焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响分析

王胜伟，李曼德，刘显勇，程伟林

（1.滁州永强汽车制造有限公司，安徽 滁州 239000；2.中航飞机股份有限公司 长沙起落架分公司，长沙 410000）

堆焊是以获得特殊表层、发挥表层合金性能为目的，采用焊接方法在母体材料表面熔敷一层具有特定性能材料的工艺技术[1]。堆焊过程中不均匀的热输入容易导致焊件产生残余应力和一定程度的变形，影响焊件的结构强度和使用寿命[2]。Tall等人通过编制相应的Fortran程序对板条堆焊时的焊接热应力进行了计算分析[3]；Pang等人提出可用小孔法来对残余应力进行测量[4]；杨庆祥等人对堆焊过程中的残余应力场进行了模拟和测量[5]；李超等人模拟分析了焊接工艺参数对堆焊焊缝区域温度场的影响[6]；王强等人对平板堆焊过程中热应力进行了动态模拟[7]。

笔者分析了热输入对堆焊残余应力及形变的影响规律。首先建立了钢板堆焊的有限元网格模型，利用ANSYS参数化设计语言进行高斯移动热源的加载，研究了焊接电流和焊接速度对堆焊残余应力和形变的影响规律，对堆焊的实际操作具有一定的指导意义。

1 焊接应力场有限元数学模型

焊接过程中，高度集中的瞬时热输入导致焊接完成后，焊件将产生较大的残余应力和变形。在对焊件温度场进行分析的基础上，根据热弹塑性分析、粘弹塑性分析、热应力和相变耦合效应等理论对堆焊残余应力和变形进行分析[8]。考虑到焊接过程的复杂性和热应力场中存在的非线性因素，将结构应力场的求解当成非线性瞬态问题来处理。……