基于多焊缝结构零件的焊接工艺与力学分析

孟祥瑞 韩伟

摘 要：在焊接完成的零件中，存在应力腐蚀裂纹，对零件的影响很大，会导致一些部件不能使用。通过对零件结构分析，发现在焊接区域附近的应力非常大，主要的原因是焊接过程中生热，将零件内部结构发生变化导致，最终形成残余应力，破坏焊接效果。因此，消除残余应力，保障焊接强度，是制定焊接工艺的前提。

关键词：焊缝结构;焊接工艺;残余应力

1 结构分析

在焊接零件生产中，压力容器是典型零件，该种零件内部需要有足够的空间用于装其他材料。同时还需要承受一定的压力，保证材料不泄露。压力容器本身由于存在曲面，因此通过机械加工不能实现一个整体的压力容器，需要将不同的曲面进行焊接，最终得到一个完整的零件，举例如图1的压力容器。

在对该零件进行焊接加工时候，需要考虑移动热源、焊接顺序、温度变化。焊接时零件本体会随着温度的变化物理性能和机械性能发生改变。在对零件进行交替焊接时，零件的轴向应力和径向应力会随中心角进行变化，为了能够很好的了解焊接残余应力，通过3D技术和有限元技术，对起焊区和终焊区进行分析，得到残余应力的变化情况。

图2为焊接过程中典型对接焊法。

焊接之前需要利用有限元计算焊接变形和应力分布，在分析焊接力学，最终才能进行焊接。而对于这种压力容器，本身要求高，同时零件厚度大，在焊接时候，很容易出现焊接不到位，外部已经焊接上，内部没有形成焊接。因此采用坡口的处理方式，J型坡口在压力容器焊接过程中广泛使用，J型焊口在底部呈曲面，不会产生应力点，焊接之后会很好的将两个零件连接在一起，在采用多个焊道合并形成一个焊道的方式，最终将零件焊接在一起。

2 残余应力

参与应力的产生与焊接过程中的热量是分不开的，焊接时候由于电弧与材料之间的反应，会产生很大的热量，通过热量将焊接本体与填充材料融合到一起，材料、温度、应力之间的关系如图3。

利用有限元技术对焊接残余应力分析，主要从以下几个方面进行：

（1）通过将温度场合应力场作为模拟的基础，建立焊接的结构模型，将热源作为变量，形成一个计算方法，分析增加坡口角度和焊接顺序对残余应力的影响;

（2）分析材料结构和材料性能是都存在影响，焊接中焊缝相交处堆焊是否对焊接应力的影响，排除外界因素的影响;

（3）计算数据得出结果，结合焊接过程中实际的形式，对不同材料和结构采用不同的焊接方式，最终计算出残余应力的大小;

（4）模拟和应用，将得到的数据进行3D焊接，焊接过程通过软件进行事先模拟，无问题后进行实际焊接。焊接过程中收集焊接数据，与模拟焊接数据进行对比，以便经验总结。

3 结论

本文通过对焊接零件结構和焊接工艺的分析，可以确保焊接过程中焊接点焊接饱满，采用对焊接端处理的方式可以减少参与应力，分析金属零件和制造过程最有效的软件ANSYS。通过有限元对焊接过程中热传导、焊接热弹塑性，建立焊接温度、残余应力的数学模型，实现焊接过程中零件结构和应力的变化跟踪，找出最优的焊接工艺和降低残余应力的措施，保证零件的强度和加工要求。

参考文献

[1]佘昌莲.焊接结构的残余应力研究[D].武汉理工大学硕士论文，2004：12-31.