固有应变理论下机械结构件焊接探究

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摘要：机械结构件是工业制造生产中十分重要的承载部件，同时也是影响架构生产质量的重要因素。为此，本研究提出一种基于固有应变理论的机械结构件焊接变形控制方法。首先通过热-弹塑性耦合法分析机械结构件焊接变形的产生机制，然后利用固有应变法构建机械结构件三维分析模型，根据实际焊接参数和顺序对该模型进行加载计算，得到焊接过程中的瞬态温度场变化情况，以此为依据获取最优机械结构件焊接变形控制参数。经实验测试证明：该方法可以有效完成机械结构件焊接变形控制。

关键词：固有应变理论；机械结构件；焊接过程；瞬态温度场；变形控制

0引言

焊接技术也被称为连接工程，是目前使用比较广泛的一种材料加工工艺。其本质是通过随机一种物理或者化学过程导致分离材料中的原子和分子作用在一起，同时移动热源需要沿着焊接方向进行加热和凝固，最终达到融化连接的加工工程。作为工业制造生产过程中一项十分重要的操作环节，焊接技术有效促进了我国国民经济和工业的快速发展[1]。随着我国科学技术以及产品需求质量的不断提升，未来对焊接钢材的需求量也持续增加，各种新型的焊接技术以及焊接材料也在不断发展和进步。国内相关专家针对机械结构件焊接变形控制方面的内容进行了大量的研究，例如闫德俊[2]等人通过数值模拟以及实验分析相结合的方法对铝合金薄板变形进行控制，黄新宇[3]等人在分析焊接特点的基础上，基于Simufact钢结构架体焊接过程进行简化分析，并构建热源模型，借助模型完成钢结构焊接变形的模拟分析和控制。在上述已有两种方法的基础上，本研究提出一种基于固有应变理论的机械结构件焊接变形控制方法。

1基于固有应变理论模拟焊接数值

固有应变即为内应力形成的主要根源。当机械结构件处于初始焊接时期时，进行焊接的对象没有发生明显的塑性形变，此时的固有应变即为热应变。假设机械结构件承受较大的热量时，会发生十分明显的塑性应变，则此时的固有应变即为塑性应变和热应变的和[4]。当实际进行机械结构件焊接时，不同变形会随着热容量的变化而变化，所以固有应变就是三者的总和，具体如式(1)所示：*PTXε=ε+ε+ε(1)式(1)中，εP代表塑性应变；εT代表热应变；εX代表相变应变。机械结构焊接变形可以划分为两种形式，分别为横向变形和纵向变形。因此，在进行模型构建的过程中，需要将已知的固有应变进行简化处理。假设已知机械结构件的单位长度和纵向固有应变和，则能够获取以下计算参数：式(2)中，Δ代表机械构件的纵向收缩量；F代表梁的横截面积；C代表曲率；Z'代表WX中心到截面中心的距离；J代表截面惯性矩阵；f代表机械结构件的弯曲挠度。在上述分析的基础上，优先需要对固有应变分布进行深入分析和研究，确定固有应变的具体分布情况，同时准确计算出机械结构焊接变形以及残余应变[5]。固有应变区域得到计算对于焊接变形进行预测具有十分重要的意义，为了准确计算出固有应变区域的大小，需要引入纵向收缩力的相关概念。在机械结构件焊接冷却过程中，由于收缩量取值不同导致金属内部发生严重的变形，一般情况下将该区域称为缩短变形区，同时也可以将其认为是固有固有应变施加的区域。另外，还可以将变形区域的形成设定为焊接部位存在的第一收缩力，同时将其应用于初始无应力的机械结构构件中，促使构件形成压缩变形。其中，收缩力Ff的计算公式如下：式(3)中，εp代表机械结构件的缩短变形量；Ap代表变形区域的总面积。机械结构件焊接是一个十分复杂的过程中，加热过程会对结构件的组织以及裂纹产生不良影响，所以加热过程会影响焊接质量，同时也是判断焊机好坏的一个重要因素。其中，非线性瞬时热传导的微分方程可以表示为式(4)的形式：式(4)中，p代表机械结构件组成材料的密度；t代表时间；c代表材料的比热容；λx、λy、λz分别代表x、y和z方向的热导率。机械结构数值分析的应力场和变形场结论是经过焊热分析所形成的，决定性因素为温度场。其中，焊接力学场对温度场产生的影响是十分小的。焊接数值模拟中温度场和载荷数据的设定是十分重要的，采用加热载荷对机械结构件的热弹性问题进行分析。其中，详细的热力分析流程如图1所示。将机械结构件作为研究对象，划分为多个不同的有限单元，在焊接温度场已经设定的前提下，需要缓慢增加温度，其中各个单元中节点位移增量{dε}e和应变增量{dδ}e之间需要满足式(5)的约束条件{dε}e：式(5)中，[B]代表应力应变关系。机械结构件变形是因为进行焊接的过程中温度会处于十分不稳定的状态，从而严重影响结构件的焊接效果，同时也会对结构件的安装和生产产生不良影响，所以有效控制机械结构件焊接变形具有十分重要的意义。在焊接变形控制方面主要采用焊前可变形法，即在热容量增加前对机械结构件施加反向弹性变形；在热容量降低后，对机械结构件进行冷却处理，避免产品出现变形，最终达到产品的使用需求。由于机械结构件底板厚度比较薄，所以不会对横向变形产生十分明显的影响，可以将底板中存在的固有应变忽略不计。其中，底板的固有应变V*ε表达式如下：式(6)中，ε代表固有应变；E代表弹性模量；Bf代表固有应变在底板上的分布长度；l代表底板的长度。底板变形属于机械结构件的大挠度弯曲问题，所以需要借助大挠度形变势能计算对结构件所对应的应变势能，如式(7)所示：12VVVεεε=+(7)式(7)中，Vε1和Vε2分别代表不同面的应变势能。当得到机械结构件变形后的挠度曲线，需要借助有限元软件SYSWELD进行验证。在热影响区内，当网格密度降低，说明算法中的迭代次数也随之减少，相应的计算时间也会减少，但是整体的数值模拟精度则会相应的增加。反之，当网格密度增加，算法的计算精度和时间都会随之增加。所以，网格划分十分重要。在此次模拟中，由于区域不同，需要采取多种不同的网格划分方法，在热响应区域内，需要提升网格密度；剩余地区，可将网格密度降低。这样不仅可以有效减少算法进行计算所使用的时间，同时还能够相应地减少计算机的计算压力。热源的准确与否决定着焊接模拟计算是否准确，所以选择合适的热源形式以及适当的能量输入具有十分重要的意义。在实际焊接工作中，受到焊速影响，电弧沿着焊缝运动时，电弧后方的加热区域规模明显要比前方的加热区域规模大一些，为了有效进行区分，将电弧中心作为分界点，同时电弧前后方均可以借助椭球进行描述，得到的热源模型即为双椭球热源。双椭球热源模型的不同区域可以采用不同的方式进行描述，如式(8)所示：式(8)中，Q代表热输入量；a、b和c分别代表不同的椭球形状参数；qf和qr分别代表模型的前后两个部分。在焊接数值模拟过程中，随着热源的不断向前，机械结构件的温度也是不断变化的。根据上述的有限元模型，可以在软件中输入相关数值，选择合适的导热方程，冷却环境选择在空气中冷却，根据计算模拟，获取温度场的变化结果。

