焊接中的變形預(yù)測(cè)

羅永赤

長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院土木工程系（434000）

1 概述

由于大型組合工字型截面是由鋼板焊接而成,而建筑工程中的鋼板焊接通常采用電弧焊。電弧焊的施焊過程是一個(gè)不均勻的加熱與冷卻的過程，因此在焊接完成后，一般都存在一定的焊接殘余變形。對(duì)于尺寸較大的組合工字型截面，其翼緣板和腹板一般較厚,拼焊后就會(huì)有較大的焊接變形產(chǎn)生，在工程制作中需要采用一定的矯正方法，如機(jī)械矯正、手工矯正和熱加工矯正等，對(duì)焊接后的構(gòu)件進(jìn)行整形處理。如果在組合工字型截面的拼焊中,采用不正確的焊接順序和焊接工藝，就會(huì)產(chǎn)生過大的焊接變形，甚至可能出現(xiàn)焊接裂縫，從而造成工程構(gòu)件在矯正過程中的矯正難度增大，甚至導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件的報(bào)廢。所以如何在焊接前就準(zhǔn)確地確定和控制組合工字型截面焊接變形,就成為保證工程質(zhì)量合格和建筑安全的一個(gè)關(guān)鍵性問題。

另外，對(duì)于大跨度的鋼梁，由于有反拱的要求，如果能利用焊接變形規(guī)律,使焊后鋼梁的焊接變形與工程需要的反拱值接近，就可以大大減少鋼梁的矯正量，從而提高生產(chǎn)效率。所以在確定焊接工藝時(shí)，對(duì)工字型截面的鋼梁將要發(fā)生的焊接變形需要較準(zhǔn)確的確定。

本文對(duì)某大型工字型組合截面的鋼梁施焊的焊接順序進(jìn)行數(shù)值模擬,針對(duì)不同的焊接工藝方案，對(duì)工字型組合截面的焊接變形進(jìn)行了定量分析,為實(shí)際工程中準(zhǔn)確預(yù)測(cè)構(gòu)件焊接后的變形提供了參考依據(jù)。

2 工字型組合截面焊接有限元模型

2.1 模型的幾何尺寸與網(wǎng)格劃分

工字型組合截面鋼梁長(zhǎng)為9m，截面尺寸為1 028 mm×280mm×8mm×14mm，見圖1。由于工字型組合截面是通過角焊縫將翼緣板與腹板拼接而成,所以在建立有限元模型時(shí)是將翼緣板與腹板分開,而由角焊縫的有限元模型將它們聯(lián)系起來，與實(shí)際情況一致，見圖2。因?yàn)閷?shí)際工程的鋼梁尺寸為9m，為在滿足計(jì)算精度的前提下，減少計(jì)算時(shí)間，在劃分網(wǎng)格時(shí),對(duì)截面中距離焊縫較遠(yuǎn)部分采用了比較大尺寸的網(wǎng)格,對(duì)于焊縫和距離焊縫較近的部分采用了較小尺寸的網(wǎng)格，見圖3，單元采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元。

2.2 材料的特性參數(shù)

工字型組合截面的鋼材為Q235鋼,采用的材性參數(shù):屈服強(qiáng)度=210 MPa，抗拉強(qiáng)度=235 MPa，材料的彈性模量 E=2.06×105MPa[1]。假定焊縫金屬的熱物理性能參數(shù)和母材相同，并考慮鋼板的物理性能和力學(xué)性能隨溫度變化，參考相應(yīng)文獻(xiàn)[2]，對(duì)于缺乏的高溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄M合。

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，采用小位移、小應(yīng)變模式。材料模式為熱彈塑性，屈服遵循Mises屈服條件，塑性區(qū)內(nèi)的行為服從流變法則和各向同性硬化,本構(gòu)關(guān)系為雙線性硬化模式，其材料的力學(xué)性能隨溫度的變化而變化。

2.3 焊接熱源模型

在模擬角焊縫焊接熱源的移動(dòng)時(shí)，將每條焊縫單元(圖3）分成六個(gè)小時(shí)間段，通過利用單元生死的原理，對(duì)每條焊縫各小時(shí)間段內(nèi)的單元逐步加熱，來實(shí)現(xiàn)熱源的移動(dòng)。焊接熱源是通過假設(shè)焊縫所在單元具有內(nèi)部熱生成來模擬，焊縫的焊接速度按實(shí)際橫焊的焊接速度25 cm/min來模擬焊縫的焊接工藝過程。

3 焊接順序方案

采用的焊接順序方案（圖4）,為先下部焊縫后上部焊縫，即1→2→3→4。首先對(duì)該焊接順序方案按傳統(tǒng)的定性分析，采用第一種焊接順序方案，因?yàn)橄群附?、2焊縫時(shí)，截面剛度較小，完成焊接后會(huì)有較大的反拱變形；隨后焊接3、4焊縫時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)截面剛度較大，焊接產(chǎn)生的變形較小，抵消不了焊接1、2焊縫時(shí)的反拱變形,所以完成4條焊縫焊接后，會(huì)有一定的反拱。但具體多少不能較準(zhǔn)確的確定。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

通過數(shù)字分析可以得到，焊接順序方案中，即1→2→3→4；各階段焊縫變形的分析結(jié)果見圖5。

在完成焊縫1時(shí),產(chǎn)生較大的反拱彎曲變形與側(cè)向變形；完成焊縫2后，側(cè)向變形減小，但反拱彎曲變形變大；完成焊縫3后，出現(xiàn)反方向的側(cè)向變形，反拱彎曲變形有一定減小，但減少不多；完成焊縫4后，側(cè)向變形減少，同時(shí)反拱彎曲變形也有一定減小?？傮w看，在施焊中，要注意焊縫3時(shí)的反方向變形給施焊帶來的困難。

5 結(jié)論

對(duì)組合工字型截面鋼梁的焊接全過程進(jìn)行數(shù)值分析后，得出了每條焊縫在施焊中的變形量的大小，為獲得高品質(zhì)的焊縫提供了依據(jù),解決了鋼結(jié)構(gòu)加工廠在制作鋼梁中無法預(yù)測(cè)焊接的變形的大小的問題,尤其是預(yù)測(cè)以前沒有加工過的異形構(gòu)件的焊接變形的大小。同時(shí)，把對(duì)焊接質(zhì)量的控制，轉(zhuǎn)到對(duì)焊接過程中的變形預(yù)測(cè)與應(yīng)該采取的對(duì)策上。在這個(gè)焊接方案中,焊縫3的側(cè)向變形的反向問題將引起鋼梁產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn),需要在焊接過程中采取相應(yīng)措施,如注意控制焊接過程的輸入熱能或更改其他的焊接順序。

[1]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2]羅永赤.鋼管相貫節(jié)點(diǎn)焊接殘余應(yīng)力與熱損傷的非線性有限元分析[J].焊接學(xué)報(bào),2007(3)