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薄板结构焊接变形的预测与控制研究

【摘要】无论是汽车工业、船舶工程，还是铁路运输、海上采油平台，均

离不开薄板结构。但在实际焊接过程中，薄板容易出现变形，既影响其自身的结

构强度，也不利于制造精度和使用功能的提高。对此，本文对薄板结构焊接变形

的预测和控制进行了研究，希望对改善其焊接质量有所帮助。

【关键词】薄板结构焊接变形预测与控制

近年来，我国工业生产制造技术水平不断上升，促使薄板结构在制造领域广

泛应用。可是其焊接变形问题尚未得到有效根治，这无疑对产品质量埋下了一定

的隐患，因此我们有必要对其焊接变形做出合理的预测，然后加以有效控制，进

而提高薄板结构焊接质量，促进薄板制造行业稳步发展。

1薄板结构焊接变形的预测

FEM（有限元）方法可对薄板结构焊接的动态过程加以跟踪分析，进而获取

精确的变形数值。其中固有应变法可对焊接过程中的温度、塑性、相变三大应变

加以计算、分析和比较，从而得出变形数值，可解决复杂的大型结构的焊接变形

预测；热弹塑性分析则可通过对热应变行为的动态跟踪计算热应力和应变量，以

此掌握焊接应力产生和变形过程；此外融合了二维热弹塑性模拟和三维结构屈曲

分析的新兴技术虽尚在试验阶段，但明显有助于减少计算量、提高预测精度[1]。

下面结合实例对FEM方法在薄板结构焊接变形预测中的应用加以阐述。

已知薄板材料为4mm的Q275，采用CO2气体保焊进行焊接，详情见图1，

然后借助ABAQUS/CAE6.10的软件为其构建了有限元几何模型，并用单元S8R

和DS4分析了应力和热值，且焊缝、起始点、加强筋等名称和位置均定义合理；

接着借助软件模拟了薄板结构焊接变形过程，将其转化为分析输入文件后，添加

了单元以模拟焊接材料填充，其中热量值是由焊接速度和热输入值决定的，而q

（热流密度）和t（加热时间）分别由公式和决定（L、v、、U、I、分别代表加

热长度、焊接速度、焊接热效率、电压、电流、添加热量单元体积），同时利用

ABAQUS/STATIC有限元软件对焊接应力进行静态分析，为使预测结果更为准

确，不仅增设了阻尼器，且借助SW软件模拟了动态环境。试验表明，虽然薄板

结构焊接的预测性状与实测性状并不完全一致，但实际变形主要体现在垂直方向

上，且该方向的变形预测值与实际变形值相吻合，故焊接变形预测准确[2]。

2薄板结构焊接变形的控制

2.1重视优化焊接设计

根据薄板结构焊接变形预测分析，我们可以从中发现不足，并在此基础上优

化设计，减小其变形量，如焊缝尺寸要规范，形式要合理，位置要得当，同时尽

量减少焊缝数量，保证以对称形式安排焊缝，并最好使其分布在结构中心线附近，

此外还应基于实际情况选择恰当的焊材。

2.2正确选择焊接工艺

选择焊接工艺时，尽量采用反变形、刚性固定等基本方法，其中反变形法要

基于对薄板结构焊接变形大小和方向的准确预测，使其形成方向相反且大小相同

的变形；而刚性固定法则要将焊件固定于刚性足够的夹具上，以此提高构件刚度，

然后配以焊缝冷却和刚性固定去除。若结合其他工艺方法，变形控制效果会更为

理想，如散热法可有效缩小薄板结构焊接过程中形成焊接热场，进而消除残余应

力减小变形；压铁法可将压铁分布于焊缝两侧用于控制变形；此外低应力无变形

焊接法也较为常用，即通过事先预热、垫置铜块、通水冷却、刚性固定等交替操

作分散焊接中残余应力场，以防止薄板结构因压缩失稳而变形。

此外还应重视焊接顺序和参数的选择，如具有高熔敷效率、低线能量的工艺

参数可有效控制焊接变形，但要尽量降低焊缝的热输入，以此缩小焊热影响范围；

针对焊缝较长等情况，不仅要注意其焊接方向和顺序安排，也要尽量选择逐步退

焊、对称焊等方法；而在着手薄板结构焊接前应对其进行合理点焊，并在保证焊

透的基础上缩小焊件间隙，及时清除熔渣、毛刺等，以此强化刚性，减小变形。

2.3妥善处理焊接缺陷

当薄板结构焊接出现变形后，我们要采取措施予以补救，如火焰加热法，即

利用特定的气体火焰对其构件伸长处进行加热，以此使其因高温出现塑性变形、

冷却发生缩短变形而实现变形矫正；机械法，如常见的辊压法、锤击法等，可使

薄板结构在外力的作用下产生塑性变形，且其与焊接变形方向相反，以此抵消原

有的变形。但在应用上述缺陷矫正方法时，应视具体情况而定，并对所用工具、

力度、时间、温度等相关因素加以严格控制，以免适得其反，这也