焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析

基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究一、本文概述随着现代工业技术的飞速发展，焊接作为一种重要的连接工艺，在航空、汽车、船舶、石油化工等领域的应用日益广泛。

然而，焊接过程中产生的温度场和应力场对焊接结构的性能有着至关重要的影响。

为了深入理解焊接过程中的热-力行为，预测焊接结构的变形和残余应力，进而优化焊接工艺参数和提高产品质量，本文旨在利用ANSYS有限元分析软件，对焊接过程中的温度场和应力场进行数值模拟研究。

本文首先简要介绍了焊接数值模拟的意义和现状，包括焊接数值模拟的重要性、国内外研究现状和存在的问题等。

随后，详细阐述了ANSYS 软件在焊接数值模拟中的应用，包括其基本原理、分析流程、模型建立、参数设置等方面。

在此基础上，本文以某典型焊接结构为例，详细阐述了焊接温度场和应力场的数值模拟过程，包括模型的建立、边界条件的设定、求解参数的选择、结果的后处理等。

对模拟结果进行了详细的分析和讨论，验证了数值模拟方法的准确性和可靠性，为实际工程应用提供了有益的参考。

本文的研究不仅有助于深入理解焊接过程中的热-力行为，为优化焊接工艺参数和提高产品质量提供理论支持，同时也为ANSYS软件在焊接数值模拟领域的应用推广和进一步发展奠定了基础。

二、焊接理论基础焊接是一种通过加热、加压或两者并用，使两块或多块金属在原子层面结合形成永久性连接的工艺过程。

焊接过程涉及复杂的物理和化学变化，包括金属的熔化、凝固、相变以及应力和变形的产生等。

因此，深入了解焊接过程的理论基础对于准确模拟焊接过程中的温度场和应力分布至关重要。

焊接过程中，热源将能量传递给工件，导致工件局部快速升温并熔化。

熔池形成后，随着热源的移动，熔池中的液态金属逐渐凝固形成焊缝。

焊接热源的类型和移动速度、工件的材质和厚度等因素都会影响焊接过程的温度场分布。

为了准确模拟这一过程，需要了解各种热源模型（如移动热源模型、体积热源模型等）及其适用范围，并选择合适的模型进行数值模拟。

焊接过程中应力与变形控制摘要焊接应力与变形是直接影响焊接结构性能、安全可靠性和制造工艺性的重要因素，了解其作用与影响，采取措施进行控制与消除，对于焊接结构的完整性设计和焊接工艺方法的选择以及产品在运行中的安全评定都有重大意义。

关键词焊接应力；焊接变形；规律；控制焊接是一种特殊而又重要的加工工艺，随着焊接技术的发展，一个重要技术课题是控制焊接件的焊接变形以提高产品制造精度，使焊件焊后加工量减少或不加工即可用于精度要求高的机械产品中，因此，了解焊接应力产生机理，掌握结构件焊接变形规律，在焊接工艺中采取措施进行控制和消除，从而保证焊接质量。

1 焊接应力1.1 焊接应力产生机理及影响因素焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接应力与变形的决定因素，焊接热输入引起材料不均匀局部加热，使焊缝区融化，而与熔池毗邻的高温区材料的热膨胀则受到周围材料的限制，产生不均匀压缩塑性变形，在冷却过程中，已发生压缩变形的这部分材料又受到周围条件的制约，而不能自由收缩，在不同程度上又被拉伸而卸载；与此同时，熔池凝固，金属冷却收缩也产生相应的收缩应力与变形，使得焊接接头区产生不协调的应变，称为初始应变或固有应变。

与此相对应，在构件中会形成自身相平衡的内应力，通常称为焊接应力；而焊后，在在室温条件下，残留于构件中的内应力场和宏观变形，称为焊接残余应力与焊接残余变形。

焊接应力与焊接材料（主要包含材料特性、热物理常数及力学性能）、焊接接头形状和尺寸、焊接工艺参数，焊接结构（结构形状、厚度及刚性）有关。

1.2 焊接应力的分类1.2.1 接应力在焊件空间位置一维空间应力沿着焊件—个方向作用；二维空间应力应力在—个平面内不同方向上作用；三维空间应力应力在空间所有方向上作。

1.2.2 按产生应力的原因（1）热应力它是在焊接过程中，焊件内部温差所引起应力，随着温度的消失而消失，并且是引起热裂纹的力学原因。

（2）相变应力焊接过程中，局部金属发生相变，相比容增大或减小而引起的应力。

有限元计算在钢结构制造中的应用文章运用有限元计算软件ANSYS和ABAQUS，针对现代钢结构制作过程中的焊接变形、吊装、运输等工序进行有限元模拟分析，合理简化计算模型，求得的应力、应变等计算结果指导现场施工，减少现场工作量，保证制造质量。

