浅析焊缝建模及焊接变形控制

周阳

摘 要：材料要经历熔化、重新固化和非常高的瞬间热梯度，除了其他非线性源之外，还会出现基于非线性温度的塑性应变和相互转换。对于在工业生产中具有实际优势的焊缝建模而言，大型复杂构件的最佳焊缝设计需要许多独立的分析，解决方案的计算时间必须是可控的。目前焊缝建模技术是比较先进的，它对许多装配式构件具有重要的影响。

关键词：焊接变形；控制方法；焊缝建模

中图分类号：TU758 文献标志码：A

大多数计算机焊缝模型都是基于数学和物理的模型。以下是对一个VFTTM代码的简要描述，文中实例采用了该代码。我们也有用于预测和控制焊接残余应力和变形的其他代码。有两个主要分析模块，热模型和结构模型，它们组成了焊接过程的模拟模型。热模型（CTSP）是基于复杂的闭式分析表达式的叠加和先进的热源理论而开发的。CTSP是非常快速的，可用于较大问题的处理。在采用能够对材料熔化和相改变等作出说明的特殊焊接特定用户材料程序的情况下，结构模型需要捆绑ABAQUS。

因为全移动电弧三维建模的复杂性，所以在许多情况下计算机焊缝模型都采用二维建模假定。2D假定产生错误结果的案例有很多。轴对称焊缝建模已成功用于提供轴向和环向焊接残余应力的保守预测值，尤其是在管材方面。为了控制焊接变形、残余应力和微观组织，已对许多大型焊缝模型进行了分析。尽管二维模型在某些情况下能够提供合理的焊接残余应力预测值，但变形预测必须采用三维解决方案。焊缝模型可用于控制焊接变形和残余应力。

1 VFTTM焊缝建模工具

该建模工具由焊缝图形用户界面（WGUI）、综合热解决程序（CTSP）（或数字DFLUX代码）和结构模型（UMAT）组成。WGUI是一个为模拟焊接过程而开发的3D图形用户界面程序。该建模工具为用户提供了一个定义CTSP和UMAT焊接模拟程序的可视工具。在该软件中CTSP和UMAT是热和结构分析的两个主要分析模块。

2 综合热解决程序

CTSP容许大多数焊接特点，从焊缝的起始/终止效果、多焊道和基板切割图到随焊冷热源和在复杂构件上移动焊接吹管。它是基于复杂闭式分析表达式的叠加和先进的热源理论而开发的。与传统的数字热解决方案相比，它能够用于获得复杂（随意的）焊接几何图形的快速热解决方案。

3 结构模型

UMAT包括为焊接应用特殊开发的结构法。先进的UMAT-WELD程序扩展了ABAQUS在材料建模方面的能力并极大地改善了焊接应用的数据汇集。

结构法允许由焊缝的熔化/重熔效应、应变硬化效应、较大变形机制和虚拟元探测（VED）方案所导致的应力释放以便模拟与移动电弧相关的连续的焊接元素沉积。该结构模型是通过执行一个特殊材料模块基于ABAQUS商用有限元代码开发的，它包括一个允许应力释放的结构法，应力释放是由焊缝的熔化/重熔效应、应变硬化效应、较大变形机制、焊缝金属快速沉积特性等导致的。

UMAT-焊接的一些主要特点包括：

（1）采用场变量追踪重要点的温度，记录并为焊接融合线的可视化存储这些点所经历过的最大温度值；

（2）采用基于解决方案的状态变量追踪屈服轨迹的演变；

（3）允许用户选择各向同性或运动的或两者相结合的退火应变硬化模型；

（4）鉴于预焊接初始应力等因素，将其并入了初始应力自平衡程序。

4 变形应用

焊缝建模工具能够用于构件设计阶段和构件生产阶段之中。在构件设计阶段，它可用于为不同的设计预测焊接引起的变形。根据因焊接引起的变形确定最优设计。

5 在构件设计中的应用

预应变。预应变是重工业中控制焊接引起的变形的一项技术。在组装焊接构件前，根据经验和实验把钢板弯成持久的形状。焊接后，焊接引起的变形会使这个弯曲的形状变直。为了确定预弯曲的形状和幅度，需要进行大量的实验。

