（材料加工工程专业论文）复杂铝合金结构焊接应力与变形行为研究.pdf

摘要 铝合金焊接结构广泛应用于船舶、航空航天等工程领域。由于其热膨胀系数 大、弹性模量小，在焊接过程中不可避免地产生较大的残余应力与变形。因此， 对铝合金焊接结构的焊后残余应力与变形进行研究，具有重要的理论意义和现实 价值。本文采用部分与整体的方法，分别采用热弹塑性有限元法和固有应变法对 5 a 0 6 铝合金加筋圈体和筒形结构的焊接残余应力与变形进行了数值分析。 在红外实时测温的基础上，对熔化极惰性气体保护电弧焊( m i g ) 角焊缝间 断焊的温度场进行了研究。此外，间断焊过程中存在已焊焊缝的预热作用和后续 焊缝的再加热作用。根据m i g 焊熔池热流密度的分布及间断焊热循环的特点， 提出了结合电弧热流双高斯分布和过热熔滴双椭球形分布的复合型热源分布模 式，并采用优化设计的方法确定了间断焊过程中瞬态的热源形状参数。经实验验 证，该热源模型可有效地对角焊缝间断焊温度场进行数值模拟。 采用间接耦合法深入研究了间断焊过程中的动态焊接应力场的演变及分布 规律，对铝合金加筋圈体结构的焊接过程进行了数值分析。加筋结构的角变形是 由焊件厚度方向的温度梯度和焊缝的横向收缩两方面决定的，且焊接顺序和焊缝 长度对焊接残余应力与变形也有很大的影响。 基于角焊缝间断焊热弹塑性分析，并综合考虑了焊接工艺及焊件尺寸对多层 多道v 型坡口对接焊缝的影响，采用固有应变法对5 a 0 6 铝合金筒形结构的焊接 变形进行了数值计算。结果表明，简体结构出现了波浪变形，无筋板支撑部分下 塌较严重，并对可能发生的失稳变形进行了预先估计和分析。通过加强板焊接前 后结构压下载荷的测定实验验证，表明了固有应变法在复杂焊接结构的数值模拟 中具有很高的效率并能保证一定的精度。最后，为保证铝合金加筋筒形结构的尺 寸精度，对既定加工工序作了一定改进，在间断角焊后对其进行整体退火消应处 理，利用有限元方法定量分析了退火温度、保温时间和冷却速度等因素对消应效 果的影响，制定了相应的退火规范。研究结果对此类筋板加强结构的焊接生产及 热处理工艺的制定具有重要的工艺技术指导作用。 关键词：5 a 0 6 铝合金结构；间断焊；焊接温度场；焊接变形；固有应变；复合 型热流分布模式 a b s t r a c t t h ea l u m i n u ma 1 1 0 yw e l d i n gs t r u c t u r eh a sb e e nw i d e l y 印p l i e di nm a n yf i e l d s ， s u c ha ss h i pe n g i n e e r i n g ，r o s p a c ee n g i n e e r i n ga n ds oo n s i n c ei t sl a r g et h e m l a l e x p a n s i o nc o e 币c i e n ta n ds m a l le l a s t i cm o d u l u s ，g r e a tw e l d i n gr e s i d u a l 鲔r e s sa n d d e f b m l a t i o na r ed i f j 厅c u l tt oa v o i di nt h ee n g i n e e r i n g t h u s ，i ti si m p o r t a n tt o i n v e s t i g a t et h ew e l d i n gd e f o m a t i o na n dr e s i d u a ls t r e s s o fa l u m i n u ma 1 1 0 yw e l d i n g s t m c t u r e ，w h i c h 、o u l dh a ss i g n 讯c a n tt h e o 巧m e a n i n ga n de n g i n e e r i n gv a l u e t h e w c l d i n gr e s i d u a ls t r e s sa n dd e f o r m a t i o no f5 a 0 6a l u m i n u ma l l o yr e i n f o r c e dc i r c l ea n d c y l i n d e r 鳓m c t u r ew e r ea n a l y z e db yt h et h e n n a l e l a s t i c - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n di n h e r e n ts t r a i nm e t h o dr e s p e c t i v e l yi n t h i sp a p e r b a s e do nt h ei n f r a r e dt h e 彻a 1i m a g i n gr e s u l t s ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f f i l l e tw e l d sd u r i n gm i gd i s c o n t i