标签：钢结构；有限元；计算模型1 有限元方法及软件介绍有限元法可以称为有限单元法或有限元素法，基本思想是将物体（即连续求解域）离散成有限个且按一定方式相互连接在一起的单元组合，来模拟和逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题求解的数值分析法。

完整的有限元分析必须包含三个方面内容：有限元方法的基本数学力学原理、基于原理形成的实用软件和使用软件时必须配备的计算机硬件。

有限元分析过程可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。

前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。

目前，通用的有限元计算软件主要有ANSYS、ADINA、ABAQUS、SAP、ALGOR等，其中，ANSYS软件在致力于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源的利用和用户界面开发等方面做出了很大的贡献，ABAQUS软件则致力于更复杂和深入的工程问题，其强大的非线性分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可，文章就以ANSYS软件和ABAQUS软件为例，介绍有限元计算在钢结构制造中的应用情况。

2 有限元计算在钢结构制造中的应用有限元计算在钢结构制造中应用广泛，计算内容包括热分析、焊接变形分析、静力结构分析、动力学分析、疲劳计算等。

实际生产过程中，焊接变形分析和静力学分析运用最多，下面举例介绍钢结构项目的焊接变形分析和大型构件的整体吊装分析。

2.1 焊接变形分析北京某钢桥主塔为三维异形门式结构，钢塔所有壁板均为三维曲面，钢索塔截面从塔底13.8m×12m渐变到塔顶3m×5m，钢箱塔柱截面采用矩形空心箱。

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。

基于ANSYS Workbench的钢管柔性连接有限元分析杨佩东【摘要】针对钢管对接环焊时,焊接工序复杂、焊缝可能会产生裂纹等缺点,设计了一种新型钢管柔性对接方式.采用solidwoks三维绘图软件建立实体模型,并应用ANSYS Workbench有限元分析软件对钢管实际工况进行仿真,对O型密封圈采用二参数Mooney-Rivlin超弹性材料模型并应用第四强度理论进行计算,得出钢管所承受的最大等效应力为55 MPa、最大径向应力为10.4 MPa、最大轴向应力为13.9 MPa,最大等效应变为2.96×10-4 mm.分析结果表明,钢管采用柔性对接时,钢管所承受的应力和应变均在许用范围之内,满足强度要求,不会出现泄露现象.说明该柔性连接方式安全可靠.【期刊名称】《焊管》【年(卷),期】2019(042)003【总页数】4页(P38-41)【关键词】钢管;柔性连接;有限元分析;ANSYSWorkbench【作者】杨佩东【作者单位】山西工程职业技术学院,太原030009【正文语种】中文【中图分类】TG495随着我国西气东输、南水北调工程的实施，管道已经在我们生活当中扮演着越来越重要的角色，目前我国输水管线用管有球墨铸铁管、玻璃钢管、PCCP 管等。

这些管材中，钢管具有突出的性能。

通常钢管之间采用焊接对接方式。

由于焊接对接钢管的连接方式存在成本较高、现场焊接时难以保证焊接质量、遇到土层沉降时易产生焊缝开裂等缺点，目前发达国家已采用钢管柔性连接的方式进行钢管对接。

钢管的柔性连接不仅制造成本低，且具有良好的工作性能，已在国外得到了广泛的应用[1-2]。

本研究设计了一种以O 型密封圈为柔性接口的连接方式，通过solidworks 三维绘图软件建立实体模型，然后导入ANSYS Workbench 有限元分析软件对其进行应力、应变分析。

1 建立几何模型本次研究模型以DN500 钢管为例，其壁厚选择为 5 mm，采用Φ610 mm×65 mm 的 O 型密封圈进行密封。

焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析1.1 焊接变形与焊接应力焊接时，加热和冷却循环总会导致一定程度的变形，焊接变形对尺寸稳定性以及结构力学性能都有很大的影响，控制焊接变形在焊接加工中是一个关键的任务。

在钢结构焊接中，焊接工艺会使构件温度场产生不均匀变化，从而在构件中产生复杂的残余应力分布。

残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。

对构件进行焊接，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。

焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力，称为焊接残余应力。

并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。

1.2 Ansys有限元焊接分析为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以及焊接后构件变形及残余应力分布分析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与残余应力进行了分析。

