焊接温度场与应力场的研究历史与发展

科技信息２００８年第３期

ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ

焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑性动态分析的前提。关于焊接热过程的分析，苏联科学院的助Ｒｙｋａｌｉｎ院士对焊接过程传热问题进行了系统的研究，建立了焊接传热学的理论基础。为了求热传导微分方程的解，他把焊接热源简化为点、线、面三种形式的理想热源，且不考虑材料热物理性质随温度的变化以及有限尺寸对解的影响。实际上焊接过程中除了包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能和变化而导致传热过程严重的非线性外，还涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等复杂现象，因此是非常复杂的。由于这些假定不符合焊接的实际情况，因此所得到的解与实际测定有一定的偏差，尤其是在焊接熔池附近的区域，误差很大，而这里又恰恰是研究者最为关心的部位。

Ａｄａｍｅｓ、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程，以大量的实验为基础，积累了不同材料、不同厚度、不同焊接线能量以及不同预热温度等测量数据，然后从传热理论的有关规律出发，经过整理、归纳和验证，最后建立了不同情况下的焊接传热公式。这种方法比前者采用数学解析法要准确，但实验的工作量很大，有确定的应用条件和范围，且可靠性取决于测试手段的精度。

１９６６年Ｗｉｌｓｏｎ和Ｎｉｃｋｅｌｌ首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。７０年代，有限元法才逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。１９７５年，加拿大的Ｐｏｌｅｙ和Ｈｉｂｂｅｒｔ在发表的文章中，介绍了利用有限元法研究焊接温度场的工作，编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层Ｕ，Ｖ型坡口的焊接温度场计算程序，证实了有限元法研究焊接温度场的可行性。之后国内外众多学者进行了这方面的研究工作。Ｋｒｕｔｚ在１９７６年的博士论文中专门研究了利用焊接温度场预测接头强度问题，其中分析了非线性温度场，在二维分析模型中，假定电弧运动速度比材料热扩散率高，因此传到电弧前面的热量输出量相对比较小，从而忽略了在电弧运动方向的传热，这实际上与Ｒｙｋａｌｉｎ高速移动热源公式的处理方法是一致的。

西安交通大学唐慕尧等人于１９８１年编制了有限元热传导分析程序，进行了薄板焊接准稳态温度场的线性计算，其结果与实验值吻合。随后上海交通大学的陈楚等人对非线性的热传导问题进行了有限元分析，建立了焊接温度场的计算模型，编制了相应的程序，程序中考虑了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况，能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳态或非准稳态二维温度场的有限元分析。并在脉冲ＴＩＧ焊接温度场以及局部干法水下焊接温度场等方面进行了实例分析。对于三维问题，国内外也是近十年来才刚开始研究。其原因是焊接过程温度梯度很大，在空间域内，大的温度梯度导致严重材料非线性，产生求解过程的收敛困难的和解的不稳定性；在时间域内，大的温度梯度决定了必须在瞬态分析时在时间域内的离散度加大，导致求解时间步的增加。国内上海交通大学汪建华等人和日本大阪大学合作对三维焊接温度场问题进行了一系列的有限元研究，探究了焊接温度场的特点和提高精度的若千途径，并对几个实际焊接问题进行了三维焊接热传导的有限元分析。蔡洪能等人建立了运动电弧作用下的表面双椭圆分布模型基础上研制了三维瞬态非线性热传导问题的有限元程序，程序中利用分析节点热烩的方法对低碳钢（Ａ３钢）板的焊接温度场进行了计算，计算结果和实验值吻合得很好。

焊接过程中应力应变的研究工作始于二十世纪三十年代，但是研究工作只能是定性的和实测性的。五十年代，前苏联学者奥凯尔布洛母等人在考虑材料机械性能与温度之间的相互依赖关系的情况下，用图解的形式分析了焊接过程的热弹塑性性质及其动态过程，并分析了一维条件下对焊接应力应变的影响。六十年代，由于计算机的推广应用，对焊接应力和变形的数值模拟才发展起来。１９６１年，Ｔａｌｌ等人首先利用计算机对焊接热应力进行计算，编制了一套沿板条中线进行堆焊的热应力一维分析程序。１９７１年，Ｉｗａｋｉ编制了可用于分析板平面堆焊热应力的二维有限元程序，后来Ｍｕｒａｋｉ对它作了重大改进，扩大了这个二维程序的功能，使之可用于对接焊和平板堆焊过程的热应力分析。日本的上田幸雄等人以有限元为基础，应用材料性能与温度相关的热弹塑性理论，导出了分析焊接热应力所需的各表达式。此后美国的Ｈ．Ｄ．Ｈｉｂｂｅｒｔ，Ｅ．Ｆ．Ｒｙｂｌｉｃｋｉ，Ｙ．Ｉｗａｍｕｋ以及美国ＭＩＴ的Ｍａｓｕｂｕｃｈｉ等在焊接残余应力和变形的预测和控制等方面进行了许多研究工作。Ａｎｄｅｒｓｏｎ分析了平板埋弧焊时的热应力，并考虑了相变的影响。