n u o u sw e l d i n gw a sr e s e a r c h e d t h e r ea r ep r e h e a t i n g e 仟- e c tf - r o mt h ew e l d e ds e a ma n dr e h e a t i n ge l j f i e c tf r o mt h es e q u e n tw e l di nt h e d i s c o n t i n u o u sw e l d i n g a c c o r d i n gt ot h ed i s 仃i b u t i o no fh e a tn u xd e n s i t ) ，i nt h em i g w e l d i n gp o o la n dt h ec h a r a c t e ro fd i s c o n t i n u o u sw e l d i n gt h e n t l a lc y c l e ，ac o m b i n e d h e a ts o u r c em o d e l 、a sd e v e l o p e dw h i c hc o m b i n i n gt h ed o u b l e g a u s s i a nh e a t d i s t r i b u t i o no fa r ca n dt h ed o u b l ee l l i p s o i d a ld i s t r i b u t i o no fo v e rt h e 肿a ld r o p l e t s u b s e q u e n t l y t h et r a n s i e n t p a r a m e t e r s o fd o u b l e e l l i p s o i d a lh e a t s o u r c ew e r e c o n n m e dw i t i lo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o d i ti sf o u n dt h a tt h ec o m b i n e dh e a ts o u r c e m o d e lp r o d u c em o r ea c c u r a t en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l td 嘶n gt h ed i s c o n t i n u o u s w e l d i n g t h et r a n s i e n td i s t m u t i o no fw e l d i n gs 仃e s sw a sa n a l y z e db yi n d i r e c tc o u p l i n g m e t h o do nt h eb a s i so ft h et e m p e r a t u r e6 e l di nt h ed i s c o n t i n u o u sw e l d i n g ，a n dt h e w e l d i n gp r o c e s so f5 a 0 6a l u m i n u ma l l o yr e i n f o r c e dc i r c l es t m c t u r ew a ss i m u l a t e d n 啪e r i c a l l y t h ea n 西ed e f o n n a t i o no ft h er e i n f o r c e ds t m c t u r ei s d e c i d e db yt h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n to ft h e 鲫r u c t u r et h i c k n e s sa n dt h ew e l dt r a n s v e r s ec o n t m c t i o n t h ew e i d i n gs e q u e n c ea n dt h ew e l dl e n g t ha l s oh a v eg r e a te a e c t so nt h ew e l d i n g r e s i d u a ls 臼e s sa n dd e f 0 n n a t i o n b a s e du p o nt h et h e n l l a l e l a s t i c - p l a s t i ca n a l y s i so ft h ed i s c o n t i n u o u sw e l d i n g ，t h e w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s 柚dd e f o 咖a t i o no f5 a 0 6a l u m i n u ma 1 1 0 yr e i n f o r c e dc y l i n c i e r s t m c t u r ew a sr e s e a r c h