ANSYS有2种方式来考虑热分析与力学分析之间的耦合,即直接耦合和间接耦合。

间接耦合法的处理思路为先进行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形。

即：(1)使用热分析的手段进行热分析，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此处为瞬态分析。

(2)重新进入前处理中,将热分析单元转换为相应的结构分析单元，设置结构分析中材料属性,如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。

影响焊接应力和焊接变形的因素及控制措施摘要：本文主要探讨了电站管道焊接过程中常见的焊接变形和焊接应力产生的主要因素，以及焊接变形和焊接应力的控制措施，希望对以后的焊接工作有一些帮助。

关键词：焊接变形，焊接应力，热循环，焊接工艺，控制目前火力发电朝着大容量机组发展，来满足日益增长的用电需求和达到节能减排的重要目标。

而在火电建设事业中，焊接技术成了一个关键的课题。

在施工过程中，由于焊接产生的焊接变形和残余应力，严重影响着工程的质量、安装进度和使用性能。

增大了电厂运行的安全隐患。

因而，急需分析其产生的原因，并积极采用合理的方法予以控制。

焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热循环过程，由于不均匀的温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力并引起焊接变形。

焊接应力与变形对接头的性能有着较大影响，使得焊件强度、韧性下降。

因此将对焊接变形产生原因及其影响因素进行分析，针对不同的焊接施工过程特点，采取不同的措施进行处理，以达到降低或消除焊接变形的目的。

1、影响焊接变形的因素及控制措施1.1焊缝截面积的影响焊缝截面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向，横向的影响趋势是一致的，而且是主要的影响。

因此，在壁厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。

1.2焊接热输入的影响一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。

1.3焊接方法和焊接工艺参数的影响不同焊接方法引起的收缩量也不同。

当焊件的厚度相同时，单层焊的纵向收缩比多层焊收缩大，这是因为多层焊时，先焊焊道冷却后阻止了后焊焊道的收缩。

焊接工艺参数的影响主要为线能量。

一般规律是，随着线能量的增加，压缩塑性变形区扩大，因而收缩量增大。

1.4接头形式的影响在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方法等因素条件相同时，不同的接头形式对纵向、横向变形量有不同的影响。

在电站管道焊接中，接头形式一般是对接接头并且是单面焊双面成型。

第 3 讲 焊接应力与变形金属结构在焊接过程产生各式各样的焊接变形和大小不同的焊接应力。

若焊件在焊接时 能自由收缩，则焊后焊件的变形较大，而应力较小，如果由于外力的限制或自身刚性较大， 焊件不能自由收缩， 则焊后焊件的变形较小而应力较大。

在实际生产中， 焊后总会产生一定 的变形，并存在一定的焊接残余应力，变形和应力两者在焊接时同时产生。

3.1 焊接应力及变形产生的原因和影响因素3.1.1 焊接应力与焊接变形的概念物体受到外力作用时， 在其单位截面积上所受的力称为应力。

当没有外力存在时， 物体 内部所出现的应力称为内应力。

内应力在物体内部是相互平衡的，如物体内有拉伸内应力， 就必然有压缩内应力，这是内应力的重要特征。

在焊接过程中，由于不均匀加热和冷却，使 焊件内部产生的应力， 称为焊接内应力， 又名焊接残余应力， 过大的焊接应力能引起焊件或 焊缝产生裂纹，降低结构承载能力，并使结构在腐蚀介质中产生应力腐蚀。

当物体受到外力作用时，它的形状发生变化，这种形状变化称为变形。

当外力消失后， 物体形状恢复原样， 这种变形称为弹性变形； 如果物体所产生变形在外力消失后不能恢复原 状，这种变形称为塑性变形。

在焊接应力的作用下， 结构所产生的形状和尺寸的变化称为焊 接变形， 它造成下一道工序施工困难， 为矫正焊接变形往往要消耗很多人力和物力， 严重的 焊接变形， 会影响结构承受外力的能力和使用性能， 甚至因变形严重无法矫正而报废。

因此 焊工必须了解焊接应力、 变形的规律， 掌握减少焊接应力和控制焊接变形的措施， 以保证结 构的焊接质量。

3.1.2 焊接应力与焊接变形的形成产生焊接应力和变形的原因很多，下面分析一下其中的主要原因。

1. 焊接时焊件不均匀加热由于焊接时局部加热到熔化状态， 形成焊件上温度不均匀分布。

下面来看看由手工电弧 焊温度不均匀分布而引起的焊接应力和变形的过程。

设有一块钢板，沿边缘进行堆焊，见图 3-1。

焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析1.1 焊接变形与焊接应力焊接时，加热和冷却循环总会导致一定程度的变形，焊接变形对尺寸稳定性以及结构力学性能都有很大的影响，控制焊接变形在焊接加工中是一个关键的任务。

