(精品论文)对接接头i型坡口研究毕业论文

毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目对接接头中I型坡口的焊接工艺及焊接变形研究学生姓名： 系 别： 材 料 工 程 系 专 业： 材料成型与控制工程 学 号： 班 级： 指导教师： III摘 要本文基于非线性有限元分析软件MSC.MARC平台，模拟了中碳钢5mm厚I型坡口平板对接焊，以及在不同焊接工艺参数下的温度场、应力场和焊接变形。利用MSC.MARC软件模拟焊接的基本过程如几何建模、参数设置、分析求解和结果输出等，分析平板在不同外部约束条件的温度场、应力场，并对比分析不同约束条件下的焊后残余应力及焊后变形，由此得出何种约束条件对I型坡口平板对接焊的变形和残余应力影响因素最小，从而指导实际工作。关键词：焊接模拟，MSC.MARC，约束条件，残余应力，焊后变形ABSTRACTBased on the nonlinear finite element analysis software MSC. MARC simulation platform, the article has simulated the joint of 5mm thick medium-carbon steel plate type, in different welding process parameters of the temperature field and stress field of the welding deformation and results. Using MSC. MARC software to simulate the basic process of welding simulation, such as geometry modeling generation, parameter settings and the results outputting and definitely analyzes the temperature field and stress field and the welding deformation in different constraint conditions, and finally concluded the effect of different constraint conditions on the type of welding deformation and residual stress influence, so as to guide the practical work.Keywords: Welding simulation, MSC. MARC, Constraint conditions, the residual stress, welding deformation.II目录第1章 概 论11.1 课题背景及意义11.2 焊接应力和焊接变形产生的原因11.2.1焊接应力产生的原因11.2.2焊接变形产生的原因11.3 焊接模拟技术国内外现状及发展21.3.1焊接模拟技术理论来源21.3.2 焊接模拟技术发展现状31.3.3 焊接模拟技术发展趋势31.4 本文主要任务和研究路线4第2章MSC.MARC焊接模拟过程52.1 MSC.MARC功能简介52.2 焊接模拟基本过程52.2.1焊接模拟前处理62.2.2 焊接模拟分析92.2.3 焊接模拟后处理9第3章 温度场和应力场的模拟103.1 焊接工艺方案的确定103.2 温度场的模拟及分析113.2.1 瞬态温度场的模拟结果113.2.2 温度场的对比分析133.3 应力场的的模拟与分析133.3.1 等效应力分布143.3.2 等效应力的对比分析163.4 本章小结17第4章 约束条件对焊接变形的影响184.1 有关焊接变形184.2 焊后变形结果及分析194.2.1 焊后宏观变形及分析194.2.2 AB节点方向上的变形结果分析224.2.3 CD节点方向上的变形结果分析244.3 本章小结26第5章 结 论27致 谢28参 考 文 献29第1章 概 论1.1 课题背景及意义焊接是一复杂的物理化学过程，长久以来，焊接工艺主要依靠经验积累和实验测试，成本消耗巨大且焊接质量难以保证、废品率高。