e db yi n h e r e n ts t r a i nm e t h o d ，w h i c ha l s oc o n s i d e r i n gt h ee f r e c t s o fw e l d i n gt e c h n o l o g ya n dw e l d m e n t ss i z eo nt h em u l t i - p a s s e sv - t y p eb u t tw e l d t h e c v i i n d e rs t r u c t u r er e p r e s e n t e dw a v ep r o p a g a t i o n ，g r e a ts t a y w a sa p p e a r e dw n e r c w i t h o u tr e i n f o r c ep l a t e ，a n di tp r e d i c t e dt h ep o s s i b l eb u c k l i n gd e f o m a t i o n c o m p a r e d t ot h ee x p e r i m e n t a ir e s u l t so ft h ew e l d i n gd e p r e s s i o nl o a da n ds t r a i n ，t h ei n h e r e n t s t r a i nm e t h o dh a sh i 曲e 币c i e n c ya n dc a ne n s u r ed e 胁i t ep r e c i s i o ni nt h en 啪e n c a l s i m u l a t i o no ft h ec o m p l e xw e l d i n gs t r u c t u r e i nt h ef i n a l ，i n o r d e rt oe n s u r et h e s t r u c t u r e sm a c h i n i n ga c c u m c y ， t h e 、h o l es t l l j c t u r ew a sa n n e a l i n g e da t t c r 仇e d i s c o n t i n u o u sw e k l i n g t h ee f r e c t s o fa n n e a l i n gt e m p e r a t l l r e ，h o l d l n gn m e ，a n d c o o l i n gr a t eo nt h es t r e s se l i m i n a t i o nw e r ea n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n t m e m o d ，w h l c h c o n s t i t u t i n gt h ec o n e s p o n d i n ga n n e a l i n gc r i t e r i o na n di m p r o v i n gt h em a n u t a c 姗n g p r o c e d u r e t h er e s e a r c hr e s u l tc o u l dd i r e c tt 1 1 ew e l d i n gp r o d u c t i o no f t h er e m t o r c e d w e l d i n gs t 】m c t u r e k e yw o r d s ： 5 a 0 6a l 啪i n 啪 a l l o y蝴， d i s c o n t i n u e sw e l d i n g ，w e l d i n g t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，w e l d i n gd e f o 册a t i o n ，i n h e r e n ts t r a i n ，c o m b i n e d h e a t s o u r c e d i s t r i b u t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲常钐 签字日期：j 1 年月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文名：吼， 翮签 签字日期 年易月弓 日 辩日7 “月多日 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 在航天航空、船舶、军工等领域中，焊接结构件大量应用于制造的各个工序， 例如在造船业中，焊接约占2 0 3 0 的工时消耗和1 0 的成本。然而由于焊接过程 中非均匀的热膨胀和收缩，被焊工件焊后会产生变形，这直接影响了焊接产品的 服役性能。焊接结构件内部存在残余应力使得构件的动强度和韧性下降，并导致 焊接部位产生应力腐蚀开裂。由于焊接变形的影响因素多，规律难掌握，特别是 复杂焊接结构，往往大量的时间要用在矫正其焊接变形上，因此影响了整个结构 的建造进度和质量j 。 