12-焊接残余应力与变形数值模拟技术研究现状及发展趋势

焊接残余应力与变形数值模拟技术研究现状及发展趋势李玉博，魏艳红，占小红（南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京210016）摘要：本文综述了国内外学者应用数值模拟技术对焊接残余应力与变形的研究，归纳了研究者们应用这一技术对焊接工艺优化的成果，以及对数值模拟技术精度与效率的提高做出的贡献，认为数值模拟技术在预测和分析焊接应力与变形方面已经取得了长足进步，但是许多实际问题仍悬而未决，并对该技术的发展做了展望。

关键字：焊接残余应力与变形；数值模拟技术0 前言焊接残余应力与变形是降低焊接构件性能及可靠性的重要因素之一，因此，控制焊接残余应力与变形对于工业设计及生产有至关重要的作用。

焊接残余应力的产生主要是由于焊件在焊接过程中的局部加热或快速冷却致使其受力不均匀所导致的[1]。

若在焊接前准确预测焊接残余应力的大小及其分布，将对其起到有效的控制作用。

随着计算机技术的发展，借助数值模拟预测焊接残余应力与变形的技术在国内外得到了广泛的发展。

这不仅可以避免实验的盲目性并且还可以减少研究成本。

1 数值模拟对焊接工艺的优化许多因素可导致焊接残余应力与变形，除了材料的性质、焊工的技术水平等因素外，焊接工艺对焊接应力的形成也至关重要。

因此，许多科研工作者通过优化焊接工艺的方式来控制焊接残余应力。

1.1模拟夹具对焊接残余应力与变形的影响Ma N [2]用数值模拟的方法定性地分析了夹具的存在对焊接残余应力与变形的影响；并且通过改变模型中夹具的受力方向及夹具位置，计算出相应的焊接应力。

结果表明，模型中夹具的使用可以有效地减少焊后变形，且在夹具上施加三维应力后效果更为明显。

Javadi Y [3]应用有限元方法模拟304L 不锈钢板的焊接应力与变形，通过增减夹具的数量及改变夹具的位置，来比较不同情况下焊接应力的分布及焊后变形。

与Ma N不同的是，Javadi Y通过超声波测应力法证明有限元结果的正确性，结果表明，夹具的使用增加了焊接纵向残余应力，同时，可大幅度减少焊后变形。

1.2 模拟焊缝形状对焊接残余应力与变形的影响Velaga S K [4]对比分析了同一个圆筒上环焊缝与对接焊缝的焊接特性。

在耦合热-力-冶金有限元分析的基础上，模拟了环焊缝与对接焊缝的残余应力分布。

结果表明，环焊缝与对接焊缝的焊接温度场、焊接残余应力分布有明显的区别。

模拟对接焊缝得到的内外表面的环形应力分别为225MPa和180MPa，而环焊缝内表面的轴向拉伸应力为60MPa，外表面的压缩应力为80MPa。

因此，在焊接圆筒容器时选择环焊缝较对接焊缝更有利于增加圆筒的使用寿命。

Zhao L[5]应用有限元方法模拟T92和S30432两种不同碳钢的焊接残余应力，结果显示，通过减少坡口的尺寸，T92碳钢侧的焊接环向和轴向应力的最大值显著降低，而S30432一侧的变化并不明显。

1.3 模拟焊前及焊后处理对焊接残余应力与变形的影响对焊件进行焊前或焊后处理也是控制焊接变形的方法之一。

Aalami-Aleagha M E [6]采用多层多道环状模型，耦合热-力分析方法，分析了不同的预热温度对焊接应力及变形的影响。

结果表明，在焊缝区预热对焊接过程中的温度分布有着较大影响，而没有改变焊接残余应力的分布情况。

Li Y [7]模拟不同热库强度对脉冲激光焊接残余应力与变形的影响。

Mochizuki M[8]应用冷却装置对T型接头焊缝区域进行冷却，模拟结果显示，在不使用点焊及无外力限制的条件下，角变形可大大减少。

Richards D G[9]应用数值模拟技术分析了液体二氧化碳冷却系统对AA 2024-T3平板搅拌摩擦焊接引起的焊接残余应力的影响，分析结果表明，冷却装置离热源的距离越近，对焊接残余应力的抑制效果越好。

