对Q345钢板焊接应力与变形的分析

张露 张屹 陆 袁有录

三峡大学机械与动力学院（443002）

对Q345钢板焊接应力与变形的分析

三峡大学机械与动力学院（443002）

针对大型升船机承船厢板焊后应力与变形问题，分析了焊接残余应力、变形，提出了减少焊接残余应力、变形的措施，为实际生产中控制残余应力、变形提供了有益的指导。

弹热弹塑性分析；残余应力；变形；Simufact.Welding

升船机(shiplift)是一种利用机械装置升降船舶用来提升船舶的通航建筑物。在我国水利水电枢纽工程建设中，卷扬提升式垂直升船机在我国境内使用最为广泛。

升船机中承船厢施工中存在大量焊接，由于焊接部位受热不均匀,容易产生不同程度的应力变形。而承船厢所承受的载荷为大载荷，因此为了保证整体升船机安全，对焊缝接头研究及其重要。

1 热源的选择

由于焊条电弧挺度和熔深小，焊接热源为运动的加热斑，因此，在加热斑上的热流分布可以用高斯分布函数来表达。

沿焊接方向，双椭球热源模型主要由前半部分和后半分椭球模型构成。

2 热弹塑性理论

热弹塑性理论主要是探求温度、力、位移、应变和应力五者之间的关系,从而得出焊接过程中的应力、应变的变化过程,焊后的残余应力和变形状态[1]。

3 焊板、焊料属性

温度对焊板、焊料性质是有影响的，所以依据温度与弹性模量、屈服强度、切变模量的关系图取几个具有代表性的值来反映温度对焊板、焊料性质的影响。

4 夹具设置及网格划分

为了模拟的真实性，左焊板的两侧分别有两个夹具，设置的夹持力为1 000 N，使左焊板固定。右焊板的两侧分别有两个夹具，设置的夹持力也为1 000 N,使右焊板固定。设置夹具保证了焊接的稳定性。实际上，软件可自动判断接触面的节点并进行加持力的施加，避免了烦琐的选取节点再赋值等操作，达到了同样的效果。此模型共设置了四个夹具。

焊板1、2的节点个数为5 002，单元个数为3 540，网格大小2 mm。软件是自动根据焊板的网格大小来划分焊料的网格。软件自动划分网格的焊料节点数为841，单元数为560。

5 结果分析

5.1 温度变化及热影响区情况

在焊接过程中,各追踪点温度变化不均匀。在开始阶段,温度升降急剧,随后渐趋平缓,最后都降至室温。靠近焊缝区域温度变化比较快，远离焊缝区域则变化比较慢。加热温度太高会影响晶粒的大小，温度越高，晶粒越大，会造成晶粒脆化，容易形成较大的焊接应力[1]。

5.2 焊接残余应力分析

当焊接结束时，加热的金属受热时会受到压缩和塑性变形，所以最终的长度比未加热的金属的长度短，但是由于周边金属又会阻碍其收缩，因此，在加热的焊缝金属上会形成拉伸应力，在周围的金属中会形成压应力[2]。

残余应力对强度、刚度、对受压焊件稳定、加工精度、尺寸稳定性、耐腐蚀性都有影响。为了消除和减小焊接残余应力，应用以下四种方法进行解决：

在局部可以稍微加热，焊接时应降低焊件的刚度，使金属变柔软，减少残余应力；

收缩量大的焊缝优先焊接；

采用机械拉伸法（预加载法）消除或调整；

进行整体消除应力的热处理。

5.3 焊接变形分析

在冷却的过程中，发生压缩变形的材料（焊缝周围的材料）受到各种制约，不能自由收缩，在某种程度上又被拉伸而卸载。同时，熔池会因温度降低而凝固，金属会收缩会产生变形，因此总变形开始减小一直达到稳定值。

焊接变形控制在焊接前是必须考虑的一个问题。针对升船机样件焊接变形这一问题，提出了如下四种解决方案：

控制工件变形、工件刚度和高弯曲模量是控制焊接变形的有效方法；使焊缝处于自然状态，大拘束减少，错开的短焊缝优先进行焊接，后焊长焊缝，同时从中间部位向两端进行焊接；简单的反变形可以解决焊接过程中的变形；采用辅助支架控制变形，焊接件固定在焊接平台上，控制变形。

6 总结

本研究是基于Simufact.welding对亭子口承船厢焊接样件应力及变形进行有限元分析，对整个焊接过程进行仿真模拟，将残余应力仿真值与试验值进行对比，结果大致吻合，并针对残余应力与变形提出相对应的措施来避免大残余应力与大变形产生，保证承船厢整体的安全。

[1]黄明,张建,胡忠健.基于Simufact的油菜播种机悬挂架焊接仿真[J].安徽农业大学学报,2014(3).：528-532.

[2]高耀东,何建霞,乔云芳,.焊接过程有限元分析[J].北京大学学报：自然科学版,2010(6)：1007-1009.

国家自然科学基金项目（71501110）