铝合金焊接结构重量轻、耐腐蚀、加工工艺性能优异、易于连接，因而在工 程上应用广泛。在航天、汽车等领域中，采用铝合金结构可有效节约材料，减小 结构的自重，提高结构的有效载荷和动力学性能。然而与钢材相比，铝合金焊接 时易产生以下问题： ( 1 ) 铝合金的热膨胀系数大，焊接变形较为显著； ( 2 ) 铝合金在高温时强度很低，焊接时易出现坍塌； ( 3 ) 铝合金热导率和电导率高，比热容、熔化潜热大，焊接热源产生的热量很 快由母材导出，容易产生未焊透、未熔合及焊缝气孔等缺陷。 铝合金结构焊接残余应力与变形的存在严重影响到构件的强度、刚度和使用 寿命。例如，某型号汽车副车架采用6 0 6 1 铝合金如图卜1 所示，其形状复杂，其 焊接工艺受到压机、材料、焊装夹具、焊接顺序、参数等多种因素的影响。焊接 变形导致尺寸质量的不稳定，有时会造成焊后位置尺寸超差等情况，一旦超差则 难以校正，造成产品报废，增加了成本。 目前如何预测和控制铝合金结构焊接残余应力与变形仍然是工程中迫切需 要解决的重要研究课题。研究焊接残余应力与变形的规律及控制消除要基于对焊 接过程的研究，焊接过程中的物理现象包括焊接时的电磁、传热、金属的熔化和 凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。要想得到一个高质量的焊接结构必须 要控制所有这些因素。 早期对焊接变形的预测基于经验公式或简单的解析方法，这只能用于较简单 的构件和情况，对于较复杂的焊接结构就无能为力。随着现代工业和计算机技术 的发展，一旦各种焊接现象能够实现计算机模型，就可以通过计算机系统来确定 第一章绪论 焊接各种材料和结构时的最佳设计、最佳工艺方法、焊接参数的筛选、控制和消 除焊接残余应力的方法等，从而节省人力、物山和时间，获得很大的经济效益陆”。 图i ，1 某型号汽车副车架 f 镕1 1u n d e fa a m e 栅c m md 蚪l m l o ” 采用数值模拟的方法预测和控制焊接应力与变形，选择最佳的焊接方法和工 艺参数，己成为目l l 国内外发展的重要方向。其中最重要的是用热弹塑性有限元 预测焊接应力与变形的方法。该方法跟踪整个焊接过程，叮以得到整个焊接过程 中的瞬态应力应变和焊后的残余应力与变形，在国内外已经取得不少成果。然而 该方法在预测大型复杂结构的焊接变形方面应用还是相当有限的。m a s u b u c h 指 出虽然有限元技术能够模拟焊接工艺中的大部分过程，但是在研究实际结构焊后 残余应力和变形时仍然存在着许多缺点h j 。使用数值模拟的一般目的是过程模拟 和过程理解。这两个不同的研究目标也影响了整个模拟的指导思想。典型过程模 拟趋向于迅速、交互和大约的方法，过程理解则要求复制整个过程的物理现象9 j 。 后一过程的时间、成本和复杂程度远高于前者。采用热弹塑性法时，强调过程理 解因此为保证计算精度和迭代的收敛性，需要对网格的划分和时间步长的选取 进行最优化计算。船舶制造、航空航天等领域中存在大量结构复杂和尺寸较大的 焊接构件。对于大型复袈结构，计算用时和数据处理量的大大增加对计算机的速 度和容量提出了更高的要求，往往超出了实际操作能够承受的程度，因而在实际 工程结构分析中并不实用。例如，对1 0 7 7 2 个壳单元的有限元模型进行焊接过程 的热力耦合分析采用o r i g l n 2 0 0 0 工作站6 个c p u 并行计算，一个时间予步约需 4 0 0 s 。通常情况下一条1 0 m 长焊缝需1 0 0 0 0 个时问子步则其焊接过程的计算需 4 63 无。即使计算速度再提高i o 倍，对于实际构件中数f 米甚至上百米焊缝的数 第一章绪论 值分析也是不可行的【6 】。因此，焊接变形预测方法的选择不仅要考虑计算精度， 而且也要考虑运算时间和模拟的复杂程度，对热弹塑性有限元法和高效数值计算 方法的取舍值得探讨。 为了预测大型复杂结构的焊接变形，必须解决两个问题：一是要保证足够的 预测精度；二是要节约运算时间和成本。随着计算理论和方法的完善，高效数值 模拟技术有了长足的发展。广大学者先后提出了弹簧单元法、收缩力法、子结构 方法、线弹性体积收缩法和固有应变法等先进的数值模拟方法。目前看来，采用 高效数值模拟技术是在牺牲一定计算精度的基础上得到的。因此，提高计算效率 应该是在保证必要的计算精度上的提高；一味地追求计算精度，在工程上也是没 有必要的或者是不合算的。 1 2 焊接残余应力与变形数值模拟方法的研究进展 计算机技术的不断发展给焊接残余应力与变形的数值模拟计算的应用带来 了更大的机遇，其模拟结构也向着三维化、整体化、精密化方向发展。模拟范围 不仅包括各种焊接方法，而且包括各类焊接模型、结构和相关环境条件与理化过 程。焊接应力与变形的数值模拟方法主要包括热弹塑性有限元法和以热弹塑性有 限元法为基础的固有应变法等高效数值方法。 1 2 1 热弹塑性有限元法 当前，焊接残余应力与变形的弹塑性有限元计算一般通过热力间接耦合来 实现，因此，焊接热传导分析也是本文的分析重点之一。 1 2 1 1 焊接热传导分析的发展 焊接热过程是影响焊接质量和生产率的主要因素之一。对焊接热过程的准确 计算和测定，也是采用热弹塑性有限元法预测和控制焊接变形的前提。焊接热传 导的研究已经有7 0 年的历史。