虑，而预热温度的选择则主要是根据钢材的化学成分来确定。

一般来说，钢材含合金元素越多，越容易形成淬硬组织；而合金元素含量越多的钢材，就越需要预热，同时预热温度也偏高。

钢板越厚越要求预热。

因为钢板越厚散热越快，冷却越快，就越需要通过预热来减慢冷却速度。

所以对一些含合金元素较低的钢种不需要预热，但钢材若具有一定厚度时就要增加一道预热工序。

刚度越大的结构，越需要预热。

因为结构的刚度越大，焊缝收缩所受到的制约也越大，应力就越大，所以需要通过预热来降低焊接应力。

３．同步收缩法焊缝（确切地说是有效区段）的收缩因受到旁边冷金属的牵制而形成拉应力，也就是说，有效区段旁边的较冷的金属不允许它收缩，从而形成较大的应力。

什么是焊接变形?(一)基本类型1. 纵向收缩变形：构件焊后在平行焊缝的方向上尺寸缩短。

2. 横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝的方向上尺寸缩短。

3. 弯曲变形：由于焊缝的布置偏离焊件的形心轴。

4. 角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移。

5.波浪变形：焊后构件呈波浪形，在焊薄板中出现。

6.错边变形：两焊接热膨胀不一致，所引起的长度或厚度方向上的错边。

(二) 设计措施1. 合理选择焊件尺寸。

焊件的长度、宽度和厚度等尺寸对焊接变形有明显的影响。

例如，板的厚度对于角焊缝的角变形影响较大，当厚度达到某一数值(钢约9mm)时角变形最大。

在制造T形或工形焊接梁时，由于焊件细长，以致于焊接区收缩变形引起焊件弯曲变形是一个突出问题。

解决这一问题的最好办法就是要精心设计结构尺寸参数(如板厚、板宽、板长和肋板间距等)和焊接参数(如单位线能量等)。

2. 合理选择焊缝尺寸和坡口形式。

焊缝尺寸的大小,不仅关系到焊接工作量，而且还对焊接变形产生较大的影响。

焊缝尺寸大，焊接量也大,填充金属消耗量多，造成焊接变形大。

因此在设计焊缝尺寸时，在保证结构承载能力的条件下，应采用较小的焊缝尺寸。

片面加大焊缝尺寸对减小焊接变形极其不利。

所以对并不承受很大工作应力的焊缝,不必采用大尺寸焊角，只要能满足其强度要求就好。

另外，还要合理设计坡口型式。

例如对接接头要采用角变形为零的最佳X 形坡口尺寸。

对于受力较大的T形接头和十字接头，在保证相同强度的条件下，采用开坡口的焊缝比不开坡口焊缝动载强度高，焊缝金属量少，而且对减小焊接变形也是有利的，尤其对厚板而言，更有意义。

3. 尽量减少不必要的焊缝。

在焊接结构设计中，应该力求使焊缝数量减至最少。

一般在设计中常采用加肋板来提高结构的稳定性和刚度，特别是有时为减轻主体结构重量而采用较薄板，势必增加肋板数量，从而大大增加装配和焊接的工作量，其结果是不但不经济，而且焊缝致使焊接变形过大。

所以实践证明合理选择板厚，适当减少肋板，使焊缝减少，即使结构可能稍重，还是比较经济的。

△L横≈0.1δ，δ=板厚。

（间隙和线能量最小化）焊接变形收缩余量计算公式焊接变形收缩始终是一个比较复杂的问题，对接焊缝的收缩变形与对接焊缝的坡口形式、对接间隙、焊接线的能量、钢板的厚度和焊缝的横截面积等因素有关，坡口大、对接间隙大，焊缝截面积大，焊接能量也大，则变形也大。