在钢结构焊接中，焊接工艺会使构件温度场产生不均匀变化，从而在构件中产生复杂的残余应力分布。

残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。

对构件进行焊接，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。

焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力，称为焊接残余应力。

并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。

1.2 Ansys有限元焊接分析为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以及焊接后构件变形及残余应力分布分析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与残余应力进行了分析。

ANSYS有2种方式来考虑热分析与力学分析之间的耦合,即直接耦合和间接耦合。

间接耦合法的处理思路为先进行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形。

即：(1)使用热分析的手段进行热分析，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此处为瞬态分析。

(2)重新进入前处理中,将热分析单元转换为相应的结构分析单元，设置结构分析中材料属性,如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。

焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析1.1 焊接变形与焊接应力焊接时，加热和冷却循环总会导致一定程度的变形，焊接变形对尺寸稳定性以及结构力学性能都有很大的影响，控制焊接变形在焊接加工中是一个关键的任务。

在钢结构焊接中，焊接工艺会使构件温度场产生不均匀变化，从而在构件中产生复杂的残余应力分布。

残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。

对构件进行焊接，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。

焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件的应力，称为焊接残余应力。

并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的应力场。

1.2 Ansys有限元焊接分析为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以及焊接后构件变形及残余应力分布分析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与残余应力进行了分析。

ANSYS有2种方式来考虑热分析与力学分析之间的耦合,即直接耦合和间接耦合。

间接耦合法的处理思路为先进行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形。

即：(1)使用热分析的手段进行热分析，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此处为瞬态分析。

(2)重新进入前处理中,将热分析单元转换为相应的结构分析单元，设置结构分析中材料属性,如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。

焊接变形和焊接应力焊接变形和焊接应力焊接是一种局部加热的加工方法，热源集中在焊缝处加热，因而造成焊件上温分布不均匀，最终导致在焊接结构内部产生了焊接变形与焊接应力。

一、焊接变形1. 焊接变形的概念由焊接而引起的焊件尺寸和形状的改变称为焊接变形。

焊接过程结束后，残国在焊接结构中的变形，称为焊接残余变形。

本书中提到的焊接变形指的是焊接残余变形。

2. 焊接变形的类型及产生原因焊接变形可分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等几种形式焊件局部（焊缝和焊缝附近的金属）不均匀加热和冷却是产生焊接变形的根本用因。

焊接时，加热是通过移动的高温电弧热源进行的，焊缝和焊缝附近的金属温度很高，受热金属要膨胀，其余大部分金属不受热，受热金属的膨胀受到阻碍和抑制，生了压缩塑性变形。

焊完冷却后，焊缝和附近的金属因收缩而变短，却又受到周围受热金属的限制，就使焊件产生了内应力，以致产生变形。

各类焊接变形的具体原因各不相同，与焊缝在焊件中的位置、加热方法、焊接序等因素密切相关。

焊接变形的类型及产生原因见表2-3-7。

3. 预防和矫正焊接变形的方法及措施（1）预防焊接变形的方法及措施预防焊接变形可以从焊接结构设计和焊接工艺两方面进行。

在焊接结构设计时要在保证结构有足够强度的前提下，尽量减小焊缝的数量和尺寸;对称布置焊缝;必要时预先留出收缩余量;采用冲压结构代替焊接结构;将焊缝布置在最大工作应力之外等。

预防焊接残余变形的工艺措施主要有∶1）选择合理的装配焊接顺序。

装配焊接顺序对焊接结构变形的影响很大。

对称焊接、不对称焊缝先焊焊缝少的一侧和减少长道直焊缝等都可以很大程度上减少焊接变形量。

如图2-3-13所示的工字梁，当采用1、2、3、4的焊接顺序时，虽然结构的焊缝对称，焊后仍将产生较大的上拱弯曲变形，但如果改为将工字梁1、2焊缝的长度分成若干段，采取分段、跳焊的对称焊接，先焊完总长度的60%～70%，然后将工字果翻转180°焊接3、4焊缝，也采取分段、跳焊的对称焊将3、4焊缝全部焊完。