1.4 模拟焊接顺序对焊接残余应力与变形的影响南京航空航天大学的唐彬、魏艳红等人[10]利用有限元分析了钛合金不等厚壁矩形管封焊的焊接残余应力与变形，并通过调整焊接顺序使实际构件的变形程度减小。

Deng D [11]模拟J 型接头多层多道焊焊接顺序对焊接变形的影响。

模拟结果显示，焊接顺序不但影响焊接变形，而且可以改变焊接变形方式。

此外，结果表明最后一道焊缝对总体焊接变形的影响最大。

Li Y [12]应用界面单元法模拟焊接变形，找到了最优的焊接顺序。

通过界面单元法模型和普通有限元方法模拟的结果与实验结果对比，界面单元法模型对焊接顺序更敏感，因此更能准确地描述焊接顺序对焊接变形的影响。

Manurung Y H P [13]应用有限元方法分析了焊接顺序对角变形的影响，建立了多层多道焊接与对接组合模型，提出了两种焊接顺序假设，如图1所示，耦合了热-弹-塑性有限元分析方法。

通过实验验证了该模型的正确性。

结果表明，采用模型1较模型2的焊后角变形较少即由外向内的焊接顺序较由内向外的效果更佳，该研究结果为选择合适的焊接顺序以减少焊接变形提供了参考依据。

132457689101112131415132458679101112131415 a)b)图1不同焊接顺序示意图1.5 模拟工艺参数对焊接残余应力与变形的影响Islam M [14]提出了应用有限元方法优化焊接参数以达到减少焊接变形的观点。

系统总体结构如图2所示，首先建立数值模型，通过实验验证热源模型的正确性，输入合适的焊接参数，模拟不同参数下的焊后变形，选出最大变形量作为目标方程；随后，设置温度限制条件，将模拟结果输入到以遗传算法为基础的优化系统中，通过优化，选出较优的焊接电流、焊接电压等焊接参数；最终通过循环，选择出焊接变形最小时的最优焊接参数。

1.6热输入对焊接残余应力与变形的影响Deng D [15]分别应用大角度变形理论与小角度变形理论计算了应用二氧化碳气体保护焊时薄板对接的应力与变形，并且考虑了不同节点数、不同热输入对计算结果的影响。

结果表明，随着热输入的增加，横纵向收缩、挠曲变形随之增加。

在此基础上，该研究团队开发了新的热源模型[16]，对比了二氧化碳气体保护焊与激光焊引起的焊接变形。

结果表明，激光焊由于其较高的能量密度可有效地减少焊后变形。

天津大学金晓军等人[17]利用热-弹-塑性理论为基础的有限元数值模拟技术对SAF2205双相不锈钢管道接头环焊缝残余应力进行模拟，得到了管道内外表面残余应力的分布规律，结果表明焊接热输入的提高可减少焊后应力，但影响不是十分明显。

图2 系统结构示意图2数值模拟精度的提高虽然数值模拟技术在焊接应力预测方面得到了广泛发展，但其精度与实验结果比较还是存在一定误差，为提高预测焊接变形数值模拟计算精度，许多科研工作者做了如下研究。

南京航空航天大学的苏阳、魏艳红等人[18,19]通过模拟铝合金薄板T 型接头双激光束双侧同步焊接，研究了不同焊接热源模式对焊接变形的影响，通过热源校核，准确模拟出了焊接过程中应力场分布和变形分布规律。

Chukkan J R [20]通过比较三种不同热源模型来计算焊接残余应力与变形。

如图3所示，三种热源模型分别为圆锥热源、圆锥-双椭球组合热源、圆锥-圆柱组合热源。

通过模拟计算得到焊接残余应力、焊接变形并与实验进行比较。

结果显示，圆锥-圆柱组合热源较其他两种能够更好地预测焊接应力与变形，更符合实验结果。

a ）圆锥热源 b)圆锥双椭球组合型 c)圆锥圆柱组合型图3 热源模型示意图Murakawa H[21]依据固有应变法与界面单元法开发了一个预测焊接应力与变形的系统。

