冷却后等效残余应力700600500400300200100015913172125293337414549焊缝纵向节点数
图3-10
从图3-9可以看到，焊接时方案1方案2方案3的等效应力的最小值都处在熔池中心，此时等效应力大概在60MPa；熔池前方温度上升，金属体积膨胀对熔池进行挤压，所以产生了压应力；熔池后方温度下降，金属体积收缩对熔池有一个拉伸的作用，所以产生了拉应力；在远离焊缝的部分由于熔池的受热膨胀，从而产生压应力；在熔池前端，受周围母材拘束作用不能自由膨胀而产生等效应力值有突然的增大。总之等效应力峰值随着焊接的进行与热源同步向前移动，他们的共同点是，热源所在部分（也就是熔池部分）应力值最低，而熔池前端的热应力有很大的增加。
从图3-10可看到平板在焊后完全冷却后的等效残余应力分布曲线。方案1方案2方案3均在焊缝中段部分都有较大的残余应力约为600Mpa左右，其中方案2的残余应力最大；同时三方案在靠近焊缝两端处应力值均较小到一个最小值，其中方案1、3在两端处又突然升高到较大的应力值，而方案2没有，这是由于不方案2拘束部位太靠近焊缝所致。
综上所述，可得出焊接时熔池部分应力值最低，而熔池前端受周围母材拘束作用不能自由膨胀而产生突然增大的应力，熔池前端更容易发生塑性变形。约束方案2在焊缝附近的焊后残余应力较大，方案1和方案3的残余应力大小差值不大。
等效应力值方案1方案2方案33.4 本章小结
本章利用Marc软件模拟了45#钢熔化极CO2气体保护焊平板对接时，在三种不同外部约束条件下的三维动态温度场、应力场。研究了中碳钢温度场变化规律和熔池形状等，以及焊接过程中不同时刻的应力变化规律和残余应力的分布规律。可初步分析得出平板对接时方案1和方案3的残余应力较小。
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第4章 约束条件对焊接变形的影响
4.1 有关焊接变形
焊接变形的种类虽然很多， 但各种焊接变形产生的根本原因是基本一样的， 即焊接时的不均匀受热和局部塑性变形是焊接结构产生残余应力和焊接变形的根本原因。同时， 焊接时的各种机械力也可能使结构发生物理位移而导致工件变形。?17?
C.A库兹米诺夫把焊接变形分为总变形和局部变形。总变形就是把结构看成刚性梁在纵向或横向上产生的收缩和弯曲，即纵向收缩、横向收缩、弯曲变形和扭曲变形等。局部变形就是指结构的个别构件由于焊接接头沿结构截面的不均匀收缩而产生的形状改变。局部变形包括角变形和波浪变形等。?18?
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纵向收缩
纵向收缩是指焊件在焊缝长度方向上的收缩变形。在焊接时，由于垂直于焊缝方向
不均匀的温度分布，焊缝及其附近的金属产生了纵向压缩残余塑性变形。产生塑性变形的区域称为塑性变形区。构建纵向收缩的变形的大小取决于塑性变形区的大小，构件截面积，焊接线能量以及焊缝的长度。由于塑性变形区的收缩受到周围金属的阻碍，所以相对来说纵向收缩不如横向收缩显著。理论认为纵向收缩量大约为焊缝长度的1/1000。
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横向收缩
横向收缩是指焊件在垂直于焊缝长度方向上的收缩变形。由于移动热源(焊接电弧)
的加热和随后的冷却，使得温度沿被焊构件的长度和厚度方向不均匀分布，即在焊接接头区产生残余的横向收缩塑变和横向应力。横向收缩的形成原因，一部分是由于焊缝金属冷却后的收缩，另一部分是焊缝金属热膨胀受阻形成横向残余塑性变形而引起的。
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角变形
产生角变形的根本原因是横向变形沿板厚方向分布不均匀，即焊缝正面和背面的
横向收缩变形不一致。对接接头的角变形与坡口形式和焊缝形状有很大关系。对称坡口焊缝可在两面进行焊接，角变形比单面坡口小。对于相同厚度和坡口的对接接头，角变形大小还与焊接工艺有关。多层焊比单层焊的角变形大，多道焊比多层焊角变形大，层数越多，道数越多，角变形也越大。?19?
在模拟焊接变形的过程中发现：加载拘束的位置不同会对模拟的变形结果产生很大的影响，错误的拘束位置会使模拟结果与实际情况相差甚远。
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4.2 焊后变形结果及分析
4.2.1 焊后宏观变形及分析
对本文所研究课题为I型坡口平板对接的单层单道焊，不同的外部约束条件对焊后平板的变形则有很大不同。图4-1是不加任何约束焊后放大10倍的平板宏观变形结果。
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图4-1
由图可看出平板厚度方向变形由两边到焊缝中心呈梯度变化，焊缝附近蓝色区域均为负值，两边黄色区域为正值，即焊缝附近向Y轴负方向变形，两边发生向Y轴正方向翘曲变形，变形值可从图中数据看到。这是由于焊缝正面收缩值较大，背面相对较小，导致平板焊缝附近区域略向Y的负方向收缩两边翘曲，产生角变形。
不同的拘束部位方案1方案2方案3如前所述。由于平板被施加了约束条件，因此平板的角变形不是很明显。
（1）图4-2、图4-3、图4-4分别是方案1焊后放大30倍后横向收缩、纵向收缩和角变形的宏观结果及变形云图，其中角变形用平板的厚度方向变形来表示。
图4-2
图4-3