6 构件生产中的应用

有限元模型显示了采用GMAW焊接方法被焊接到4英寸厚环形件上的直径100英寸长90英寸的圆筒。圆筒和环形件都是用高强度钢制成的。最初圆筒是一片平钢板，边是按指定的焊缝类型制备的，采用多焊道单边坡口滚焊进行纵向焊接。然后采用双面半英寸T形角焊把圆筒焊接到端环上。

在加工该简单构件前，我们使用了计算机焊缝建模工具对焊接顺序进行了研究。顺序是用平头钉钉圆筒，进行多焊道滚焊，然后采用外角焊和内角焊把圆筒焊接到端环上。发现圆筒在径向方向上的变形极大。圆筒的圆度不能满足设计要求。在把圆筒焊接到端环上之前必须进行修正。

7 无效最优焊接顺序

焊接顺序在控制变形方面一直被广泛采用，但根据焊接经验不能确定最佳焊接顺序。随着焊缝建模技术的发展，有可能开发新的焊接变形控制方法。

焊接顺序在减轻焊接引起的变形方面并非总是有效的。它还取决于焊接构件的几何形状。在焊接期间，两个孔用螺栓固定。焊接后焊缝收缩，产生弯曲应力，使该构件的远端升起。如果构件的远端在焊接期间被夹住，变形会减小。

8 预弯曲技术

预弯曲技术是重工业中控制由焊接引起变形的一项技术，它不同于预应变，预应变就是在焊接前通过液压工具把夹具上的焊接构件弯曲到某个形状。预弯曲技术可以分为4个步骤：（1）通过点焊把钢板组装成一个零件；（2）采用液压工具把该零件预弯曲成某个形状；（3）焊接该零件；（4）释放预弯曲和夹具。如果预弯曲形状和幅度是最佳的，焊接后零件的变形会非常小。

对特定的焊接构件而言，在焊缝建模工具开发前，材料和焊接热输入、预弯曲形状和幅度是通过经验确定的。为了把焊接引起的变形降低到产品所要求的公差范围内，需要多次重復的实验。这极大地增加了焊接操作的成本。

因此，我们把焊缝建模程序用于模拟预弯曲效果。通过把该零件预弯曲成不同的形状和幅度来进行几个试验预弯曲和焊接分析。结果显示如下 ：一个具有均匀的预弯曲幅度，另一个具有不均匀的预弯曲幅度。无论是焊接前预弯曲的形状和不均匀的幅度还是去除预弯曲夹具后最终的变形形状和幅度都在该产品所要求的变形公差2mm以下。CMM测量显示焊接后该板的平度在1mm～2mm。预弯曲的设计过程不是一个尝试不同图形直到达到理想的最终变形公差的随意过程。一般来说，分析始于无预弯曲。首次分析把预弯曲位置处的变形值用作初始值。进行分析，释放限制，获得一套新的变形值。然后把这些值用于下次的重复，直到达到理想的公差为止。一般来说，需要重复5次～10次，然后可得到一个不均匀预弯曲图形。通过夹具的实际性质来平衡最佳的预弯曲图形。因为夹具本身也是采用该程序设计的，所要求的预弯曲约束力源于焊缝分析。

生产记录对构件的使用寿命有重要的影响。疲劳、腐蚀裂纹、断裂等都能受先前记录的影响。进行包括焊接引起的残余应力构件损坏评定过程中一般会忽略先前记录。变形、残余应力、疲劳和断裂的评定经常是在假定所用材料是未受损和无记录的情况下进行的。

结论

本文对采用基于计算机的焊缝建模软件对焊接引起的变形控制技术、焊缝设计优化、预应变、最佳焊接顺序和预弯曲进行了研究。通过采用计算机焊缝建模可从计算机模拟中获得最佳变形控制参数。因此，可降低焊接操作成本，缩短初样周期，改善焊接构件的整体性。

参考文献

[1]柏斯特.优化焊接电流和速度剖线[J].ASME2012压力容器和管路会议出版物，2012（7）：56-58.

[2]玛雅阿萨迪.焊接变形方法和焊件建模应用[J].ASME2009压力容器和管路会议出版物，2009（7）：20-24.