关键词：残余应力，应变，数值模拟

序言

1965年，前苏联尼古拉也夫Г﹒А院士分析了焊接应力应变发展过程，其原理见图１，在钢板中心区为压应力和压应变区，而板的两侧为拉应力和拉应变区。在大约200 ℃以上的区域产生压缩塑性变形，在600 ℃以上的区域，压缩塑性变形为α·T ，式中α为线膨胀系数，T 为温度［１］；此外，前苏联的H. O. 奥凯尔勃洛姆和C. A 库兹米诺夫也认为焊接加热过程中焊缝和近缝区的金属热膨胀应变受到周围较冷金属的拘束，从而产生压缩塑性应变。焊接冷却过程中该压缩塑性应变被拉伸抵消一部分，但焊后仍残留部分压缩塑性应变，称为残余压缩塑性应变［２］［３］。并用来分析和预测焊接残余应力和变形。从而可以看出传统的观点，无论是尼古拉也夫Г﹒А院士还是H. O. 奥凯尔勃洛姆和C. A 库兹米诺夫，都认为焊缝存在压缩塑性变形。近几年，沈阳金属所的王者昌研究员提出了一种新的观点认为“对于焊缝金属来说，并不存在加热阶段。在冷却过程中除相变外，都受到拉伸，也就是说不存在压缩，更不会出现压缩塑性变形。”究竟是传统的残余压缩塑性应变理论正确还是王者昌研究员的观点正确，现以低碳钢对接焊缝的数值模拟来分析和验证焊缝的残余应力和残余压缩塑性应变的正确性。

图1 低碳钢板焊接纵向应力应变分布

1．对接焊缝的数值模拟

过去人们在研究焊接应力与应变方面大多采用解析法，但是由于该方法是基于平截面假设的前提下，并简化了诸多条件和因素，进行了多种假设后而进行的计算，掩盖了许多现象，伴随着计算机技术在焊接研究中的广泛应用，以数值模拟的方法来分析焊接应力应变及预测焊接变形已经成为了一种主要手段，虽然焊接数值模拟技术是从解析法发展起来的，但其可以定量地分析焊接行为的整个动态变化，能够近于准确地演示热弹塑性应力和应变非线性变化的复杂变化过程，由于数值模拟技术在近30年来取得的进展及在研究焊接问题上受到的认可，现在就采用数值模拟的方法来分析一下熔化焊焊缝及近缝区应力和应变情况。

传统的残余压缩塑性应变的观点一直假设是线热源对焊缝一起加热或认为焊缝本身作为待熔化金属的一部分，焊接不过是在已存在的焊缝上面加热而并不熔化来研究焊缝的应力和应变问题，从而使得出的残余压缩塑性应变理论受到了质疑，新观点认为加热了却不熔化，这种过程不能称为焊接，即提出了必须考虑实际焊接情况，因此有了焊接应力与应变问题上的争议，问题的提出很有实际意义，为了验证熔化焊焊缝及近缝区在焊接过程中应力和应变情况，对薄板熔焊对接接头进行了数值模拟，模拟试件材料采用Q235钢作为焊接母材，尺寸为500×160×3mm，应用的模拟软件为MSC.Marc，因焊接接头的几何对称性，取宽度方向一半建立有限元模型。焊缝及近缝区网格划分较密，而远离焊缝的母材边缘网格变疏，共24743个节点，16000个单元，模型见图2。力学分析中，由于结构的对称性，不允许垂直于对称平面的位移，其它约束的施加防止刚体转动即可。因为焊接过程的复杂性，采用小位移、小应变的弹塑性增量理论进行焊接残余应力的计算。材料的物性参数与力学参数随温度而变，属于材料非线性。材料的屈服判据用Von Mises屈服准则，塑性区上的行为服从流变法则，同时假设:材料各向同性;不考虑粘性和蠕变的影响。材料遵循线性硬化模式[4]。从图3可以看出，薄板熔焊对接接头冷却后，焊缝及近缝区纵向存在着残余压缩塑性应变，验证了传统观点的正确性。