进入二十世纪八十年代，有限元技术日益成熟，人们对焊接应力和变形过程及残余应力的分布规律的认识不断深入。１９８５年Ｊｏｓｅｆｓｏｎ等人通过大量的数值计算，进一步提高了预测焊缝周围残余应力分布的精度，同时考虑定位焊对残余应力分布的影响。Ｊｏｓｅｆｓｏｎ对薄壁管件焊接残余应力以及回火去应力过程的应力分布情况进行了研究，并探讨了一些调整焊接残余应力的措施。进入九十年代，随着计算机性能的进一步提高，对焊接应力和变形的研究更加深入。１９９１年Ｍａｈｉｎ等人在研究中考虑了耦合的热应力问题，其中热源分布采用实验矫正的方法进行处理，同时考虑了熔池对流、辐射及传热对温度分布的影响，其残余应力的计算结果与采用中子衍射测得的结果吻合很好。Ｔ．Ｉｎｏｕｅ等研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相变、热应力三者之间的耦合效应，并提出了在考虑耦合效应的条件下本构方程的一般形式。１９９２年加拿大的Ｃｈｅｎ等人对厚板表面重熔时的应力和变形进行了有限元计算，其中考虑了熔化潜热及凝固过程中固液相转变过渡区应力的变化，其残余应力计算值和实验值相当吻合。美国的Ｓｈｉｍ等人利用平板应变热弹塑性有限元计算了厚板多层焊的残余应力，并对不同坡口形状的焊接残余应力进行了比较，揭示了厚板残余应力分布的规律。１９９３年，加拿大的Ｃｈｉｄｉａｃ等人研究了厚板焊接过程的应力和变形以及残余应力的分布，其中涉及了三维加热模型，并考虑了显微组织的变化和晶体生长等情况。另外，与焊接温度场的有限元分析类似，焊接热弹塑性有限元分析过去大都局限于二维、三维问题的研究是二十世纪九十年代才开始的。

国内对焊接残余应力和变形的数值分析起步于二十世纪七十年代，首先是西安交通大学的楼志文等人把数值分析应用到焊接温度和热弹塑性应力场的分析中，编制了热弹塑性有限元分析程序，并对两个较简单的焊接问题进行了分析。到二十世纪八十年代，上海交通大学焊接教研室在焊接热传导的数值分析方面做了许多工作，特别是对非线性瞬态温度场进行了有限元分析，提出了求解非线性热传导方程的变步长外推法，并编制了二维热弹塑性有限元分析程序，计算了平板对接焊时应力和变形的发展过程以及残余应力分布。关桥等人编制了用于进行平板轴对称焊接应力和变形分析的有限差分和有限元程序，对薄板氢弧点状热源的应力和变形进行了计算，该分析仅限于点状热源。孟繁森等人利用迭代解法研制了计算焊接过程应力应变程序和图形显示程序，分析了板条边沿堆焊时的应力和变形的发展过程。陈楚等人利用平截面的假设分析了厚板焊接时的瞬态拉应力以及厚板补焊时的残余应力。刘敏等人研制了三角差分温度场和轴对称热弹塑性有限元程序，计算了１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ和２０号钢圆管对接多层焊接时的应力和变形。汪建华把三维问题转化为二维问题利用平面变形热弹塑性有限元法对厚板的应力问题进行了分析。

［责任编辑：张艳芳］

焊接温度场与应力场的研究历史与发展

栾尚清左玉营丁国峰

（济南技术学院山东济南２５００００）

【摘要】本文主要讲述了有关焊接温度场与应力场的研究历史与发展。

【关键词】焊接温度场；应力场；历史；发展

ｔｈｅｈｉｓｔｏｒｙａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ

Ｌｕａｎｓｈａｎｇｑｉｎｇ，Ｚｕｏｙｕｙｉｎｇ，Ｄｉｎｇｇｕｏｆｅｎｇ

（ＪｉｎａｎＴｔｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，２５００００）

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｈｉｓｔｏｒｙａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．

【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｗｅｌｄｉｎｇｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ，ｈｉｓｔｏｒｙ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

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