2 0 世纪3 0 年代早期，dr o s e n t h a lhh 雷卡林等采 用解析法研究焊接热过程，做了许多工作并形成系统理论【7 】。这些研究一般假定： 热源瞬时集中于一点、一线或一面；材料在任何温度下都认为是固体，不发生相 变；材料的热物理性能不随温度而变化以及焊件尺寸无限大等。这些假设条件与 焊接传热的实际情况有较大的差异，致使距离热源较近部位的温度发生较大的偏 差。解析法的优点是物理概念及逻辑推理清楚，所得到的结果能比较清楚反映出 各种因素的影响。另外，得到的解析解可以对其它方法，尤其是对数值解法的结 果的精确性进行校核。但解析法只能用于有限的范围，对许多用以描述复杂系统 第一章绪论 的高阶、非线性、时变的微分方程就很难用解析法求解。 2 0 世纪6 0 年代，有限差分法( f d m ) 被引入焊接问题的分析中，并随着计算机 的发展被广泛应用。差分法常用于分析焊接热传导、熔池流体动力学、氢扩散等。 加拿大的z p a l e y 考虑了材料热物理性能与温度的关系，并将熔化区内的单元作 为加热的热源来处理，采用差分法编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、 双层u 、v 型坡口的焊接传热计算机程序【8 】。s k o u 建立了模拟厚板钨极氩弧焊 或等离子弧堆焊的准稳态三维温度场的差分计算模型【9 】。差分法的长处是对于具 有规则的几何特性和均匀的材料特性问题，其程序设计和计算过程较简单，收敛 性也较好，但差分法往往局限于规则的差分网格( 正方形、矩形、正三角形等) ， 显得较呆板不够灵活。 随着热源模式的改进，计算精度得到提高，计算所需的时间和容量也变大， 有限元方法( f e m ) 的提出使得各种复杂焊接现象的计算问题得以解决。1 9 6 6 年 w i l s o n 和n i c k e l l 首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。7 0 年代，有限元 法逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。1 9 7 6 年美国的g w k r u t z y 在其博士论 文中用有限元法建立了二维焊接温度场的计算模型，并考虑了相变潜热问题【l o 】。 有代表性的是加拿大学者j g o l d a k 提出的双椭球热源模式i l1 1 。对于通常的焊接 方法，采用高斯热源即可；对于电弧冲力较大的如熔化极氩弧焊和激光焊接，采 用双椭球热源的效果较好。当前对复合焊接热源的研究与开发也是一个热点及难 点问题。 在国内，1 9 8 1 年西安交通大学唐慕尧等首先用有限元法计算了薄板准稳态焊 接温度场。之后，上海交通大学在焊接热传导数值分析方面作了许多工作，提出 了求解非线性热传导方程的变步长外推，建立了焊接温度场的有限元计算模型和 相应的计算机程序，并对脉冲t l g 焊接温度场局部干法水下焊接温度场等问题进 行了成功的实例分析【l2 1 。对于三维问题，国内外也是近十年来才刚开始研究。其 原因是焊接过程温度梯度很大，在空间域内，大的温度梯度导致严重材料非线性， 产生求解过程的收敛困难和解的不确定性；在时间域内，大的温度梯度决定了必 须在瞬态分析时在时间域内的离散度加大，导致求解时间步的增加。汪建华等人 和日本大阪大学合作对三维焊接温度场问题进行了一系列的有限元研究，探究了 焊接温度场的特点和提高精度的若干途径，并对几个实际焊接问题进行了三维焊 接热传导的有限元分析l l 五1 4 j 。蔡洪能等人建立了运动电弧作用下的表面双椭圆 分布模型，在此基础上编制了三维瞬态非线性热传导问题的有限元程序，程序中 利用分析节点热焓的方法对低碳钢( a 3 钢) 板的焊接温度场进行了计算，计算结果 和实验值吻合得很好【l5 1 。清华大学的蔡志鹏等人根据输入热功率相当的原则提出 了段热源模型和串热源模型并应用于实际焊接结构的模拟【l6 1 。通常对于焊接变形 4 第一章绪论 问题可以利用粗网格与段热源，计算应力问题则通过细网格与段热源计算。 焊接热传导分析一般基于固体导热微分方程，并没有考虑焊接熔池内部液态 金属的对流传热特点。把固体的导热微分方程一并应用于液态熔池和熔池外部的 固体区域，忽视了高温过热液态金属熔池对传热过程的影响，处理上往往采用增 大有效热传导系数的方法来考虑熔池内流体流动对整个温度场的影响。通常这种 假设对于焊接力学行为的分析已具有足够的精度。本文也是基于这种假设，采用 固体热传导模型而展开的焊接热分析。 1 2 1 2 热弹塑性有限元法的发展 早期焊接变形研究主要根据实验得出的经验公式，只能解决一些较为简单的 问题。从上个世纪至今，焊接的应力应变模拟逐渐由理论走向了实用，热弹塑性 有限元法被广泛应用于焊接领域。 上世纪五十年代，前苏联学者奥凯尔布洛母等人在考虑材料机械性能与温度 之间的相互依赖关系的情况下，用图解的形式分析了焊接过程的热弹塑性性质及 其动态过程，并分析了一维条件下对焊接应力应变的影响【1 7 】。六十年代，由于计 算机的推广应用，对焊接应力应变的数值模拟才发展起来。19 6 1 年，t a i l 等人首 先利用计算机对焊接热应力进行计算，编制了一套沿板条中线进行堆焊的热应力 一维分析程序。