由焊接产生的动态应力应变过程及其随后形成的残余应力，是导致焊接变形、裂纹和接头强度与性能下降的重要因素，因此将传统焊接技术与现代计算机模拟仿真技术结合来预测焊后结果以及解决焊接过程中所纯在的问题，成为当前材料加工领域的主要研究特点之一，其不仅可以节约大量人力财力物力，还可以解决目前实验室无法进行直接研究的复杂问题。借助计算机技术，对焊接现象进行模拟，是国内外焊接工作者的热门研究课题并得到了越来越广泛的应用。1.2 焊接应力和焊接变形产生的原因产生焊接应力与变形的基本原因是由于焊接时试板的局部被加热到高温状态，形成了试板上温度的不均匀分布所造成的。其次，在焊接时，由于不同的焊接热循环作用引起金相组织和宏观体积的变化，当体积变化受到阻碍时便产生了应力，从而出现局部与整体变形。1.2.1焊接应力产生的原因焊接应力按应力作用的方向分为纵向应力、横向应力和厚度方向的焊接应力。纵向焊接应力就是平行于焊缝长度方向的应力。在焊接过程中，钢板中会产生不均匀的温度场，从而产生不均匀的膨胀。在靠近焊缝一侧高温区受到热压力作用，而在远离焊缝一侧受到热拉应力的作用。焊接完毕，试板自然冷却，在近焊缝区段产生拉应力，在稍远区段产生压应力。横向应力是垂直于焊缝轴线的应力。产生横向焊接应力的原因可分为焊缝的纵向收缩和横向收缩2个方面。冷却时，由于焊缝先后冷却时间不同，先焊的先冷却凝固，存在一定强度，阻止了后焊的焊缝在横向的自由膨胀，使其产生横向压缩变形。后焊的焊缝冷却时，横向收缩受到阻止，而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力。厚度方向的焊接应力常发生在多层焊中，上下表面温差很大，温度沿厚度方向分布不均，从而导致应力的产生。1.2.2焊接变形产生的原因焊接变形分局部变形和整体变形。局部变形指焊接结构的某部分发生变形，它在焊接中易矫正；整体变形指整个结构的形状或尺寸发生变化，是由于焊缝在各个方向上的收缩所引起的。焊接变形产生的原因有以下几种：（1）不均匀的局部加热和冷却是最主要原因。焊接时，试板的局部被加热到熔化状态，形成了试板上温度的不均匀分布区，使试板出现不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则受到拉应力。当被加热金属受到的压应力超过其屈服点时，就会产生塑性变形；试板冷却时，由于加热的金属在加热时已产生了压缩的塑性变形，所以，最后的长度要比未被加热金属的长度短些。（2）焊缝金属在冷却过程中，体积发生收缩，这种收缩使试板产生变形和应力。焊缝金属的收缩量取决于熔化金属的数量，因而不同的坡口会产生不同的变形，长焊缝的纵向收缩会对试板边缘产生压应力，焊缝横向收缩将会造成试板角变形，综合作用，可能会使试板产生波浪变形。（3）焊缝金属及焊接热影响区的组织发生变化。焊缝及焊接热影响区金属在焊接时加热到熔点或固态相变温度以上，冷却过程中其金属组织要发生变化。由于各种组织的比容不同，因此随之发生体积的变化。（4）试板的刚性限制了试板在焊接过程中的变形，所以刚性不同的焊接结构，焊后变形的大小就不同。除上述原因外，焊接方法、接头形式、坡口形式、坡口角度、试板装配间隙、焊接速度和焊接顺序等都会对焊接变形和焊接应力造成影响。1.3 焊接模拟技术国内外现状及发展1.3.1焊接模拟技术理论来源焊接是一个涉及传热学、电磁学、材料冶金学、固体和流体力学等多学科交叉的复杂过程。