【文章內(nèi)容簡介】 源開發(fā)，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)工作，開發(fā)可再生能源，在此基礎(chǔ)上，堆焊技術(shù)顯示出了巨大的發(fā)展前景。焊接性是指同質(zhì)材料或異質(zhì)材料在制造條件下，能夠焊接形成完整接頭并滿足預(yù)期使用要求的能力。低碳鋼的含碳量低(≤%)，其他合金元素含量較少，故是焊接性最好的鋼種。采用通常的焊接方法后，接頭中不會產(chǎn)生淬硬組織或冷裂紋。只要焊接材料選擇適當(dāng)，便能得到滿意的焊接接頭。用電弧焊焊接低碳鋼時(shí)，為了提高焊縫金屬的塑形、韌性和抗裂性能，通常都使焊縫金屬的碳含量低于母材，依靠提高焊縫中的硅、錳含量和電弧所具有較高的冷卻來達(dá)到與母材等強(qiáng)度。因此，焊縫金屬會隨著冷卻速度的增加，其強(qiáng)度會提高，而塑形和韌性會下降。當(dāng)厚板單層角焊縫時(shí)，焊角尺寸不宜過小；多層焊時(shí)，應(yīng)盡量連續(xù)施焊；焊補(bǔ)表面缺陷時(shí)，焊縫應(yīng)具有一定的尺寸，焊縫長度不得過短，必要時(shí)應(yīng)采用局部預(yù)熱，預(yù)熱溫度100150℃。 Q235鋼的性能簡介Q235鋼是焊接結(jié)構(gòu)中使用最為廣泛的低碳鋼，屈服強(qiáng)度是235MPa，材料越厚，屈服值就會越小。因?yàn)檫@種鋼材的含碳量較為合適，所以具有廣泛的使用范圍，其本身具有的較好的強(qiáng)度、塑性能夠與焊接材料獲得較好的吻合，在建筑領(lǐng)域、工程構(gòu)造等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，也可以應(yīng)用于一些制作要求偏低的機(jī)械零部件的生產(chǎn)方面。 Q235鋼的焊接特點(diǎn)這種鋼材含碳量較低，其他元素含量也不高，具有較強(qiáng)的韌性和塑性，很少出現(xiàn)淬硬傾向，在焊接過程中不易出現(xiàn)焊接裂紋，堆焊性能卓越。這種鋼材在焊接時(shí)，不需要提前加熱，焊接完成后也不用對加熱部分進(jìn)行處理，應(yīng)用焊接設(shè)備較為簡單。對焊接電源的要求較低，日常使用的交、直流弧焊機(jī)都能使用。在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，根據(jù)工件不同的加工要求，可以選用手工電弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、埋弧焊等方法。 Q235鋼的焊接工藝規(guī)范焊接工藝是承壓設(shè)備焊接的規(guī)定性工藝文件，帶有一定的強(qiáng)制性，其一般的要求是：（1）正確性：焊接工藝的正確性是指焊接工藝本身的各項(xiàng)要求，如坡口形式及尺寸、焊接方法選用、焊材的選擇、焊接工藝參數(shù)、預(yù)熱溫度、焊后消氫、焊后熱處理、工藝設(shè)備、操作要求，均應(yīng)符合焊接的基本規(guī)則，符合工廠的生產(chǎn)實(shí)際。（2）完整性：焊接工藝的完整性有兩層含義，一是對某一產(chǎn)品而言，應(yīng)包含受壓元件之間的焊縫，與受壓元件相焊的焊縫均應(yīng)制定焊接工藝，否則就認(rèn)為不完整。另一含義是對某一工藝卡片而言，對某個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的焊接工藝參數(shù)、施焊要點(diǎn)、工藝設(shè)備等均應(yīng)該列出。（3）有效性：焊接工藝有效性，就是能夠指導(dǎo)焊接施工，在施焊過程中得到貫徹。以上的焊接功能各異的一般要求均建立在焊接工藝性的基礎(chǔ)之上。焊接工藝性指一種金屬可以在很簡單的工藝條件下焊接而獲得完好的焊接接頭并滿足使用要求。焊件在焊接過程中，熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、加工應(yīng)力等超過屈服極限（Yield strength），以致冷卻后焊件中留有未能消除的應(yīng)力。這樣，焊接冷卻后的殘余在焊件中的宏觀應(yīng)力稱為焊接殘余應(yīng)力。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的根本原因[10]。焊接殘余應(yīng)力，是焊接工程研究領(lǐng)域的重點(diǎn)問題。涉及焊接的各種工程應(yīng)用中，都十分關(guān)注殘余應(yīng)力的影響。例如，在土木工程領(lǐng)域，對于鋼結(jié)構(gòu)焊接連接，殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的疲勞性能，穩(wěn)定承載力等均有影響。焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生時(shí)的狀況，在實(shí)際情況下是相當(dāng)復(fù)雜的，其應(yīng)力的大小與分布因焊接構(gòu)件的形狀、尺寸、焊接方法等而異。就其產(chǎn)生原因及過程關(guān)系可知有下列三種情況[11]。（1）在焊接過程中出現(xiàn)的熱應(yīng)力，是由于在進(jìn)行焊接時(shí)，焊接熱源不斷移動位置，所以造成零件局部受熱不均，于是在材料內(nèi)部不同部位出現(xiàn)不同溫度差。在焊接過程中加熱不均使得金屬受熱膨脹受到抑制，造成金屬加熱部位壓縮塑性變形；在冷卻時(shí)，那部分位置其收縮受到抑制，因此由于加熱和冷卻顫了焊接熱應(yīng)力，主要是由于焊接殘余應(yīng)力所產(chǎn)生的結(jié)果。（2）焊接過程中的約束應(yīng)力，是因?yàn)楹盖凹庸顩r產(chǎn)生，因?yàn)榧s束不一樣，導(dǎo)致作用力不均勻，零件內(nèi)部組織的濃度不同，晶粒產(chǎn)生位向差，所以形成零部件各部分屈服，而引起零部件的變形，所以出現(xiàn)了約束應(yīng)力。