淺析鋼結(jié)構(gòu)大型焊接構(gòu)件的焊接變形預(yù)測與控制

1、淺析鋼結(jié)構(gòu)大型焊接構(gòu)件的焊接變形預(yù)測與控制 淺析鋼結(jié)構(gòu)大型焊接構(gòu)件的焊接變形預(yù)測與控制 摘 要隨著我國根底建設(shè)步伐的日益加快，鋼結(jié)構(gòu)也成為各工程領(lǐng)域中應(yīng)用的主要材料之一。其本身具有強度較高、重量輕等優(yōu)勢，極適用于大跨度與高層結(jié)構(gòu)施工。然而應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)因其焊接難度過大且構(gòu)件大截面尺寸，為焊接工作帶來較大的難題，使構(gòu)件焊接質(zhì)量受到影響。本文主要對焊接模擬變形中熱源子程序的引入、對焊接中應(yīng)力應(yīng)變場、溫度場的模擬、模擬結(jié)果討論以及焊接變形的具體控制策略進行探析。 關(guān)鍵詞鋼結(jié)構(gòu)；焊接變形；模擬；控制 中圖分類號：TG404 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X47-0152-01 前言：現(xiàn)行大多

2、建筑施工領(lǐng)域中焊接構(gòu)件多以工字型界面為主，而且在焊接過程中通常采用電弧焊的形式，由于其本身需進行加熱或冷卻，在結(jié)束焊接后可能出現(xiàn)剩余變形等問題，嚴(yán)重情況下將直接直接致使構(gòu)件變成廢品。這種情況下，無論進行變形矯正工作或構(gòu)件成為廢品都可能使企業(yè)在生產(chǎn)進度、生產(chǎn)本錢等方面受到影響。因此，如何做好焊接變形控制是現(xiàn)行企業(yè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作中需考慮的重要問題。 一、焊接模擬變形中熱源子程序的引入 現(xiàn)階段，對于大多焊接領(lǐng)域中用于有限元分析的軟件包括很多如ANIDN、ANSYS以及ABAQUS等。以其中ABAQUS為典型代表，能夠充分模擬焊接中弧焊的具體過程，在此根底上對模擬結(jié)果進行計算分析。從ABAQUS引用正

3、，進行有限元分析的具體過程看，主要通過ABAQUS/CAE前處理、ABAQUS/STANDARD計算過程以及后處理工作。其中前處理中要求進行ABAQUS模型的構(gòu)件，并將生成的文件向分析計算軟件中進行傳輸。而計算中主要對文件內(nèi)的相關(guān)模型進行求解，并在后臺中進行運行。最后利用后處理將相應(yīng)的如XY曲線、動畫、云紋圖等進行讀入分析。為使軟件功能得以充分發(fā)揮，在應(yīng)用中還需對DFLUX子程序進行編寫，需注意因焊接過程較為復(fù)雜，在模擬中也面臨較大的難題，因此在熱源模型構(gòu)件中應(yīng)以簡化形式為主，包括高斯熱源模型、分段移動以及雙橢球體等類型熱源模型【1】。 二、對焊接中應(yīng)力應(yīng)變場、溫度場的模擬分析 由于焊接變形問

4、題的產(chǎn)生除因溫度場存在外也包括應(yīng)力應(yīng)變場等原因，在模擬分析過程中應(yīng)充分將此兩點考慮其中。實際模擬前可假定的以20為構(gòu)件初始溫度、不考慮攪拌與化學(xué)反響問題并假定木材與焊條一致。在此根底上首先模擬焊接中的溫度場。具體步驟包括：幾何模型的構(gòu)建與材料相關(guān)參數(shù)的明確。其中幾何模型構(gòu)建需通過焊縫、腹板與翼板形成相應(yīng)的平面模型，此時進行拉伸以形成三維模型，這樣在不考慮融化問題的根底上使焊縫外表以弧面的形式存在。而在材料參數(shù)方面主要選定20初始溫度的焊件，Q235B鋼材；單元類型確實定。根據(jù)焊接溫度場具體分析主要選用三維實體單元，其在傳熱功能分析、焊縫處單元劃分等方面都具有較為明顯的優(yōu)勢；劃分網(wǎng)格。結(jié)合焊接中