1 9 7 1 年，1 w a k i 编制了可用于分析板平面堆焊热应力的二维有限 元程序，后来m u r a k i 对它做了重大改进，扩大了这个二维程序的功能，使之可用 于对接焊和平板堆焊过程的热应力分析。2 0 世纪7 0 年代初，日本的上田幸雄等首 先以有限元法为基础，提出了考虑材料性能温度相关性的焊接热弹塑性分析理 论，从而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能【1 8 】。u e d a 与o k u m o t o 等以有限元法为基础，提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析 理论，导出了分析所需的各个表达式1 1 9 。2 1 1 。美国m i t 的k m a s u b u c h i 等在焊接残 余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作，其著作涉及很广，包含了 瞬时温度场热应力、焊接残余应力和焊接变形，还包括在上述现象基础上的焊接 结构的强度，也论述了焊接缺陷和疲劳断裂力学【2 2 】。 加拿大的j g o l d a k 等对从熔点到室温温度的焊接热应力进行了分析研究，提 出了各个温度段的本构方程，即在温度低于0 5 倍熔点时速率不依赖性或弹塑性、 温度从o 5 到0 8 熔点时速率依赖性或粘弹塑性、温度超过0 8 熔点时线性粘塑性的 模型l z 引。d 拉达伊在总结前人发表的有关焊接文献的基础上，出版了“焊接热效 应一书，对焊接温度场、残余应力、残余变形进行了分析研究，并应用2 d 焊 接仿真和3 d 结构分析相结合的方法，分析了焊接过程的残余应力和残余变形问 题1 2 4 】。 第一章绪论 国内对焊接残余应力和变形的数值分析起步于二十世纪七十年代，首先是西 安交通大学的楼志文等人把数值分析应用到焊接温度和热弹塑性应力场的分析 中，编制了热弹塑性有限元分析程序，并对两个较简单的焊接问题进行了分析【2 5 | 。 上海交通大学与日本大阪大学合作，对三维焊接温度场、应力和变形、高温蠕变 和相变、焊后局部热处理问题进行了共同研究，提出了改善有限元计算精度和收 敛性的若干途径，在薄板焊接失稳变形的研究方面取得了进展，并在实际工程中 得到了很多成功的应用【2 。西安交通大学的汤小牛等人针对工程中大量壳体部 件的热弹塑性问题，编制了稳定温度场和曲壳单元热弹塑性应力分析程序，计算 了异种钢管焊接残余应力的分布以及焊缝宽度对焊接残余应力的影响【3 1 1 。清华大 学的鹿安理等针对实际结构应力和变形的数值模拟，研究了焊接移动热源动态可 逆的自适应网格技术、并行计算材料性能在高温时的处理降阶积分等关键性问 题，提出了相似理论1 3 州。 焊接热弹塑性分析是对材料非线性问题的研究和分析，即材料变形时的应 力应变关系是非线性的，目前还存在以下一些主要问题。 ( 1 ) 在数值模拟中，由于材料性能非线性变化需要在每一次瞬态分析中利用迭 代计算求解非线性方程，而且在系数矩阵中反映熔池部分的值与温度场其他部分 相比是个很小的量，方程矩阵奇异性大，使得求解收敛困难，不得不需要更多迭 代次数才能达到必要的精度。因此，材料性能参数特别是高温区的热物理性能参 数的不足使模拟成为一个难点； j ( 2 ) 焊接热源高度集中，温度场分布极不均匀，在焊缝附近应采用足够细密的 网格划分以达到必要的精度，结果造成自由度数目庞大，有限元模型规模很大， 此外模拟中必须采用与试验环境相近的热源模型和电弧有效系数才能更准确地 反应实际焊接过程； ( 3 ) 焊接温度场、应力场均是随时间变化的动态场，在数值模拟中需要将连续 变化的焊接过程离散为若干个载荷步，在每一载荷步中将动态的温度场、应力场 等效为稳态场进行瞬态分析。但是由于焊缝及其附近部分温度、应力变化剧烈， 需要采用很多的时间子步来实现这种快速变化。例如对一条l m 长的单道焊缝， 焊接速度为1o m m s ，则整个焊接过程需要lo o s 。而在数值模拟中，若时间子步设 置为0 1 s ，则这道焊缝的计算过程需要1 0 0 0 次非线性瞬态分析。因而计算时间长、 成本高，不适合大型复杂结构焊接变形的分析； ( 4 ) 对工程构件而言，一般需要进行三维数值分析。三维数值模拟除自由度数 目巨大、计算时间冗长外，在高温区控制计算精度和稳定性也是很困难的。值得 注意的是，远离焊缝的弹性体部分在焊接变形协调中起的作用在整体模型的刚度 矩阵中是有限的，可以采用其他方法，诸如高温区分离的子结构方法得到结构的 6 第一章绪论 缩减刚度矩阵。例如对某焊接筒形结构的焊接过程进行数值模拟，热弹塑性有限 元法与子结构方法的计算时间如表1 1 。可见，在三维数值模拟中，热弹塑性有 限元法虽然从原理上可以解决复杂焊接结构的变形和应力问题，但需要耗费很大 的计算资源和很长的计算时间，如何有效的提高高温区的计算精度，合理的分配 计算资源是一个很重要的问题。 