2机械结构件焊接变形控制

由于焊接是一个十分复杂的过程，单纯通过理论方法很难有效解决实际问题，加上机械结构件焊接变形量的计算还涉及到具体焊接结构的刚性。所以，在进行变形量计算的过程中，借助上述的数值模拟结果获取实际应用中反变形的大小，为后续的机械结构件焊接变形控制提供一定的理论依据。根据反变形理论以及不遗漏最优方案，设定变量的上限为预估计值的3倍，设定垂向反变形压力的取值范围为[0，3Mpa]，水平反变形压力的取值范围为[0，1.2Mpa]。通过上述分析可知，机械结构件在进行内部焊接时不施加反变形量，所以不考虑结构件内部的焊接。所以，结构件数值模拟不建立内部焊接，只组建内部隔板。由于机械结构件底部的横截面积比较小，且盖面层焊接时对其具有二次加热回火的作用，所以反变形量只能够在盖面层焊接时施加。通过优化方案以及优化需求，将水平以及垂向变形压力作为设计变量，在进行优化分析的过程中，状态变量可以设定为机械结构件在中部垂向弯曲变形量，优化目标为了使机械结构件中部水平弯曲变形量最小。在进行优化的过程中，状态变量以及目标函数必须为正值，所以选取状态变量以及目标函数的绝对值，暂时不需要考虑变形方向。当完成优化分析后，重新设定立弯和旁弯变形量，有效验证变形方向。其中，优化迭代分析的数学模型如式(9)所示，δi代表循环总次数；PIV1+PIV4代表垂向反变形压力；PIH1+PIH4代表水平反变形压力。结合上述内容，给出详细的变形控制流程：步骤1：输入不同参数的取值范围；步骤2：组建有限元分析模型，同时对网格进行划分，通过焊缝单元排序按照步长组成生死单元数组。步骤3：通过激活生死单元获取所保存的焊缝单元，同时进一步进行瞬态热分析。步骤4：输入反变形压力初始值。步骤5：分析热分析结果，设定力学边界条件，同时对其进行深入分析。步骤6：提取机械结构件中心部位的平均位移值。步骤7：组建分析文件。步骤8：优化不同变量以及目标函数，选择合适的优化方法。步骤9：进行优化分析。步骤10：判定是否满足优化准则，假设满足，则输出最优结果；反之，则跳转至步骤4。

3实验分析

为了验证所提基于固有应变理论的机械结构件焊接变形控制方法的有效性，进行以下仿真测试分析。由于在焊接过程中，机械结构件的不同物理性能参数会随着温度的变化而变化，所以在设定材料物理属性时，不能够直接使用材料物理性能参数的平均值，而是需要不同温度下材料的物理属性。利用图2对机械结构件内置材料的物理性能参数和温度之间的关系进行分析。

作者:赵胜 单位:濮阳技师学院