为了给设计人员提供一定的参考，贴几个公式1、单V对接焊缝横向收缩近似值及公式：y = 1.01*e^（0.0464x）y＝收缩近似值e＝2.718282x＝板厚2、双V对接焊缝横向收缩近似值及公式：y = 0.908*e^（0.0467x ）y＝收缩近似值e＝2.718282x＝板厚、4、5、6、1 试述焊接残余变形的种类。

焊接过程中焊件产生的变形称为焊接变形。

焊后，焊件残留的变形称为焊接残余变形。

焊接残余变形有纵向收缩变形、横向收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形等共六种，见图1，其中焊缝的纵向收缩变形和横向收缩变形是基本的变形形式，在不同的焊件上，由于焊缝的数量和位置分布不同，这两种变形又可表现为其它几种不同形式的变形。

2 焊件在什么情况下会产生纵向收缩变形？焊件焊后沿平行于焊缝长度方向上产生的收缩变形称为纵向收缩变形。

当焊缝位于焊件的中性轴上或数条焊缝分布在相对中性轴的对称位置上，焊后焊件将产生纵向收缩变形，其焊缝位置见表1。

焊缝的纵向收缩变形量随焊缝的长度、焊缝熔敷金属截面积的增加而增加，随焊件截面积的增加而减少，其近似值见表2。

表2 焊缝纵向收缩变形量的近似值（mm/m）注：表中所表示的数据是在宽度大约为15倍板厚的焊缝区域中的纵向收缩变形量，适用于中等厚度的低碳钢板。

3 试述焊缝的横向收缩变形量及其计算。

焊件焊后在垂直于焊缝方向上发生的收缩变形称为横向收缩变形，横向收缩变形量随板厚的增加而增加。

低碳钢对接接头、T形接头和搭接接头的横向收缩变形量，见表3、表4。

对接接头横向收缩变形量的近似计算公式，见表5。

焊缝收缩力
焊缝收缩力是指焊缝产生的热收缩引起的力，它是由于焊接时焊缝被加热而膨胀，然后冷却时又收缩而产生的。

焊缝收缩力主要包括横向收缩力和纵向收缩力。

横向收缩力是指焊缝在冷却过程中由于热收缩而产生的横向收缩力。

焊接材料冷却时会由于温度的降低而收缩，如果焊缝两侧的材料受到阻碍而不能自由收缩，就会产生横向收缩力。

这种横向收缩力可以引起焊缝的扭曲变形、应力集中和产生焊缝偏斜等问题。

纵向收缩力是指焊缝在冷却过程中由于热收缩而产生的纵向收缩力。

焊接材料冷却时会由于温度的降低而收缩，如果焊接件两端受到阻碍而不能自由收缩，就会产生纵向收缩力。

这种纵向收缩力可以引起焊接件的变形、焊缝的拉伸和断裂等问题。

为了减小焊缝收缩力对焊接结构的影响，常常采取一些措施，如采用预应力、控制焊接工艺参数、采用适当的焊接顺序等。

同时，在设计焊接结构时，也需要考虑到焊缝收缩力对结构的影响，进行合理的结构设计和计算。

焊接变形的产生和防止焊接变形的产生和防止手工电弧焊接过程中的变形成因及对策在工业生产中，焊接作业特别是手工电弧焊作业作为制造、修理的一种重要的工艺方法得到越来越广泛的运用。

同时，由于手工电弧焊自身的焊接特点必然引起其焊接变形较大，如不对其变形的原因进行分析并针对其成因提出有效的对策，必将给生产带来极大的危害。

一、手工电弧焊接过程中的变形成因我们知道，手工电弧焊接过程中的焊接电弧由在两个电极之间的气体介质中产生持久的放电现象所产生的。

电弧的产生是先将两电极相互接触而形成短路，由于接触电阻和短路电流产生电流热效应的结果，使两电极间的接触点达到白热状态，然后将两电极拉开，两电极间的空气间隙强烈地受热，空气热作用后形成电离化；与此同时，阴极上有高速度的电子飞出，撞击空气中的分子和原子，将其中的电子撞击出来，产生了离子和自由电子。