表卜1 热弹塑性有限元法与子结构法的计算时间 t a b l e 1 lc o m p u t i n gt i m eb 帅e t h e n n a l - e l a s t i c _ p l a s t i cm e t h o da n ds u b s t m j r em 甜1 0 d c o m p u t a t i o n a lm e 也o dc o m p u t a t i o n a lt i m e ( s ) t h 锄a l e l a s t i c - p l a s t i cf m i t ee l e m e n tm 劬o d s u b s t i c n l r a lm e t h o d 7 2 1 9 2 4 9 6 2 4 1 2 2 高效数值模拟方法的研究与应用 从计算时间考虑，前述的一些简化方法对于大型结构并不能达到明显减少计 算时间的效果。对于复杂结构而言，由于结构的复杂性采用2 d 模型代替3 d 模型 的方法无法真实地反映3 d 模型，如表1 2 所示，即也不能很好地用来指导生产， 因此对于大型复杂焊接结构的变形预测采用传统的解析法和热弹塑性法都是无 法实际进行的。然而在实际的生产中为了改进工艺，节约成本，往往又迫切需要 了解焊后大型结构的变形情况。 表1 2 不同模型可能得到的精度级别 t a b l e1 - 2p o s s i b l ea c c u r a c yl e v e l sf o rd i f f e r e n tg e o m e t r i cf e a t u r e so f m o d e l s n o t e ：m p w m u l t ip a s sw e l d i n g ；2 dx - a ) ( i s ) ，l n m e t r i cm o d e l 7 第一章绪论 对于大型复杂构件的焊接变形问题，产生塑性应变及相交应变的区域通常仅 限于焊缝附近，而焊缝区在整个构件中所占比例是相当小的，故可以将整个构件 近似为弹性体来处理。问题的关键是是否存在除数值模拟以外的，可得到构件塑 性应变与相变应变分布的方法。目前尚未有不用数值方法而能得到构件应变分布 规律的报导，故采用这种弹性体加载的简化方法，重点在对弹塑性边界问题的处 理上：有利用实验及积累的应变数据库直接将塑性应变及相变应变作为边界条件 的固有应变法，有利用弹簧单元近似焊缝收缩的弹簧单元法，有利用经验公式求 得的焊缝收缩力作为边界条件的收缩力法，也有将焊缝金属的热应变作为边界条 件的线弹性体积收缩法。 1 2 2 1 弹簧单元法与收缩力法0 3 ，1 0 4 】 弹簧单元法与收缩力法相类似。该方法利用线性弹簧单元加到弹性体上求变 形，其关键是弹簧单元参数及其位置的确定。收缩力法与其相类似，只是将弹簧 单元替换为按照经验公式求得的焊缝收缩力即可。 举一简单情况说明这两种方法的局限性。若在一长平板中间表面堆焊一道焊 缝，则实际变形将包括在板厚方向产生的翘曲，但如果按这两种方法计算变形， 就不会产生翘曲，而只是纵向收缩，在构件变形形式上产生不一致。其原因是这 两种近似方法将与焊接过程及焊接结构有关的非常复杂的塑性应变和相变应变 转化为与焊接过程、焊接结构均无关的恒定的收缩力。这种转换在定性分析上有 一定的合理性，但从量值上简单取代则显得很勉强，无法反映出同一道焊缝不同 位置的区别，也不能反映出焊接顺序的影响。 在实际计算中不可能精确确定弹簧单元参数、位置或收缩力的分布。因为准 确确定上述参数的工作量甚至比进行全过程热弹塑性分析还要大，所以只能作出 大致的估计，必然造成计算结果的误差。由此可见这两种方法只适用于一定条件 下的定性计算，用于指导生产有很大的局限性。 1 2 2 2 线弹性体积收缩法【3 ，1 0 5 】 线弹性体积收缩法假定熔化金属冷却过程中的热收缩是导致焊接变形的主 要因素，因此利用实验或者数值模拟得到接头处垂直于焊缝方向发生熔化部分的 截面形状，在有限元模型中将该部分单元一次性地施加温度初始条件，然后模拟 冷却过程，得到残余变形量。其中假定了材料热膨胀系数为一常量，冷却过程发 生线弹性收缩。 利用该方法避免了对焊接热循环过程的描述和计算，同样不能体现同一焊缝 第一章绪论 不同位置的区别，不能体现焊接顺序的影响，但与弹簧单元法及收缩力法相比， 将难以确定的边界因素如弹簧单元参数、收缩力的大小等转变为易于测量的熔化 区截面形状，因而在边界条件的描述上准确性大为提高。与固有应变法相比，将 焊接过程中发生的塑性应变、温度应变及相变应变转化为一个过于简单的线弹性 热应变，因此对于变形的计算也会造成较大误差。 1 。2 。2 3 固有应变法3 ，6 ，4 0 4 9 ，7 5 】 2 0 世纪7 0 年代，在焊接热弹塑性理论发展的同时，日本一些学者提出了固有 应变概念。u e d a 等利用这一概念发展了基于线弹性有限元的固有应变模型【3 5 3 6 】。 在此基础上，m u r a k a w a 等根据热弹塑性有限元模拟结果以及实验结果的比较， 引入弹性约束参数，分别获得弹性约束参数与固有应变以及最高温度与固有应变 的相互关系，建立了简单而准确的固有应变分布模型【”3 8 1 。后来，j a n g 等通过对 材料温度特性的研究，得出了考虑材料非线性的固有应变模型，并提出用单位载 荷法计算结构的约束度p 9 1 。 固有应变概念自从提出便得到了广泛的应用。t a k e d a 应用固有应变理论，通 过弹性分析预测了曲面板对接焊的焊接变形【划。