减小焊接变形

减小焊接变形的数值计算和实验研究
m . 埃达克一a和 N.R. 曼陀罗 b
摘要：焊接应力和变形是两种密切相关的现象。

在加热和冷却的循环时，焊接及与其相邻区域产生热张力。

这种在焊接的加热阶段产生的张力经常伴随金属的塑性变形。

由这些张力产生压力结合作用会产生一种会引起很多焊接变形的内应力。

焊接变形应该被最小化，而且设计者事先应该知道变形的程度，这样才会在设计和建设阶段考虑它。

在本文中,研究了一种减少变形的方法--散热。

进行焊接的板材的底表面上固定一个通循环水的通道来影响散热。

在这篇对于焊接与散热同时进行的板材的热机理研究文章中，我们用到了非线性的不变刚度等效（pseudolinear equivalent constant rigidity）这个概念。

依赖温度的不同系数的非线性问题被转化为恒刚度假线性系统，然后由线性分析获得。

数值计算的结果与实验值相比很好。

在解决相似的热-弹-塑性问题方面，与有限元模型（FEM）相比，我们提出的概念在计算方面更加有效和简单。

阐述的步骤和根据步骤而获得的结果，对于测定散热参数起到很大帮助。

通过这些散热参数的确定可以有效控制焊接变形。

关键词: 焊接变形散热器非线性有限元模型
1·介绍
焊接是一个瞬间热过程，冷热快速循环可能导致变形。

为了确定由于焊接过程热循环引起的变形程度，我们需要解决一个复杂的非线性热-弹-塑的问题。

由于这个问题的复杂性——它是非线性的,涉及介质在高温时随时间与空间而改变的弹性变形，分析解决是不够的。

传统的技术被证明是耗时的，并且因此在实际的焊接情况中程度上十分昂贵。

研究人员已经尝试过几个方法来解决这个热-弹-塑(thermo-elasto-plastic)问题。

Watanabe 和 Satoh采用分析解决（analytical solutions）的方法[1]，这种来源于弹性理论的方法用于预测焊接和线性加热而产生的热变形。

而弹性解决方案存在一定局限性，因此，该方法的应用也很受限制。

后来，Muraki 等人[2]Fujita 和 Nomoto[3]计算了对接焊接板材的压力，假设温
度与材料性质无关，金属板上温度与压力分布均匀。

几组调查人员，如Nomoto等人的文章[4], Ueda 等人的文章[5,6], Rybicki 和Stonesifer [7]加深了对线性加热数值模拟方法的理论研究他们得到了由于收缩引起的弯曲变形时的钢板，并且开发了一款可以分析热变形和展示变形形状的软件。

因此严密的热弹-塑分析（thermal elasto-plastic analysis）可以被弹性分析与实验数据结合的方法替换。

这会提高计算效率。

然而，开发的方法可用于输入的热量已知的线性加热过程。

还有，由于纵向弯曲力矩没有被考虑，有些例子中，由于纵向变形使得变形情况与实验结果不符。

在过去的几年里，有限元方法已广泛被许多研究人员用于预测温度分布、残余应力和由于焊接产生的变形。

突出的有Michaleris and Debiccari [8], Bonifaz [9], Teng et al. [10], Depradeux and Jullien [11], Cheng [12] and Biswas等人[13,14]. Michaleris和Debiccari[8]将二维焊接模拟和三维结构分析以不相关的方法结合，用来评价嵌板结构的焊接。

他们用运动学的加工硬化材料模型来模拟软钢的弹性行为。

Teng 等人[10]用二维有限元素分析法来预测对接和角焊缝接头的残余压力和变形。

Depradeux and Jullien [11]进行了氩弧焊过程的热机制分析，作为对后续结构应力和位移的预测依据。

我们用温度场作为输入。

Cheng [12]利用三维轴对称模型，研究面内收缩变形对薄壁结构的焊接变形影响。

Alberg[15] developed建立了以有限元素分析和依赖于微观结构的材料性质为基础的模型方法论，在对焊接和对焊接的飞行器引擎部分进行热处理之后，利用材料性质可以预测变形趋势和残余压力。

一般来说，数值热分析非常费时。

分析大小为300 毫米 _ 300 毫米测试样品的单道焊接，SGI工作站的（SGI work station） 25.4 毫米厚的钢板，速度为200 MHz，在OS IRIX 6.2条件下工作需要中央处理器时间约为12695 s[16]。