第五节焊接结构中的应力与变形在焊接生产中，焊接应力与变形的产生是不可避免的。

焊接过程结束，焊件冷却后残余在焊件的内应力即焊接残余应力往往是造成裂纹的直接原因，同时也降低了结构的承载能力和使用寿命。

焊接后产生的变形即焊接残余变形造成了焊件尺寸、形状的变化，这给正常的焊接生产带来一定困难。

因此，在焊接生产中的一项重要任务就是控制焊接残余应力和焊接残余变形。

一、焊接残余应力1．焊接残余应力的产生及其对焊接结构的影响焊接时，不均匀地加热与冷却是产生焊接残余应力的主要原因。

以低碳钢（20钢）为例，在加热时，随着温度的升高，特别是在300℃以上的温度时其强度迅速降低。

当温度达到600℃左右时，屈服便接近于零（图6-5)。

焊接过程中由于加热的不均匀，在高温时，金属的屈服为零的情况下，处于自由变形状态。

当焊接热源移开后，金属恢复强度时其收缩变形受到周围金属的限制，同时组织转变过程中又发生体积的变化，从而产生了焊接残余应力。

一般来说，在焊接条件下主要存在下面几种应力。

图6-5低碳钢屈服与温度的关系---实测曲线一简化曲线(1)温度应力温度应力又称热应力，它是由于金属受热不均匀，各处变形不一致且互相约束而产生的应力。

焊接过程中温度应力是不断变化的，且峰值一般都达到屈服点，因此必然发生塑性变形。

焊接结束冷却后，也必然有残余应力保留下来。

(2)组织应力焊接过程中，金属组织进行相变时将产生体积变化，主要是由于各种组织具有不同的热物理性能（表6-5）。

当焊缝金属从高温冷却，奥氏体分解时产生的铁素体、珠光体、马氏体等都会产生体积膨胀，转变后的这些组织都具有较小的膨胀系数。

奥氏体分解产生的体积膨胀并不是在自由状态下进行的，而是受到周围金属的约束。

同时，由于焊接的不均匀加热与冷却，因此组织的转变也是不均匀的，结果产生了应力。

对于低碳钢和一些低合金高强钢焊后冷却时，奥氏体分解为珠光体和贝氏体的温度较高的低碳钢的相变点为723℃），此时金属呈好的塑性，奥氏体转变时发生的体积变化阻力很小，因此不会造成很大的应力。

ANSYSMechanical在焊接仿真中的应用ANSYSMechanical在焊接仿真中的应用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。

科学技术创新2021.141焊接温度场的分析理论在焊接过程中，焊接热输入和热传导对冶金过程、固态相变、组织性能和应力应变等都有重要的影响。

焊接是一个局部快速加热，然后部分熔化或者产生相变，并迅速冷却的过程。

随着焊接热源的移动，焊接部位温度场急速变化，材料的热学性能也急剧变化。

因此，焊接温度场分析属于典型的非瞬态热传导问题。

2热源模型在进行焊接温度场的数值计算时，研究人员通常把焊接热源简化为具有某种分布规律的热流密度函数，用于计算不同焊接过程的温度场。

在现有数值模拟过程中通常采用的热源模型有三种：高斯热源、双椭圆高斯热源、双椭球热源，在Marc 中采用的是Goldak 提出的双椭球热源模型，此模型中热流密度沿长轴呈高斯分布前半部分是1/4椭球，后半部分是3/4椭球。

3焊接应力场理论材料处于弹性或者塑性状态的应力应变为:式中：{D}为弹性或弹塑性矩阵;{C}为与温度有关的向量。

在塑性区，设材料屈服条件为：f （σ）=f 0（εp ，T ）式中：f 为屈服函数;f 0为与温度和塑性应变有关的屈服应力的函数。

4求解流程基于有限元软件MSC.MARC 的温度场和应力场分析流程图如图1所示。

5薄板焊接的有限元模型建立薄板焊接过程模拟计算所采用的焊板尺寸为1200mm*200mm*6mm,焊板由两块600mm*200mm*6mm 钢板焊接而成，为保证焊透，在钢板焊接边上加工600坡口。

5.1建立有限元网格模型5.1.1生成几何平面，全过程如下:MESH GENERATIONCURVESADD依次输入特殊点的坐标，则点将自动连成线，最后构成了对接接头的焊接模型面。

面分为三个部分：两块母材区和焊缝区，如图2所示。

图1有限元法分析焊接温度场和应力场流程图2几何平面5.1.2生成二维平面单元，具体过程如下：5.1.2.1设置种子点。

需注意的是设置种子点时应使焊缝附近区域的点分布相对密集，离焊缝远的区域分布相对稀疏。

因为无论是温度场还是应力场的分析计算对象都主要是焊缝及其附近区域。