j o n s s o n 在研究长焊缝中残余应 力的分布问题时引入固有应变理论，取得了很好的效果【4 1 1 。k u o 等应用固有应变 法，分析了船体板在不同热源作用下的变形问题【4 2 1 。从上面的讨论中可以知道： 固有应变是由最高到达温度和约束度决定的，而最高到达温度则是通过焊件截面 热传导分析得到，但其计算方法复杂、耗费时间长，因此也很难用于工程实际应 用。 为了简化固有应变的计算，j a n g 等提出了圆弹簧模型，把焊接区域看作是 圆，四周约束金属看作是弹簧。通过实验结果分析，将熔池等温线区域理想化为 半椭圆形，并利用r o s e n t h a l 方程导出了固有应变区的简化计算公式1 4 3 | 。s e o 改进 了圆弹簧模型，引入杆弹簧模型并结合实验结果，导出了更为合理的固有应变 简化计算公式。后来，s e o 等利用杆弹簧模型发展了一种新的有限元法，并定义 和应用了这种具有正交材料属性的线性加热单元，通过对加热和冷却过程产生的 固有应变进行积分得到线性热源的收缩力和弯矩m 】。 近年来，上海交通大学对残余塑变的确定和计算误差作了系统的研究，在大 型船体、轿车、液力交矩器等结构焊接变形的预测中取得了显著的成功，并应用 大型通用软件，实现了大型结构焊接变形的预测和焊缝引起的结构刚性变化的分 析【4 玉矧。清华大学和哈尔滨工业大学分别利用经验公式得到纵向收缩力分析了 起重机主梁焊接变形和圆柱壳体环焊缝的焊接变形【4 卜4 9 1 。 随着研究的深入，采用固有应变预测焊接变形的方法目前还存在如下一些问 第一章绪论 题和不足。 ( 1 ) 对影响焊接固有应变的因素及其定量规律研究还不够充分，不同焊接构件 固有应变均不相同。用典型接头、典型焊接工艺方法近似具体结构，忽略同一焊 缝先焊部分对后焊部分的影响，忽略焊接顺序的影响，必然引起一定误差。例如 往往假定纵向固有应变系数为一常数，虽然它也有一定的解析理论基础，但应根 据实际情况的工件尺寸、线能量、焊接顺序等加以修正从而提高焊接变形预测精 度； ( 2 ) 对一些典型材料如铝台金等缺乏固有应变的数据，需要研究加以补充。 1 3 本课题研究的目的和内容 数值模拟技术对科学地控制焊接结构的制造精度具有重要作用，但由于焊接 结构及过程的复杂性，实际结构焊接数值模拟的可行性一直是世界性的难题。某 5 a 0 6 铝舍金筒形焊接结构内由若干个同等材质的加筋圈加强，如图1 2 。 c o 一卫* ! 黜 圈1 05 a 0 6 铝合垒焊接结构 f l g l - 2 d i 8 笋蛐o f 5 a 0 6a h b u i l l m 】o yw c 】m n gs n v c t t n m ea 、b 机加工切除音| i 分；c - 筋板；d - 5 a 0 6 铝合盘铝圈；e 一支撑工装 第一章绪论 5 a 0 6 铝合金属a l m g 系非热处理强化变形铝合金。其特点是密度比纯铝小， 有很好的抗海水腐蚀、焊接和抛光性能，塑性优秀，且强度比纯铝和铝锰合金高。 5 a 0 6 铝合金适用于各种塑性加工成型制品，可供造船、车厢、仪器和容器等各 种焊接结构用，是航空航天工业不可缺少的重要材料。铝合金材料刚度差( 约为 碳钢的三分之一) 、线膨胀率大( 约为碳钢的二倍) 、高温强度低( 3 7 0 时强度仅为 l o m p a ) ，致使其焊接结构的焊后变形与钢相比严重的多， 而且其矫正难度也很 大，一旦发生大的焊接变形，结构几何尺寸精度和使用性能将难以保证。 本课题中，该铝合金结构外径为6 3 8 m m ，壁厚很小仅为9 m m ，筒体内壁焊加 筋圈的目的是增加结构刚度，以控制其径向变形，该结构拟定的装配、焊接顺序 如图1 3 所示。由于工件在筋板焊接后要进行后续机加工，沿轴向切除部分简体 结构，并在对应的a 、b 位置重新焊接加强板，因此整个工序较为复杂。铝合金 材料本身的焊接变形较大，单纯采用实验或理论的方法对如此复杂结构和加工顺 序的焊接工件的残余应力与变形进行测量是无法进行的。通常的变分法或热弹塑 性有限元法尽管可以进行计算，但实际结构的三维有限元模型规模较大，焊缝数 量繁多，对计算机硬件要求较高，耗时耗力。 i5 a 0 6 粥会金筋体机绷。【。在筒体内壁 l装辫筋嘲 l( 罔卜2 巾c 部分) l l l 在筒体内部安装径向支撑工装 毒 i沿轴向切除部分衙体( 嘲l 之巾 a 、b 部分) 毒 沿篱体切口位麓装焊加强板 毒 f 结构整体邂火潲应，僳话后续加工尺 寸稳定性基j 耩澄 图1 35 a 0 6 铝合金结构焊接加工流程图 f i gl - 3w e l d i n g 柚dp r o c e s sf l o w i l l gc h a r to f5 a 0 6a l m i n u i i l la l l o yw e l d 访gg t m c t u r e 本文结合典型实验结果对该铝合金焊接结构的焊接、装配及热处理过程开展 了一系列的研究工作，力求在保证必要精度的前提下，有效的提高计算效率，以 在焊接数值模拟实用化方面取得一定的进展，并可在工程实际中有所应用。本文 主要包括以下几方面研究工作。 第一章绪论 ( 1 ) 材料高温热物理参数的确定 材料的高温性能参数对焊接过程数值模拟的结果和计算过程均有较大的影 响，因此也必然要对数值模拟的精度和准确