为了减少变形，Mandal采用了其它的加热方法。

他的方法是，在具有焊接头的框架上安装两个火焰加热筒。

这个系统主要用于控制由于旋转变形产生的结合不匹配，同时也可以避免平头焊接。

另外一个改变加热模式的方法利用Medvedev [18]采用的散热法快速将焊接区域的热移去。

这种方法在造船厂具有很大应用前景。

利用这个背景知识，IIT Kharagpur的海洋工程和造船部开始了工作，目的是以求找到这个热-弹-塑问题的高度非线性复杂现象问题的解决方法。

在作者的早期工作中，发展了一种以pseudolinear刚度等效常数系统（pseudolinear equivalent constant
stiffness system）为基础的有效的计算技术[19].这种方法经过严格测试并且成功应用于横梁模型用以估计由于热循环而产生的角变形。

当前的研究中，相同的理论进一布应用于解决金属板问题。

因此，这种技术已被用于分析散热进而控制变形。

阐述的步骤和利用这些步骤得到的结果，对于测定散热参数进而有效控制焊接变形有很大帮助。

2、问题形成
热变形问题以一种不相关的方式处理。

首先，考虑到温度依赖材料性质，热流问题被解决。

金属板的时间依赖的3-D温度曲线被用于解决利用移动热源给金属板加热时的机械响应问题。

因此,在发展技术的第一步，一种可靠有效的测定移动热源的温度变化过程的方法已经被开发，这种方法是根据 Jacobi 重复法（Jacobi iteration method）的中心差分隐格式（center difference implicit scheme）。

在这里，我们假设热传导过程与金属板的应力应变状态无关。

在目前进行的研究中,我们研究了焊接引起的变形和利用散热控制的变形。

接下来的实验用埋弧焊证明了理论结果。

现在，我们工作的目的是利用Pseudolinear刚度等效常数系统（Pseudolinear Equivalent Constant Rigidity System）建立分析热变形的方法。

在再验证评估焊接变形的数值技术之后，用于控制变形的散热技术已经得到数值方面的测试。

2.1、散热技术
在平行焊接方向且距焊接处30毫米远处，利用35毫米宽的水槽通循环水的方法进行散热。

这些水槽位于焊接金属板的底部表面。

用不同的膜层散热系数[20]模拟底面与顶面的散热
这样做的目的是考虑到顶面更高的温度条件的影响，底面与金属板的边缘基本远离焊接区域，因此温度较低。

同时，也考虑到具有较大散热系数的散热实例模拟，采用室温下流动水来模拟，图3中详细给出。

由于焊接线的邻近区域经历了明显的温度升高，下面的散热系数用于距焊接线50毫米远的顶面。

4.5 * 10.54-=W/mm2 K.
h
b
在平行焊接方向且距焊接处30毫米远处，利用35毫米宽的水槽通循环水的方法进行散热。

这些水槽位于焊接金属板的底表面。

下面散热系数适用于水冷。

1 * 103- W/mm
2 K
h
w
与焊接区域和其相邻区域相比，金属板的其余部分处于较低温度区域，所采用的较小的散热系数已列于表1中。

h
1.8 * 105- W/mm2 K
t
2.2.
3. 差分的不同形式
在微分方程中，控制方程以有限差分形式被展示。

带有适当限制条件(3)–(10)方程（1）的数值解，需要精确沿着x轴和z轴的精确网格还有小的时间间隔以确保在每个时间间隔内能量守恒。

3-D问题中的精确网格导致大的稀疏矩阵，这会导致计算域大小（domain size）的限制。

用Jacobi iteration scheme解决这种限制，即差分方程系统。

这个系统的系数矩阵不是对角优势的，表现的non-convergence的问题。

因此Jacobi iteration使用了under-relaxation减弱振幅。

调节热-物理性质差异和温度的贾可比迭代法（Jacobi iteration）和迭代法（iteration）同时进行。

所有密码都写入VC++环境里。

对于6毫米金属板，模型采用127 * 23 * 8坐标格系统；8毫米采用127 * 20 * 10坐标格系统；10毫米采用127 * 27 * 12坐标格系统；12毫米采用127 * 27 * 14坐标格系统,在1500个时间间隔内计算温度变化，每个时间间隔是0.2s.
计算温度变化同时计算了比热容和热传导随温度的变化。

这些参数的温度依赖性在表2中给出[22]。

本分析中应用的机械性质在表3中给出[22]。

由于所有物理性质随温度变化，热-机械问题的解决具有一定复杂性。

这会导致材料的非线性问题。

同时，由于移动热源，温度曲线持续随时间变化，这使得本实验由始至终都是瞬时状态。

考虑到上面提到的热-物理材料性质和限制条件，解热流方程从而获得整个金属板的温度变化过程T (x, y, z, t)。

利用焊接常数计算热量输入，如图4所示，就像我们在实验进行过程中观察到那样。

所有焊接实例的温度变化过程都记录在电脑里，这使用chromel-alumel热电偶和安捷伦34970A数据采集单元。

计算和测量得到的温度变化在图4到7中展示出来，图4到7分别是6 mm,8 mm, 10 mm and 12 mm的金属板。

我们可以看到散热导致温度随着其峰值显著下降，结果是更快速的降温。

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