兰州石化职业技术学院
论焊接应力变形
姓名：王修亮
单位：延边工业学校 培训专业：焊接技术
时间：2013.4.22——2013.7.6
关于焊接应力应变问题的分析与探讨
摘要：传统的观点认为在焊缝及近缝区存在着残余压缩塑性应变，而近几年有学者提出焊缝不存在残余压缩塑性应变，只存在拉伸应力和应变，在焊后焊缝当中不可能存在残余压缩塑性变形，从而对消除残余应力的方法进行了重新论述，现根据这种新的观点及消除残余应力的若干问题，通过对接焊缝的数值模拟来验证这种新观点是否正确，并就消除残余应力应变问题针对一些矛盾的观点进行分析和讨论。
关键词：残余应力，应变，数值模拟
Analysis and Discussion About Forming Mechanism of Welding Residual Stress and Correlation Problem
Yang Jiangguo Zhang Xueqiu Liu Xuesong Fang Hongyuan
(State Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001)
Abstract: Residual compressive plastic strain presents in the weld and heat affected zone from traditional views，but some scholars put forward that no residual compressive plastic strain lies in the weld, only tensile stress and strain, therefore no compressive plastic distortion is produced and think methods of removing the residual stress should be discussed renewedly. Basing on the new viewpoint and some problem of removing residual stress, numerical simulation of welding is adopted to analyse the inconsistent views.
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图1 低碳钢板焊接纵向应力应变分布
Fig. 1 Longitudinal stress and strain distribution patterns
［２］［３］
伸抵消一部分，但焊后仍残留部分压缩塑性应变，称为残余压缩塑性应变。并用来分析
和预测焊接残余应力和变形。从而可以看出传统的观点，无论是尼古拉也夫Г﹒А院士还是H. O. 奥凯尔勃洛姆和C. A 库兹米诺夫，都认为焊缝存在压缩塑性变形。近几年，沈阳金属所的王者昌研究员提出了一种新的观点认为“对于焊缝金属来说，并不存在加热阶段。在冷却过程中除相变外，都受到拉伸，也就是说不存在压缩，更不会出现压缩塑性变形。”究竟是传统的残余压缩塑性应变理论正确还是王者昌研究员的观点正确，现以低碳钢对接焊缝的数值模拟来分析和验证焊缝的残余应力和残余压缩塑性应变的正确性。
1、对接焊缝的数值模拟
过去人们在研究焊接应力与应变方面大多采用解析法，但是由于该方法是基于平截面假设的前提下，并简化了诸多条件和因素，进行了多种假设后而进行的计算，掩盖了许多现象，伴随着计算机技术在焊接研究中的广泛应用，以数值模拟的方法来分析焊接应力应变及预测焊接变形已经成为了一种主要手段，虽然焊接数值模拟技术是从解析法发展起来的，但其可以定量地分析焊接行为的整个动态变化，能够近于准确地演示热弹塑性应力和应变非线性变化的复杂变化过程，由于数值模拟技术在近30年来取得的进展及在研究焊接问题上受到的认可，现在就采用数值模拟的方法来分析一下熔化焊焊缝及近缝区应力和应变情况。
传统的残余压缩塑性应变的观点一直假设是线热源对焊缝一起加热或认为焊缝本身作为待熔化金属的一部分，焊接不过是在已存在的焊缝上面加热而并不熔化来研究焊缝的应力和应变问题，
从而使得出的残余压缩塑性应变理论受到了质疑，新观点认为加热了却不熔化，这种过程不能称为焊接，即提出了必须考虑实际焊接情况，因此有了焊接应力与应变问题上的争议，问题的提出很有实际意义，为了验证熔化焊焊缝及近缝区在焊接过程中应力和应变情况，对薄板熔焊对接接头进行了数值模拟，模拟试件材料采用Q235钢作为焊接母材，尺寸为500×160×3mm，应用的模拟软件为MSC.Marc，因焊接接头的几何对称性，取宽度方向一半建立有限元模型。焊缝及近缝区网格划分较密，而远离焊缝的母材边缘网格变疏，共24743个节点，16000个单元，模型见图2。力学分析中，由于结构的对称性，不允许垂直于对称平面的位移，其它约束的施加防止刚体转动即可。因为焊接过程的复杂性，采用小位移、小应变的弹塑性增量理论进行焊接残余应力的计算。材料的物性参数与力学参数随温度而变，属于材料非线性。材料的屈服判据用Von Mises屈服准则，塑性区上的行为服从流变法则，同时假设:材料各向同性;不考虑粘性和蠕变的影响。材料遵循线性硬化模式。从图3可以
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图2 有限元模型
Fig2. finite element model of welding joint 图3. 冷却后焊接接头的纵向塑性应变
Fig3. longitudinal plastic strain of weld joint after cooling
看出，薄板熔焊对接接头冷却后，焊缝及近缝区纵向存在着残余压缩塑性应变，验证了传统观点的正确性。
2、焊接残余应力与应变问题分析与讨论 2．1焊缝的残余压缩塑性应变与加热过程的联系
文献5在讨论应力和应变的分布时指出：“焊缝一直承受拉伸应变,在温度降到力学熔点以前,这种应变一直是拉伸塑性应变。当温度降到力学熔点以后,焊缝开始出现弹性拉伸应变和拉应力。可以看出,焊缝从凝固温度降到室温的全过程中不存在压应力和压应变,更不存在压缩塑性变形。至于熔池前沿升温膨胀产生的压缩塑性应变和变形,因为焊缝尚未形成,故不能算作焊缝的压缩塑性变形。”提出了与传统观点不同的说法，文献作者认为：传统的观点忽略了一个最基本的事实，即板中心区(焊缝及近缝区) 处于冷却过程，而不是加热过程，在这两个过程中，应力应变发展过程是不同的， 并提出了另一种观点，因而认为焊接时焊缝是否存在压缩塑性变形以及随之而来的消除应力原理问题尚待研究。文献5认为焊缝的形成仅与冷却过程有关，而与加热过程没有关系，而没有考虑加热阶段，但是焊缝的形成是有多种因素综合作用的结果， 加热过程是焊缝形成的一个必要条件。是焊接行为的整个过程才积淀了最后的残余压塑塑性应变，残余压缩塑性应变是这一过程中的最终结果，如果只而不是Tm →0形成的才是焊缝，而要考证这一结果就要考虑势必有些片面。热影响区内金属所产生的压缩塑性变形是始终存在的，其对焊接应力与变形的形成同样有重要的贡献。为了验证加热过程对残余压缩塑性应变是否有影响，利用图2所示有限元模型，只改变材料的加