焊接工艺的仿真，主要是针对焊接温度场、残余应力、变形等几个方面，旨在改善焊接部件的制造质量，提高产品服役性能，优化焊接顺序等工艺过程。常用的焊接数值模拟方法有：解析法，即数值积分法、差分法、有限元法和蒙特卡洛法。数值积分法用在原函数难于找到的微积分计算中。常用的数值积分法有梯形公式、辛普生公式，高斯求积法等；蒙特卡洛法又称随机模拟法。即对某一问题做出一个适当的随机过程，把随机过程的参数用由随机样本计算出的统计量的值来估计，从而由这个参数找出最初所述问题中的所含未知量；差分法的基础是用差商代替微商，相应的就把微分方程变为差分方程来求解。差分法的主要优点是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题，其程序设计和计算简单，易于掌握理解，但这种方法往往局限于规则的差分网格，不够灵活。在焊接研究中差分法常用于焊接热传导、熔池流体力学、氢扩散等问题的分析；有限元法起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析，现在它已被用来求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接领域，有限元法已经广泛的用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等。经过多年的发展，有限元数值模拟技术已经成为焊接数值仿真的主流方法，因为焊接最为关心的是变形和残余应力的控制，而有限元方法在这方面有着明显的优势。近年来各种焊接模拟软件和有限元分析软件如ESI SysWeld 2009、SYSWELD、MSC.MARC等常用于焊接模拟分析中。其中，本文是基于MSC.MARC的研究。1.3.2 焊接模拟技术发展现状在计算机技术日益发展的今天，计算机模拟方法为焊接科学技术的发展提供了有利的途径。1993年，美国能源部组织美国、加拿大、日本、瑞典等25为专家对21世纪焊接科学技术的发展动向作出预测，其中焊接基本现象的模拟和仿真被列为最重要的研究方向之一。我国国家自热科学基金委员会制定的学科发展战略也将计算机模拟确定为机械热加工的发展方向之一。近二十几年来，国内外都对焊接模拟技术在焊接中的应用进行了许多的研究，取得了不少的成果。如日本大阪大学的上田幸雄教授长期以来从事焊接热弹塑性的研究，创建了“计算焊接力学”的新型学科，并出版了焊接力学专著。焊接数值模拟主要是通过焊接热过程，焊接冶金和焊接应力应变三方面进行分析。焊接热过程分析包括焊接热源的大小和分布形式分析、热物理性能随温度变化的影响分析，焊接熔池中的流体动力学和传热分析，焊接电弧的传热传质分析，以及各种实际焊接接头形式、焊接程序、焊接工艺方法的边界条件处理等。焊接热过程的数值分析开始于 20 世纪 70年代，1985 年樊丁和 M.Ushio 在假定电流为高斯分布的条件下，计算了电弧的压力场分布规律，建立了较完善的电弧传热传质数值模型。焊接热过程与熔池形态对焊接热过程和熔池形态有具体的分析和总结。焊接过程冶金分析包括焊接熔池中的化学反应和气体吸收、焊缝金属的结晶、溶质的再分配和显微偏析、气孔、夹渣和热裂纹的形成、热影响区在焊接热循环作用下发生的相变和组织性能变化，以及氢扩散和冷裂纹等的预测。 1.3.3 焊接模拟技术发展趋势目前，采用数值方法来模拟复杂的焊接现象已经取得了很大的进展，模拟技术已经渗透到焊接的各个领域，主要研究内容有：（1）焊接热传导分析（2）焊接熔池流体动力学（3）电弧物理（4）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测（5）焊接应力与变形（6）焊接过程中的氢扩散（7）特殊焊接过程的数值分析，如电阻点焊、陶瓷金属连接、激光焊接、摩擦焊接和瞬态液相焊接等。同时，焊接数值模拟软件的发展朝着集成化、专业化、工程化等方向发展。