焊接变形与残余应力的预测
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焊接变形和残余应力的基本原理
在焊接由焊接产生的动态应力应变过程及随后出现的残余应力和残余变形是导致焊接裂纹和接头强度和性能下降的重要因素。
焊接应力和焊接变形由焊接过程中的不均匀加热引起,由于其形成原因复杂多变,而且完全不可确定,因此我们只能通过总结焊接应力与变形的产生和存在的一般规律以及大家总结出原来的施工经验,对即将进行的工程构件焊接情况进行分析和预测。
焊接应力与焊接变形存在一定的关系,当焊接应力完全释放的时候焊接变形达到最大值;当焊接结构处于完全刚性的时候,几乎可以完全控制焊接变形,而此时由于无法进行应力释放,焊接残余应力将达到最大值。
如何选择和理的焊接结构、焊接方法、焊接材料和焊接工艺,以取得最佳的焊接残余应力和焊接变形状态时钢结构焊接的重要课题。
焊接变形和残余应力的常用计算方法
焊接应力与变形的形成原因极为复杂,因为直接影响应力与变形的金属材料的力学性能和热物理性能随着温度的变化而变化,而起决定作用的焊接温度场又因焊接接头的形状和尺寸、焊接工艺参数等的变化而变化。因此在计算焊接应力与焊接变形时,常常作出一些假定和简化,从而从最简单焊接的分析入手,并推断出结论。
目前常用的预测焊接变形的方法主要有残余塑变解析法、三维实体单元固有应变有限元法、板壳单元固有应变有限元法,以及热弹性有限元法等。
残余塑变解析法仅适用于简单构件、规则梁,计算过程需要经验及试验数据的累积,分析焊接构件几何参数及焊接规范参数,在本工程中适用于梁柱对接的应力分析。
三维实体单元固有应变有限元法主要适用于实体复杂结构,在本工程中适用于主要节点的焊后构件变形,需要划分网格、加载固有应变后进行三维弹性分析。
板壳单元固有应变有限元法适用于薄壁复杂结构,在本工程中可应用性不大。
对于整体结构的焊接变形预测,需要使用热弹塑性有限元法进行分析,计算步骤为:划分网格、模拟焊接温度场、热弹塑性分析,其计算过程需要跟踪焊接热力学的全部过程,计算量极大、计算时间很长,在目前的短时间内不可能得到准确的结果。
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机柜焊接变形应力分析及加工技巧
作者：廖红玲
来源：《中国科技博览》2013年第26期
摘要：随着信息科技的高速发展，计算机等IT设备与人们的生活越来越密不可分，作为IT设备的载体----各类通信机柜的市场需求量越来越大。机柜的焊接技术也被更多的人所熟知，不过，其中焊接变形应力却一直是人们不得不面对的一个难点，在焊接操作的过程中由于柜体结构、材料的受热不均等一系列因素，极易产生变形应力，本篇文章便是从机柜的焊接变形应力分析入手，结合以往的实践经验，探讨解决的办法及加工技巧。
关键词：机柜焊接 变形应力 加工技巧
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-416-02
1、机柜焊接的意义
在机柜制造行业中，焊接结构的柜体随处可见。焊接是一种被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。焊接技术的广泛应用可以实现以下设计理念：
1.1. 结构多变、外形美观：可以实现机柜功能需求多样与外形多变的完美结合；
1.2. 强度可靠、成本降低：可以实现不同厚度、不同截面形状的零件合理搭配，大大降低机柜用料成本。
2、焊接变形应力的分析
在日常的焊接作业中，极易产生焊接变形与焊接应力，从而影响机柜的质量与作业进度，因此，一定要在作业的过程中将焊接变形与焊接应力控制在最小的范围内，才能有效的保证作业的有序进行以及机柜质量的完美体现，从而不影响其在运行中产生各种各样的问题。
2.1焊接变形应力产生的原因
2.1.1. 局部加热引起：焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后都需要消除焊接应力，矫正焊接变形。焊接时局部不均匀的热输入是焊接产生应力变形的根本原因。焊缝热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区熔合，而与熔池相近的高温区材料的热膨胀受到了外界的限制，从而产生不均衡的压缩变形，冷却中已发生压缩塑性变形的这部分材料又受到周围条件的影响，不能自由伸缩，又不同程度的压缩卸载，同时，熔池凝固，金属冷却也会产生焊接应力变形。 龙源期刊网
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程
1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。
传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。
ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。
2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。在焊接分析中，常用的数值方法包括：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。
差分法：差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。
大型结构件焊接工艺分析及焊接变形的预处理
焊接是钢结构制作过程中至关重要的部分，可以说焊接的质量决定了钢构件的质量。本文简要阐述了工程机械大型结构件焊接特点及常规焊接工艺，并且以钢构件制造过程中的焊接变形问题为研究对象，首先简要分析了焊接结构件制造过程中产生焊接变形的主要机理，进而通过结合实际案例的方式，研究了桁架结构焊接变形的有效控制方法，就如何提高焊接结构件的焊接质量和效率的工艺做简单的分析。
标签：钢结构；焊接变形；工艺；控制方法；
焊接过程影响了钢构件的质量，影响了焊接变形预测及控制。分析零件的结构特点、工艺等，对大型焊接件的核心工艺进行初步规划具有重要意义。同样控制焊接变形尤为重要。焊接变形产生的主要原因在于：在焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。焊缝金属冷却时，当它由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩，这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。
在当前技术条件支持下，焊接变形是各类钢结构制造过程中最为普遍的问题。为尽可能的保障钢结构产品的制造质量，就需要针对钢结构制造过程中的焊接变形问题进行严格且有效的控制。本文试针对以上相关问题做详细分析与说明。
1大型焊接构件特点及常规焊接工艺
1.1大型焊接构件特点
大型焊接结构件所使用到的板材一般为中厚板，主要板厚约均在10mm及以上。大多数情况下主要利用板材进行拼接，其结构通常较复杂，焊缝要求精度高。在大型焊接结构件中，除了一般的角焊缝还有熔透焊接的情况较多，对于角焊缝通常只检查焊缝的焊接形态和质量，但对于主要的受力结构件需要检查表面裂纹和焊缝缺陷，采用磁粉探伤或者超声波探伤。
1.2常规焊接工艺
常规的焊接工艺包括①焊接件的准备，即下料。通常在制造公司采用数控切割机和剪板机下料。薄板（20mm厚以下）通常用等离子切割，中厚板采取火焰切割。薄板件通常采用压力机校准；中厚板采用专用的板材矫平机校准。折弯的时候采用专用折弯机。②组对点焊：指确定各焊件位置点焊固定，人工放样画线的方法使各个焊件按其对应的位置关系组成一个整体。工件数量较大时可采用机器人焊接。