在电场的作用下，阳离子向阴极碰撞；阴离子和自由电子向阳极碰撞。

这样碰撞的结果，在两电极间产生了高热，并且放射强光。

电弧是由阴极区（位于阴极）、弧柱（其长度差不多等于电弧长度）和阳极区（位于阳极）三部分所组成。

阴极区和阳极区的温度，主要取决于电极的材料。

一般地，随电极材料而异，阴极区的温度大约为2400K—3500K，而阳极区大约为2600K—4200K，中间弧柱部分的温度最高，约为5000K—8000K。

焊接接头包括焊缝和热影响区两部分金属。

焊缝金属是由熔池中的液态金属迅速冷却、凝固结晶而成，其中心点温度可达2500℃以上。

靠近焊缝的基本金属在电弧的高温作用下，内部组织发生变化，这一区域称为热影响区。

焊缝处的温度很高，而稍稍向外则温度迅速下降，热影响区主要由不完全熔化区、过热区、正火区、不完全正火区、再结晶区和蓝脆区等段组成，热影响区的宽度在8—30 mm范围内，其温度从底到高大约在500 ℃--1500℃之间。

金属结构内部由于焊接时不均匀的加热和冷却产生的内应力叫焊接应力。

由于焊接应力造成的变形叫焊接变形。

焊缝宏观分析报告引言焊接是一种常见的连接金属的方法。

作为连接金属的重要工艺，焊接的质量直接影响到焊接件的性能和使用寿命。

焊缝是焊接后形成的连接点，其质量是判断焊接质量的重要指标之一。

本报告旨在对焊接过程中的焊缝进行宏观分析，通过分析焊缝的形态、大小、变形等特征，评估焊接质量和性能。

焊缝形态分析焊缝形态是指焊缝在截面上的形状和结构特征。

常见的焊缝形态有直线形、弯曲形、锁口形和角焊缝等。

通过观察焊缝形态可以初步了解焊接过程中的熔融和凝固情况。

直线形焊缝直线形焊缝是最简单的一类焊缝形态。

其焊缝呈直线形状，截面宽度均匀，没有明显的偏差或变形。

直线形焊缝通常表明焊接过程中热输入和能量分布均匀，焊接过程稳定。

弯曲形焊缝弯曲形焊缝在截面上呈弯曲状，可能由于焊接过程中的外力作用或焊接材料的变形引起。

弯曲形焊缝需要进一步分析引起焊缝弯曲的原因，例如是否是由于焊接过程中的温度变化或应力集中引起的。

锁口形焊缝锁口形焊缝在截面上呈锁口状，呈现出凸起的形态。

锁口形焊缝通常是由熔融金属在凝固过程中的收缩引起的。

锁口形焊缝可能会降低焊接件的强度和密封性能，需要注意焊接参数的控制。

角焊缝角焊缝是在两个相交板材之间形成的焊缝。

角焊缝的有效截面尺寸通常是焊接过程中的重要参数之一，需要关注角焊缝的宽度和高度等尺寸特征。

角焊缝的尺寸对焊接质量和载荷传递能力有重要影响。

焊缝大小分析焊缝大小指的是焊缝在截面上的尺寸大小。

焊缝大小直接影响到焊接件的强度和密封性能，是焊接质量评估的重要指标。

焊缝宽度焊缝宽度是指焊缝在截面上的最大宽度。

焊缝宽度的大小受到焊接电流、焊接速度、焊接材料和焊接条件等因素的影响。

合理控制焊缝宽度可以保证焊接质量。

焊缝高度焊缝高度是指焊缝在截面上的最大高度。

焊缝高度会受到焊接电流和焊接速度的影响，过高的焊缝高度可能导致焊接过程中的热输入不均匀，影响焊接质量。

焊缝深度焊缝深度是指焊缝在板材厚度方向上的最大深度。

焊缝深度的大小对焊接质量和强度有重要影响。