所谓集成化，就是焊接数值模拟将结合焊接工艺库，专家经验与知识库，材料数据库，变得越来功能越为丰富和强大，仿真能力更强，使用也更加方便。更便于将焊接工艺结果反馈给结构设计工程师，使之在设计早期即可得到结构焊接后的力学性能，便于其对设计实现更改；所谓专业化，就是焊接模拟软件不断细化，将各种类型的焊接仿真技术模块化，形成适于各种类型焊接工艺的模板库。例如点焊工具，激光焊工具，电子束焊接工具，钎焊工具，搅拌摩擦焊工具等等；所谓工程化，就是仿真的结果更方便地为工程实际所应用。通过焊接仿真，找到优化的焊接工艺参数和焊接顺序，选择合适的焊接材料，融入更多焊接实际工程经验，包括积累的材料数据库等等。 焊接数值模拟技术虽然取得了可喜的成绩，然而应该看到这些研究还是初步的，还有许多深入的工作要做。焊接数值模拟更重要的作用是优化结构设计和关于设计，提高焊接接头质量，同时焊接数值模拟必须建立在牢固的实验基础之上，否则便偏离真实的物理现象和本质。可以相信，随着人们对焊接过程和现象认知的进一步深入以及计算机技术的高度发展，焊接数值模拟技术也将越来越发展并具有广阔的应用前景。 1.4 本文主要任务和研究路线 对接时，不同的坡口形式对焊接结构的变形和焊后焊件中的残余应力具有较大的影响。哪种坡口形式的结构件变形及焊接残余应力最小，至今还没有相关文献报道。为了更好地指导生产实际焊接中，对坡口形式的选择，以及焊接工艺与焊接变形有必要对此进行相关的研究和分析。本文基于非线性有限元分析软件MSC.MARC集中研究焊接时，坡口形式为I形如图1，对中碳钢在不同的拘束条件下的焊接温度场和应力场以及平板焊接变形进行了数值模拟，具体内容包括：1.基于非线性有限元分析软件MSC.MARC软件，采用双椭球热源模型，模拟中碳钢I型坡口平板对接的焊接温度场和应力场以及焊后变形。2.讨论不同的外部约束条件对焊接应力场以及平板焊后变形的影响。3.通过对模拟结果进行比较，得出何种外部约束条件对I型坡口的变形和残余应力影响因素最小，从而指导实际工作。图1第2章MSC.MARC焊接模拟过程2.1 MSC.MARC功能简介Marc是功能齐全的高级非线性有限元软件的求解器，体现了40多年来有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合。它具有极强的结构分析能力，可以处理各种线性和非线性结构分析。它提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库。Marc的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多种线性和非线性复杂材料特性的材料模型。分析采用具有高数值稳定性、高精度和快速收敛的高度非线性问题求解技术。为了进一步提高计算精度和分析效率，Marc软件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术，可自动确定分析加载步长。Marc卓越的网格自适应技术以多种误差准则自动调节网格疏密，既保证了计算精度，同时也使非线性分析的计算效率大大提高。此外，Marc支持全局自动网格重划，用以纠正过渡变形后产生的网格畸变，确保大变形分析继续进行。对非结构的场问题，如包括对流、辐射、相变潜热等复杂边界条件的非线性传热问题的温度场，以及流场、电场、磁场，提供了相应的分析求解能力；并具有模拟流-热-固、土壤渗流、声-结构、电-磁、电-热以及热-结构等多种耦合场的分析能力。为满足高级用户的特殊需要和进行二次开发，Marc提供了方便的开放式用户环境。这些用户子程序入口几乎覆盖了Marc有限元分析的所有环节，从集合建模、网格划分、边界定义、材料选择、分析求解到结果输出，用户都能访问并修改程序的默认设置。在Marc软件的原有功能框架下，用户能极大的扩展Marc有限元软件的分析能力。2.2 焊接模拟基本过程非线性问题的求解过程比线性问题更加复杂、费用更高和更具有不可预知性。