焊接结构变形预测及控制的研究现状

焊接结构变形预测及控制的研究现状
摘要：焊接是现代机械设备与结构加工中常用的工艺之一，为了保障焊接结
构符合标准，要在变形问题产生前进行预测，并通过控制来减少变形给焊接结构
带来的负面影响。

本文对控制与预测焊接结构变形的研究现状进行分析，确定控
制与预测的实现方法，以此强化对焊接过程的控制，提升焊接质量水平。

关键词：焊接结构；变形；预测；控制；研究现状
焊接过程中出现的残余应力与焊接变形问题会给产品的质量与使用带来影响。

控制焊接变形时，应当了解影响变形的因素，利用焊接规律来预测焊接变形，提
升焊接质量水平。

现分析焊接结构变形控制与预测的研究现状。

1预测焊接变形的方法
1.1解析法
弹性理论是解析法的基础，通过数学与物理理论对数学模型进行演绎与推导，获取能够用函数形式实现表达的解析解。

有研究者利用解析法，分析当热源瞬时
集中到面、线、点条件下时焊接热工程的情况，提出假设条件：如果材料处于任
何一种温度下，都呈现出固体的状态，不会产生相变，材料性能也不会因温度而
出现变动，同时尺寸也为无限大，但是实际情况与这些假设条件相差甚远，因此
实际结果与模拟结果之间也存在较大的差异。

还有研究者从分类与起因两个角度
对焊接变形与残余应力展开研究，获得相应的理论方法，在此理论的基础上依靠
残余塑变分析计算焊接变形，这一方法的使用前提是设置横截面假设，因此其只
能被运用到预测相对简单化的焊接变形问题；而后依照低碳钢薄板出现焊接变形
后的翘曲现象，推导出预测变形公式以及焊缝收缩概念。

使用解析法时需要假定
所有区域都维持弹性，并且只对参与塑性变形问题加以考虑，对于解析条件也有
严格的要求。

1.2焊接变形的数值模拟
在解析法的基础上产生了焊接数值模拟的预测方法，可通过计算机程序建设
数学模型，求解近似解，这种方法可以运用直观的方式表达出温度场的实际变化
情况，更精准地预测焊接变形与焊接热应力。

热弹塑性有限元是使用范围相关广
泛的方法，能够对焊接焊缝的整个过程进行跟踪，需要先分析焊接过程中的热循环，获取温度场，再将温度场设置成初始条件，将其加载至有限元程序中，获得
焊接活动的应力应变场，而后可分析焊接变形，这种方法可以对多种焊接方法进
行预测，同时还能预测多种材料产生的焊后变形以及针对多种接头形式进行预测，也能够在分析焊接残余应力、裂纹、断裂以及强度时发挥作用。

国外研究者在有
限元方法的基础上，研究出焊接热弹塑性相关理论，其基本观点为机械性能会根
据温度的变化而产生变化，进而将焊接热应力模拟的表达式推导出来，并模拟焊
接应力应变的动态过程。

通过获取精准的温度场可以实现精准预测焊接表现的目的。

采用这种预测方式时，模拟焊接熔覆金属对焊缝进行填充的过程难度比较高，依照判定准则，按照顺序来激活焊缝处的各个单元。

有限元法可预测中型与小型结构件的焊接变形与残余应力的情况，但难以模
拟大型焊件的变形情况，需要更多的计算时间，对于计算机设备的性能也有着极
高的要求。

可将内应力的产生源看作是固有应变，直接避开焊接过程，关注完成
焊接后近缝区与焊缝之间产生的固有应变。

确定焊接参数、固有应变与焊缝尺寸
等影响因素之间的关系后，将固有应变当作初始应变值展开一次弹性有限元分析，以此取得焊件的整体变形与残余应力信息，减少实际计算量。

2控制焊接变形的有效措施
2.1选用科学的设计方法
控制焊接变形时可以从设计阶段切入，首先要选出合适的构件结构，充分考
虑技术要求、生产规模、材料与构件特点，以此确保构件具有稳定的结构，且截
面能够保持对称；如果焊缝尺寸比较大，不仅会导致焊接量增加，还会使焊件中
输入过多的热量，更容易产生焊接变形的问题，因此需要控制焊缝数量并缩短焊
缝长度，可将焊缝设计到对称中心轴或者中心轴附近的位置上，这种设计方法可
使焊接变形实现互相抵消；如果焊接强度相等，不开坡口的焊缝需要填充的金属
更多。

