多道焊工艺下碳钢焊接残余应力的仿真与实验对比   

焊接作为金属连接的重要工艺，在制造业中广泛应用。碳钢因其良好的综合性能，是焊接结构的常用材料。在多道焊过程中，由于焊接热循环的作用，焊缝及热影响区会产生复杂的残余应力。残余应力不仅影响焊接结构的尺寸精度和稳定性，还可能导致焊接接头的开裂、疲劳失效等问题，降低结构的使用寿命和安全性。因此，深入研究多道焊工艺下碳钢焊接残余应力具有重要的理论和实际意义。数值仿真技术为焊接残余应力的研究提供了高效、经济的手段，能够在虚拟环境中模拟焊接过程，预测残余应力分布；而实验研究则能提供真实可靠的数据，验证仿真结果的准确性。将两者结合，有助于全面、深入地了解焊接残余应力的形成机制和分布规律。

一、多道焊工艺与焊接残余应力

（一）多道焊工艺特点

当单层焊接技术不足以满足特定的焊接需求时，通常会采用多道焊这种工艺。该方法通过分次添加焊接材料来逐步构建完整的焊缝。这种方法的一个显著特征是其较高的热输入量及其不均匀分布；每增加一道新的焊缝都会对先前形成的焊缝以及热影响区域产生额外的加热效应，从而增加了整个焊接过程中温度场和应力场的复杂性。此外，多道焊的操作顺序、各层间的预热温度等参数设置对于最终产品的焊接质量及残余应力的分布具有重要影响。

（二）焊接残余应力的产生机制

焊接过程中产生的残余应力主要由于材料受热不均导致的膨胀与收缩差异引起。当焊缝及其邻近区域被加热至高温时，这些部分因周围较冷金属的限制而发生塑性变形。随着温度下降，上述区域试图收缩但受到阻碍，因此在构件内部形成了残留应力。根据其作用方向，这种应力可以分为沿长度方向、宽度方向以及厚度方向上的三种类型，它们的具体分布模式依赖于所采用的焊接技术、材料属性及工件的设计特点等因素。

二、仿真研究

（一）仿真模型的建立

采用诸如 ANSYS、ABAQUS这样的专业有限元分析软件，构建碳钢多层焊接过程的三维模型。在建模过程中，需考虑到材料热物理属性随温度变化的特点，这其中包括热膨胀系数、导热率以及比热容等因素。通过运用生死单元技术来模拟焊缝金属在焊接过程中的逐步填充，并且通过设定适当的热源模型（例如高斯热源或双椭球形热源）来模仿实际焊接时的热量输入情况。此外，还需要设置合理的边界条件，比如限制工件部分自由度，以此来准确反映真实焊接条件下存在的约束状况。

（二）仿真参数设置

依据实际焊接工艺的要求，调整包括焊接电流、电压及速度在内的参数。此外，还需确定多层焊接的具体顺序与各层之间的适宜温度，并分析不同参数组合对残余应力分布的影响。在进行仿真时，应对模型实施合理的网格划分策略，在焊缝及其热影响区采用较为精细的网格设置以提升计算精度；而在其他区域，则可使用相对粗略的网格布局来降低整体计算负担。

（三）仿真结果分析

本研究通过仿真技术获取了焊接过程中温度场与应力场的分布情况，并对不同时间点下的温度变化及残余应力生成与发展过程进行了详细分析。从焊缝及其热影响区域选取关键点位，收集了这些位置处的残余应力数据，进而绘制出残余应力随位置变化的曲线图，探讨了沿焊缝长度、宽度以及厚度方向上残余应力的具体分布特征。此外，还考察了多种焊接参数如何影响最终形成的残余应力水平及其分布模式，例如发现随着焊接热量输入量的增加，残余应力有增大的趋势；而通过对焊接顺序和层间温度进行合理调控，则能够有效地减少残余应力的形成。

三、实验研究

（一）实验材料与设备

选择广泛应用于工业中的碳钢材料，例如 Q235 等，将其加工成符合要求的焊接组件。使用接近实际生产条件的焊接工具，比如手工电弧焊机与气体保护焊装置，以此来保障焊接过程的一致性和可靠性。此外，还需配备能够检测

焊接后残余应力的仪器，如 X 射线衍射设备和盲孔法应力测量仪，用于精确测定焊接区域内的残余应力水平。

（二）实验方案设计

依据仿真过程中设定的焊接工艺参数，执行多层焊接实验。通过严格控制焊接顺序及各层之间的温度等变量，确保实际操作条件与模拟环境相吻合。在焊接样品上选取若干关键点位，这些点位需与仿真模型中定义的位置相对应，以实施残余应力的测定工作。为增强测量数据的准确度与可信性，每一点位均需重复多次测量，并将所得数值取平均值作为最终记录结果。

（三）实验结果分析

整理并分析实验所获得的残余应力数据，绘制出相应的应力分布图，并将其与模拟计算的结果进行比较。从宏观趋势到具体数值两个层面来评价仿真模型的有效性。同时，探讨造成实际测量结果与仿真预测之间偏差的因素，这些因素可能涵盖测量过程中的不确定性、材料性质的空间变异性以及焊接操作中难以控制的变量等。

四、仿真与实验结果对比

（一）对比分析

本节将深入探讨通过仿真技术获得的残余应力分布曲线与实验测量结果之间的详细对比。该分析涵盖了残余应力大小及分布模式等多方面的比较，旨在揭示两者间的一致性和差异。为了更加准确地评价仿真模型的有效性，采用相对误差这一量化指标进行评估。比如，在焊接接头中心位置处，仿真预测的纵向残余应力值为 [X] MPa，而实际测量值则为 [Y] MPa。利用公式 [(X - Y)/Y]×100% ，可以计算出两者的相对偏差，从而对仿真模型的精确度有一个具体的衡量标准。

（二）误差分析

在本节中，将进一步探讨仿真结果与实际实验数据之间的偏差原因。除了已讨论过的测量误差及材料性质的非均匀性等因素外，还需关注仿真模型构建过程中所采用的简化假设所带来的影响。例如，在建模时可能忽略了焊接过程中的某些重要冶金反应以及应力释放等现象。为了解决这些问题，本文提出了几项改进策略。一方面，可以通过完善仿真模型来纳入更多现实条件下的变量；另一方面，则致力于提升实验测量技术的精确度，比如通过引入更为先进的测试设备和技术手段，以获取更加可靠的数据。

结论

仿真模型能够较好地预测残余应力的分布趋势，但在具体数值上与实验结果存在一定误差；焊接参数对残余应力分布有显著影响，合理调整焊接参数可有效降低残余应力；通过仿真与实验相结合的方法，能够更全面、准确地了解焊接残余应力的形成机制和分布规律。未来研究应优化仿真模型，纳入更多复杂因素如焊接动态行为和微观组织变化，以提升仿真准确性。同时，探索新焊接工艺，降低残余应力。加强残余应力与结构性能关系研究，为设计和制造提供更可靠的理论支持。

参考文献：

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[2] 李泽宇 , 安哲 , 王文超 , 等 .Q345E 薄板高频脉冲 MAG 对接焊工艺及数值模拟 [J]. 焊接技术 , 2024, 53(2):78-82.