因此，非线性有限元程序不仅需要做复杂的算式和有效的数据管理，而且必须包括合理的逻辑来指导求解过程。非线性问题大致可分为以下三类：几何非线性、材料非线性、非线性边界条件或载荷。非线性求解的整个分析流程如图2-1所示。图2-1 非线性焊接分析流程图2.2.1焊接模拟前处理2.2.1.1 几何建模与网格生成本课题采用Marc有限元分析软件，模拟中碳钢平板对接焊接过程的温度场、应力场和变形。采用长宽高分别为100mm50mm5mm的钢板进行熔化极CO2气体保护焊。在网格生成菜单中建立如图2-2的模型。图2-2热源在平板上焊接时起点为焊缝中心O点，终点为I点，坐标系方向如图所示。注意在网格划分过程中在焊缝附近要用更细数目的网格来描述，其是为了精确地捕获热梯度。2.2.1.2 设置母材和焊缝的材料参数在焊接过程的数值模拟中，进行温度场分析时必须确定下列热物理参数：导热系数（W/m.）、换热系数（W/mm2.）、密度（Kg/m3）、比热（J/Kg.）、焓(J/m3)；应力场分析时则必须确定泊松比、弹性模量(N/m2)、热膨胀系数(1/)、密度(Kg/m3)和屈服极限（MPa）等参数。对于本课题母材材料和焊缝填料均选择45#钢。由于在Marc软件材料库中有45#钢，因此在此45#钢的材料参数在软件中为默认值。2.2.1.3 焊接路径的设置本课题采用单层单道焊，模型只有一条焊缝，因此只需设置一条焊接路径，创建原始曲线和辅助曲线，焊接路径如图2-3。由于焊接路径的创建，焊接路径在此地的坐标被载入MSC.Marc Mentat。Z轴代表焊接运动方向，Y轴代表焊接电弧方向，X轴代表焊缝宽度方向。图2-32.2.1.4 初始边界条件的设置由于模型材料选择为45#中碳钢，焊接性较差，需焊前预热，一般预热温度为200-300。因此设预热温度为200，设置模型所有节点初始温度为200。设环境温度30，空气换热系数0.02N/mm2/sec/。不同的外部约束条件和拘束部位对平板焊后变形有很大影响。本课题即研究不同的拘束部位对焊后变形和残余应力的影响。添加外部约束条件假定为三种方案：方案1：拘束平板上4个点GHJK的区域，如图2-4。方案2：拘束平板上靠近焊缝处4个点PQMN的区域，如图2-5。方案3：拘束平板四个顶点LRST的区域，如图2-6。图2-4 图2-5图2-6焊接热源对于通常的焊接方法如手工电弧焊、钨极氩弧焊，采用高斯分布的函数就可以得到较满意的结果。对于电弧冲力效应较大的焊接方法，如熔化极气体保护焊和激光焊接，常采用双椭球形热源分布函数。为求准确，还可将热源分成两部分，采用高斯分布的热源函数作为表面热源，试板熔池部分采用双椭球形热源分布函数作为内热源。表面热源其热流密度分布公式即，式中Q为热输入量，r为电弧有效加热半径。双椭球形热源分布公式即，式中Q为热输入量，a、b、c为椭球轴的大小。本文根据所需模拟精度及焊接方法选择双椭球的热源模型进行模拟。热源计算公式为Q=UI，单位为N.mm/s, U为电压，I为电流，为电弧效率。2.2.2 焊接模拟分析2.2.2.1 载荷工况的定义在MAIN主菜单中拾取LOADCASE，进入载荷工况定义子菜单。在连铸、挤压、轧钢、冲压、焊接等许多加工过程中，工件产生变形的同时往往伴随着温度的变化。准确的分析这些加工过程中的温度和应力变化通常不应把温度场的求解和应力场的的分析分解开来。因为除了温度变化对结构变形和材料性质产生影响外，结构变形反过来会改变热边界条件，进而影响温度变化。对于温度与位移存在强耦合作用的问题，若先算温度，后分析热应力的解耦方法，分析会产生较大误差，比较精确地分析是按照热-机耦合场的求解方法，同时处理热传导和力平衡两类不同场方程。本课题用热机耦合工况来进行焊接分析，包括热传导分析和热应力分析。由焊接速度和板长可得焊接时间为16.7s。2.2.2.2 工作参数定义并提交运行在MAIN主菜单中单击JOBS，进入子菜单，进行热机耦合工况条件加载。