2.2发挥反变形法的作用
焊接焊缝时需将液态焊缝转化成固态焊缝，焊缝收缩时，工件外形尺寸也将
缩小。

采用反变形法，可先通过人为的方式生成变形，并使这一变形和焊接后产
生的变形形成相反的方向，并且保持一致的变形量。

这一方法的使用范围相对比
较广阔，操作过程也极为简单，但是需要依靠操作者的经验。

结合实际使用情况
可知，采取反变形法之后，焊接中的反变形与焊接变形能够相互抵消。

2.3调整焊接方法
根据焊接所用的接头、母材以及焊缝质量，焊接环境，对焊接方法进行选择，以此也能够控制变形。

在造船、汽车、航天航空领域中，高能束焊接是优先被使
用的焊接方法，其功率密度大，选用等离子束、激光以及电子束等作为热源。

高
能束焊接利用小孔效应，改变既有的传递能量的方式，相比常规弧焊技术，其接
头具有更大的深宽比，能量密度也很高，热影响区不大，能够实现对焊接变形的
控制。

将窄间隙坡口与普通焊接技术结合使用，利用控制技术与专业化装置实现
焊接目标，将焊缝原本的填充量降低，缩小焊接热影响区域，最大程度控制焊接
变形，不仅形成了更高的焊接效率，还改善接头性能，节省材料，强化接头的冲
击韧性、回火催化能力与裂纹延迟能力。

2.4优化焊接工艺规程
选择合适的工艺参数，以挖掘机的机臂为例，对其实施焊接时，需控制电流
使其保持为下限值，缩减热输入，控制角变形时，可适当缩减焊缝首层的焊接电量，加快焊接速度。

当焊道与焊层增加之后，将焊接电流也增加，使焊接生产率
得到提升，实现对弯曲变形、扭曲变形以及角变形的有效控制。

如果结构保持对称，应选择对称焊法；如果焊缝相对集中，可通过跳焊法来
解决集中受热的问题；如果长焊缝的长度超过1m，需选择分段焊接的方式；针对
组合件，确定部件组焊以及矫正达到标准后才可进行整体拼装；如果结构并不对称，需要先处理焊缝比较少的一侧；先对收缩量偏大的焊缝进行焊接，确保焊缝
实现自由收缩，进而控制焊接应力；还需先完成受力大的焊缝的焊接任务，合理
分布内应力。

保障焊接质量时，还应关注焊接夹具的选择，依照焊接要求调整夹具。

2.5采用系统化的分析方法
控制焊接变形，除了要关注焊接的各个环节，还应立足整个生产加工过程，借助综合分析的方法，设置最优目标，分析影响焊接成果的各类因素，并探寻影响因素之间的关联，通过定量控制的方法实现对焊接变形的精准化控制。

预测分析与控制焊接结构变形，应以预测环节为切入点，针对现有预测方法的问题，进行调整与改进，提升计算效率，简化计算过程，缩短计算时间，并保障预测结果与实际情况是相符的。

当前焊接结构中，采用单一焊接方法的情况并不多见，大部分结构件是由多个不同焊缝共同构成的，焊缝之间存在相互影响的情况，因此进行预测时，要考虑到焊缝之间存在的相互作用的情况。

对产生加工生产的全过程进行把控，不能只关注焊接过程，还要控制焊接前期的预热，焊接结束后的热处理以及焊接夹具的松开与夹紧等动作。

3结论
实际生产过程中，必须要加强对焊接结构变形问题的重视度，本文主要分析预测以及控制焊接变形的研究现状，在现有技术成果的基础上，应不断获取新的焊接技术经验，用以补充焊接理论，再通过先进的焊接理论指导焊接生产实践活动，不断提升预测结果的精准度，同时强化对变形问题的控制力度，全方位保障焊接结构达到质量标准，提升焊接带来的生产效益。

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