5、溫度變化的表現(xiàn)形式，在網(wǎng)格劃分中主要集中在焊縫區(qū)、母材區(qū)、影響以及過渡區(qū)；對熱源加載的考慮。該過程中主要需利用ABAQUS中的相關(guān)模塊對焊接的準(zhǔn)備、加熱與冷卻步驟進行設(shè)計，同時考慮施加熱源載荷中雙橢球熱源功能的實現(xiàn)；對求解過程的設(shè)計。主要考慮焊接的熱傳導(dǎo)、對流以及輻射等。 而在應(yīng)力應(yīng)變場模擬中，利用ABAQUS軟件模擬過程中與溫度場模擬較為相似，在模型構(gòu)建的根底上進行材料參數(shù)的明確以及單元類型的劃分。然后結(jié)合溫度場計算結(jié)果做好求解過程設(shè)置。與之不同的為其需做好后處理工作，要求根據(jù)時間變化對焊接借點應(yīng)力變化進行分析，最終完成相應(yīng)的計算過程。 三、模擬結(jié)果討論 通過模擬結(jié)果，對于溫度場可從分布云圖

6、、樣點熱循環(huán)以及具體分布路徑等方面得出相應(yīng)的結(jié)論。其中在分布云圖中，可分別對冷卻前與冷卻后焊接情況進行判斷，當(dāng)初始溫度為2000時，在冷卻作用下溫度逐漸下降，且腹板焊縫等區(qū)域受余溫影響出現(xiàn)等溫色帶區(qū)域，而冷卻后在溫度保持20左右時，可發(fā)現(xiàn)構(gòu)建的模型與模擬結(jié)果接近。在樣點循環(huán)方面，通過模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn)與焊縫中心相近處熱循環(huán)表現(xiàn)出溫度高、加熱與冷卻速度快等特征，而距離較遠(yuǎn)處溫度變化那么不明顯。加上溫度場的具體分布情況，可得出移動熱源模型下溫度差與實際分布不存在較大的差異。而在應(yīng)力場方面，無論從分布云圖、樣點焊接以及分布路徑等方面都可得出模型模擬數(shù)值保持相近。因此在控制過程中應(yīng)充分利用有限元分析方法【

7、2】。 四、焊接變形的具體控制策略 結(jié)合變形控制相關(guān)理論以及上述模擬分析，焊接中變形問題的產(chǎn)生主要歸因于不均勻加熱，且在焊接中存有剩余應(yīng)力作用下，焊接構(gòu)件易發(fā)生變形問題。具體控制焊接變形的措施主要表達在：第一，從設(shè)計角度。鋼構(gòu)件焊接過程中要求做好焊接形式與尺寸的控制。通常尺寸控制往往與變形的大小保持正比關(guān)系，變形隨尺寸的增加而變大，且焊接工作量也交到，所以控制中應(yīng)以小焊接尺寸為主。同時應(yīng)注重對焊縫位置進行合理安排，可使中性軸與焊縫保持對稱，這樣變形撓曲問題能夠逐漸消除。第二，從技術(shù)工藝應(yīng)用角度。在控制中采取的方式首先表達在加工質(zhì)量方面。加工中對于鋼結(jié)構(gòu)原材料應(yīng)注重切割質(zhì)量的提高，使零件具備較高

8、精度的尺寸，同時引入工裝胎具可使裝備質(zhì)量得以保證，這樣關(guān)于前文中提及對應(yīng)力應(yīng)變場問題得以解決。其次應(yīng)做好焊接方向順序的控制工作，確保材料在性能、厚度以及焊縫等級等各方面滿足焊接要求的根底上進行焊接順序確實定，如對角焊接方式的應(yīng)用等。而在方向確定過程中應(yīng)結(jié)合不同焊接情況進行方式選擇如焊縫在同一直線較多的情況下可由中間向兩側(cè)進行退焊，或?qū)τ诟綦x焊縫引入跳焊方式。再次，對于因電弧焊引起的變形問題，可引用的方式主要以二氧化碳?xì)獗Ｗo的方式，其具備本錢低且效率高等優(yōu)勢。最后，利用剛性固定的方式，主要在焊接中進行拉桿或支撐的設(shè)置，使工件以封閉的形式存在，對于焊接變形問題的解決也可起到一定的作用【3】。 結(jié)論：對于焊接變形問題，實際預(yù)測與控制中應(yīng)注重引入有限元分析方法，分別對焊接溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場進行相應(yīng)模型的構(gòu)建，在ABAQUS軟件應(yīng)用的根底上進行得出具體的模擬結(jié)果。這樣在實際預(yù)測與控制中便可結(jié)合模擬計算結(jié)果采取相應(yīng)的策略，使焊接變形問題得以解決。 參考文獻 【1