最后提交并运行。2.2.3 焊接模拟后处理Mentat的后处理功能以图形、动画、曲线、表格和文件等多种形式显示Marc程序进行分析后生成的结果。在程序运行完成后提取不同约束方案的温度场、应力场和不同方向焊后变形曲线，同时对变形结果进行比对分析，得出结论。第3章 温度场和应力场的模拟3.1 焊接工艺方案的确定本文是在如前所述三种方案的拘束条件下来进行模拟的，通过比较平板的宏观和微观变形来讨论不同外部约束条件对焊接变形的影响。欲获得良好的焊接接头，必须正确选择焊接方法，了解材料的焊接性，正确掌握基本操作，选择合适的焊接规范。CO2气体保护焊的焊接参数选择要求如下：1.焊丝直径的选择 当钢板厚度大于4mm时，应采用直径大于或等于1.6mm的焊丝，直径1.6mm的焊丝可用于短路过渡和细滴过渡焊接。2.焊接电流的选择 焊接电流的作用是熔化焊丝和工件，同时也是决定熔深的最主要因素。焊接电流使用范围随焊丝直径和熔滴过渡形式的不同而不同。焊丝直径为1.6mm且短路过渡的焊接电流在200A以下时，能得到飞溅小、成形美观的焊道。细滴过渡的焊接电流在350A以上时，能得到熔深较大的焊道，常用于焊接厚板。3.电弧电压的选择 电弧电压是焊接参数中很重要的一个参数，电弧电压的大小决定了电弧的长短和熔滴的过渡形式，它对焊缝成形、飞溅、焊接缺陷以及焊缝的力学性能有很大的影响。实现短路过渡的条件之一是保持较短的电弧长度，即低电压。但电弧电压过低，电弧引燃困难，焊丝会插入熔池，电弧也不能稳定燃烧；若电话电压过高，则由短路过渡转化为粗滴的长弧过渡，焊接过程不稳定。4.焊接速度的选择 选择焊接速度主要根据生产率和焊接质量。焊速过快，保护效果差同时使冷却速度加大，使焊缝塑性降低，且不利于焊缝成形，易形成咬边缺陷；焊速过慢，熔敷金属在电弧下堆积，电弧热和电弧力受阻碍，焊道不均匀，且焊缝组织粗大。在实际生产中，焊速一般不超过8.3mm/s。5.焊丝伸长长度的选择 当其他焊接参数不变时，随着焊丝伸出长度的增加，焊接电流下降，熔深也减小；焊丝上的电阻热增大，焊丝熔化加快，从提高生产效率上看这是有利的。但是当焊丝伸出长度过大时，焊丝容易发生过热而成段熔断，飞溅严重，焊接过程不稳定。同时焊丝伸出长度增加后，喷嘴与工件间的距离亦增大，因此气体保护效果变差。焊丝伸出长度过小，会妨碍观察电弧，影响焊工操作；同时飞溅金属容易堵塞喷嘴；另外还会使导电嘴过热而夹住焊丝，甚至烧毁导电嘴。很据经验，合适的焊丝伸出长度一般为焊丝直径的10-12倍。6.电流极性的选择 CO2焊主要采用直流反接法。能得到飞溅小，电弧稳定，焊缝成形好，熔深大，焊缝金属含氢量低的焊缝。7.气体流量的选择 气体流量主要根据对焊接区域的保护效果来决定。在焊接电流较大、焊接速度较快、焊丝伸出长度较长以及室外作业等情况下，气体流量要适当加大。粗丝CO2焊气体流量在15-25L/min。基于本课题，5mm单道焊平板对接模型，通过查取熔焊方法与设备和实用焊接手册，选择熔化极CO2气体保护焊，滴状过渡，焊丝为H08Mn2SiA，焊丝直径1.6mm，焊接层数1层，具体参数如下：电弧电压U=30V，焊接电流I=300A，焊接速度为6mm/s，气体流量15L/min。3.2 温度场的模拟及分析3.2.1 瞬态温度场的模拟结果图3-1、图3-2、图3-3、图3-4是平板分别在1.01s、8.5s、16.7s和冷却后的温度场分布。图3-1图3-2图3-3图3-4图3-5是平板在如图所示节点方向上从焊接开始到焊后冷却整个过程的温度曲线。 图3-53.2.2 温度场的对比分析从图3-1、3-2、3-3我们可以看到，平板的初始温度为200，即焊前预热温度。在焊接过程中试板上形成稳定的温度场，图上等温线的形状呈现为以焊接方向为长轴的近似1/4椭圆形。焊接热源前方等温线密集，温度梯度大，后方等温线稀疏，温度梯度小。焊接熔池形状为双椭球形，试板焊缝处附近的温度场成梯度分布，温差较大；由于试板只有5mm厚，所以远离焊缝部分的温差很小。