该系统首先通过热-弹-塑性有限元模型计算出固有应变，然后应用了大变形理论、界面单元法并且整合固有应变，最后依靠弹性有限元方法计算出焊接引起的应力与变形。

通过该系统，可以预测不同焊接条件下的焊接应力与变形。

Wang C [22]建立了三个不同的SCM440不锈钢T型接头熔化极气体保护焊模型，并且找到了其中最为准确的一个。

如图4所示，其中第一个模型为一个整体，焊缝与母材无间隙；而第二个模型梁与平板之间存在间隙；第三个模型应用生死单元技术，使得在焊接的进行过程中焊缝随之生成。

通过与实验结果进行比较，应用生死单元技术的模型所预测的焊接变形与实验结果更为接近。

a)整体b)梁与平板间有间隙c)焊缝应用生死单元技术图4 熔化极气体保护焊网格模型考虑到相变对焊接应力的影响，Deng D [23]建立了热-冶金-力有限元模型，模拟焊接变形，找到了三个影响焊接应力产生的因素，分别为相变引起的体积变化、相变引起的力学性能参数的变化及相变引起的塑性应变。

结果显示，相变会对焊接变形产生一定的影响，其中塑性应变的变化较其它两种因素更为重要。

哈尔滨工业大学的宋奎晶、魏艳红等人[24]利用有限差分方法计算了相变应变、相变塑性对TA15 钛合金TIG焊接残余应力和变形的作用，揭示了固态相变参与焊件内部应力应变重新调整的规律。

3数值模拟效率的优化随着科技的进步，计算机技术得到了迅速发展，然而由于工业生产中复杂的焊接问题，计算模型也相应地由简到繁，这对于计算效率来说是一个巨大的挑战。

为了减少计算时间，提高计算效率，许多研究者做了相应的研究：Maekawa A[25]应用迭代子结构方法计算了焊接应力与变形，并通过添加并行计算方程，整合全局残余评价与局部残余评价来提高非线性收敛问题的途径实现了对迭代子结构方法的优化。

通过实验验证了应用优化迭代子结构模型的正确性，与普通商业有限元软件对比，优化迭代子结构模型不但能准确预测焊接应力与变形，而且能有效地减少计算时间。

Perić M [26]采用三维实体-壳单元组合模型预测焊接应力与变形，即在近焊缝区域选用三维实体单元，远离焊缝区域选用壳单元代替实体单元。

模拟结果与实验达到一致，且通过对比普通实体单元模型，大幅度地减少了计算时间。

Eslampanah A H[27]建立了两种无限速度热源来模拟T型接头焊接应力，一种无限速度热源是以热载荷的形式加载，另一种以热边界条件的形式加载。

通过两种热源模型计算得到的结果与实验结果基本吻合。

结果表明，无限速度热源可大为减少计算时间，是普通热源模型计算时间的1/10。

山东大学贾栗[28]模拟工字钢-端板组焊结构焊接残余应力，对大型复杂构件焊接应力有限元模拟提出了整体结构分解算法、对称性结构简化计算方法、远距离焊缝整体结构简化计算方法等新的简化方案，大幅度提高了计算效率，为模拟大型复杂构件提供了参考。

Maekawa A[29]和Runnemalm H[30]应用网格划分技术来提高数值计算效率，在焊缝区域使用小尺寸网格单元，而在远离焊缝区域应用尺寸较大的网格单元，结果显示，这种方法可减少模型中网格单元的数量，提高计算速率的同时不减少计算精度。

Camilleri D[31]提出了一种基于基因-有限元方法来预测焊接应力的方法，改进热-弹-塑性耦合分析技术变为非耦合性的热分析、弹-塑性分析、结构分析，以此来提高计算效率。