从图3-4可看到焊后冷却后形成的温度场，冷却后平板温度大概在168左右。从图3-5可以看出在如图所示所选节点处，即焊缝3/4熔深处，温度达到了45#钢的熔点1350，说明平板焊透。同时图显示了该点从焊接开始到焊后冷却结束的温度轨迹。3.3 应力场的的模拟与分析焊接应力场的计算是包括塑性、非线性等多方面因素影响的热弹塑性问题，比一般的弹性和弹塑性问题要复杂的多。在焊接过程中，焊缝附近最高温度可达到焊材的沸点，离开热源后温度急剧下降。试板由于焊缝厚度方向上的温度分布不均，产生了热应力，如果不均匀温度场所造成的内应力达到焊接材料的屈服极限，会使局部区域产生塑性变形。当温度回复到室温下后，就产生新的内应力。这种内应力是温度恢复室温后残存在物体中的，称之为残余应力。如果温度升高，使局部金属发生相变，伴随这种相变所出现的体积变化将产生新的内应力。当温度恢复到初始状态下，如果相变产物保留下来，那么就会产生相变应力，它也是残余应力的一种。一般把焊缝方向的应力成为纵向应力，用z表示。主要由于焊缝冷却时的纵向收缩而产生的应力，在某些情况下有相反的相变过程叠加。垂直于焊缝方向的应力称为横向应力，用x表示，其产生的主要原因是来自焊缝冷却时的横向收缩。另外，表面和内部不同的冷却过程，以及可能叠加的相变过程也是影响因素。在工程实践中，纵向残余拉应力往往达到材料的屈服极限s，横向残余应力峰值要低于材料的屈服极限s，而残余拉应力正是焊接区的塑性收缩受到附近母材的拘束作用而不能自由收缩造成的。本文应力场只讨论等效残余应力。3.3.1 等效应力分布图3-6、图3-7、图3-8分别是方案1方案2方案3在焊中8.5s和焊完冷却后的等效应力场分布。方案1：图3-6方案2： 图3-7方案3： 图3-8这组图清楚的显示了焊接过程中等效应力的动态分布情况。在焊接过程中，等效应力的最大值是随着热源的移动而移动，象征最大值的黄色区域总是在熔池附近和拘束点附近，这是试板受热膨胀而产生的应力。当平板冷却到168左右的状态时，应力最大值处于试板的焊缝、焊缝两端和拘束点附近，并且呈梯度分布，这是由于这些部分受热膨胀产生的应力较大，从而冷却收缩后的残余应力也最大。由此可以判断在焊接时熔池附近部分和拘束点附近最容易产生屈服变形，且焊后存在较大的残余应力。3.3.2 等效应力的对比分析图3-9、图3-10是方案1、2、3分别在8.35s和焊完冷却后焊缝中心OI上各点的等效应力分布曲线对比。（图中横坐标表示各点到焊接时起点O的距离）图3-9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。3.4 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。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。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。 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。 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。 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。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。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。29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 图4-4由图4-2可看出方案1下平板的横向收缩在中部的黄色和蓝色区域变形最大，在拘束部位即红色区域变形为零，收缩变形在焊缝左右对称分布。由图4-3可看出平板在平行于焊缝方向的纵向收缩由焊缝两端向中心收缩，其在焊缝两端的黄色和红色还有小部分蓝色区域变形最大，而且红色区域明显大于黄色区域。这是由于焊缝先焊的部分在后续的焊接过程中已经开始冷却收缩，而后续的焊接对其有一定程度的温度影响，即后焊部分相比于先焊部分冷却温度梯度更大，因此平板在后焊完的部分纵向收缩变形更大，即平板在沿着焊接运动方向纵向收缩越来越大。同理，平板横向收缩和角变形也是如此。由图4-4可看出方案1下平板的角变形不大。(2)图4-5、图4-6、图4-7分别是方案2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。图4-5 图4-6 图4-7由上组图可看出的平板拘束部位如方案2的变形在焊缝两端处收缩较大，从而造成局部收缩严重，这是由于拘束部位太靠近焊缝两端导致，两端的金属受热膨胀，而冷却收缩没有足够的金属来补充。由图4-7也可看出平板有一定程度的角变形存在，橙色区域翘曲变形。（3）图4-8、图4-9、图4-10分别是方案3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. 图4-8 图4-9 图4-10由图可看出方案3下平板的横向收缩在板中央部分较之于方案1、2都大，纵向收缩较之于方案1、2小，同时方案3也存在一定的角变形。综上，方案2的拘束部位最不利于焊后平板的变形。为了研究三种方案下各区域的变形结果，更好的指导实际工作，选取如图a、图b两种节点方向上的变形曲线来进行对比研究和分析。4.2.2 AB节点方向上的变形结果分析在AB节点方向上即平板边缘对比分析三种方案下的平板横向收缩、纵向收缩和厚度方向变形。三种方案的变形曲线对比如图4-11、图4-12、图4-13。图a图4-11图4-12图4-13由图4-11可看到在AB节点方向，板宽度方向变形都处于收缩状态，即焊后平板边缘都向焊缝方向收缩，其中变形值方案3最大，方案1在拘束点附近有一个小的波动，说明其在拘束点时收缩收到阻碍；由图4-12可看到方案1方案2方案3在板长度方向上的变形值均是向焊缝中心收缩，其中方案1在A节点附近还有小的伸长变形，方案2的变形值最大；由图4-13可看到在板厚度方向的变形是向Y的正方向翘曲，其中方案1的变形最小，即角变形最小，这一点也可由前宏观变形看出，方案2变形值最大，角变形大同时板中部向上隆起变形，方案3有较小的角变形和中部隆起变形。综上，方案2在AB节点方向即板边缘纵向收缩和角变形最大，在如前所述的宏观变形中也得到此结论。而方案3的横向收缩最大，方案1的各方面变形最小。因此，方案2的拘束条件不利于焊后变形，方案1较之方案3在板边缘附近对焊后变形更有利。4.2.3 CD节点方向上的变形结果分析由上可得方案2不必再做对比分析，其不利于焊后变形。下面在CD节点方向上分别分析方案1和方案3的横向收缩，纵向收缩、厚度方向变形以及全部等效塑性应变。变形曲线对比如图4-14、图4-15、图4-16、图4-17。 图b图4-14 图4-15图4-16图4-17由图4-14可看到在CD节点方向方案3的横向收缩较方案1大，在平板两端收缩变形较小，中间部分收缩变形较大；由图4-15可看到方案3下的平板纵向收缩较之方案1小；由图4-16可看到平板在厚度方向的变形方案1比方案3小很多，即方案3比方案1有更大的角变形；由图4-17可看到平板的全部等效塑性应变均是板中间部分变形较大，方案1较之方案3变形稍小，只在拘束部分大于方案3。综上所述，方案3下的平板横向收缩和厚度方向变形较之方案1大，且全部等效塑性应变也比方案1稍大。因此，为了综合考虑，方案1的外部约束条件较之对焊后变形更有利。4.3 本章小结本章主要模拟分析了三种不同外部约束条件下平板的宏观变形，以及对比分析了三种方案下不同区域的焊接变