（3）相變應(yīng)力就是在焊接過程中，由于對金屬零部件的加熱不均，所以金屬零部件的熱膨脹不同導(dǎo)致體積發(fā)生變化，出現(xiàn)了相變應(yīng)力，由于相變應(yīng)力產(chǎn)生的寬度和殘余應(yīng)力直接相關(guān)。如，在制作壓力容器時(shí)，對焊接部分進(jìn)行修復(fù)，從而造成相變部位變寬，那么就會增大殘余應(yīng)力。直到現(xiàn)在，有關(guān)介紹大厚度重型結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力分布的資料不多，主要原因在于目前尚缺乏合適的測量大厚度結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的檢測技術(shù)。當(dāng)今所采用的內(nèi)應(yīng)力測量技術(shù)，包括電阻應(yīng)變片和X光衍射技術(shù)等，都只能以測量構(gòu)件表面的應(yīng)變變化來確定應(yīng)力的大小。除了正在研究中的超聲波測量內(nèi)應(yīng)力技術(shù)以外，至今尚沒有能準(zhǔn)確測定大厚度內(nèi)部殘余應(yīng)力的方法。有實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)焊接構(gòu)件厚度超過25mm時(shí)，結(jié)構(gòu)中除存有縱向殘余應(yīng)力σx和橫向殘余應(yīng)力σy以外,還存在不可忽視的在厚度方向上的應(yīng)力σz。近年來的研究結(jié)果表明，對于大厚度焊件，在這三個(gè)方向上的殘余應(yīng)力沿厚度方向的分布是不均勻的，其變化規(guī)律，對于不同焊接工藝有不同程度的差異。有實(shí)驗(yàn)證明，板厚越厚，殘余應(yīng)力峰值越大，但當(dāng)板厚超過數(shù)十毫米之后，則峰值應(yīng)力與板厚無關(guān)，為一定值[12]。因?yàn)楹附又皇菍植坎僮?，因此從部件整體來說加熱和冷卻是不均衡的，容易受到焊縫及附近區(qū)域溫度場的影響，使得焊件內(nèi)部呈現(xiàn)出大小、分布都不均衡的殘余應(yīng)力應(yīng)變場。在焊件焊接過程中，群毆焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和加在其上面的工作應(yīng)力會共同發(fā)生作用，在溫度及介質(zhì)的影響下，發(fā)生變形，原來的殘余應(yīng)力會重新進(jìn)行分布，會降低焊接結(jié)構(gòu)的剛性，造成尺寸的變化，也容易使構(gòu)件的大小發(fā)生變化，并且隨著使用環(huán)境溫度和各方面因素的變化，也會損害到構(gòu)件的內(nèi)部構(gòu)造以及使用效果，降低其使用性能。由于現(xiàn)在工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，在生產(chǎn)當(dāng)中廣泛應(yīng)用各種新技術(shù)，所以要求焊接技術(shù)應(yīng)該具有較高水平，必須做到質(zhì)量高、價(jià)格低、安全性強(qiáng)。在焊接過程中出現(xiàn)的殘余應(yīng)力和使用過程中的變形，是影響構(gòu)件焊接質(zhì)量的主要因素，能夠嚴(yán)重影響構(gòu)件的抗斷裂性、規(guī)格精密性等[13]。（1）對結(jié)構(gòu)剛度的影響 當(dāng)外載荷的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)中部分面積的殘余應(yīng)力加在一起時(shí)達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，這部分區(qū)域的材料就會發(fā)生塑性變形，不再繼續(xù)承受荷載，此部分結(jié)構(gòu)的有效截面受到影響，降低了材料剛度。當(dāng)結(jié)構(gòu)存在縱向或橫向焊縫時(shí)，或在進(jìn)行過火焰校正后，這些情況都會很大截面上產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，盡管在構(gòu)件長度方面不大，但會影響剛度。尤其是使用較多火焰校正后的焊接梁，其加載時(shí)剛度和卸載時(shí)的回彈量會大幅降低，對于要求較高精度尺寸的情況和高穩(wěn)定性要求的情況，還需要額外注意。（2）對受壓桿件穩(wěn)定性的影響 在外載荷產(chǎn)生的壓應(yīng)力和殘余應(yīng)力中的壓應(yīng)力相互疊加達(dá)到σs時(shí)，則這一部位就不能再次承擔(dān)外載荷，使得桿件的有效截面積受到影響，同時(shí)使截面分布發(fā)生變化，影響了其穩(wěn)定性。殘余應(yīng)力對受壓桿件穩(wěn)定性影響記得哦啊，且和殘余應(yīng)力的分布直接相關(guān)。（3）對靜載強(qiáng)度的影響 假如構(gòu)件材料屬于脆性材料，這種材料變形能力較差，如果不斷施加外力，則會使構(gòu)件的局部受力增加。增加了應(yīng)力峰值，如果達(dá)到材料的屈服數(shù)值，就會使材料受到損壞，發(fā)生斷裂現(xiàn)象。如果脆性材料中存在較大的殘余應(yīng)力，就會大量降低負(fù)荷能力，容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。而相對于塑性材料來講，如果環(huán)境溫度較低，也會受到殘余應(yīng)力的影響，使塑性材料不易產(chǎn)生變形，負(fù)荷能力受到影響，容易發(fā)生損壞現(xiàn)象。（4）對疲勞強(qiáng)度的影響 由于構(gòu)件中存在殘余應(yīng)力，所以使得變荷載的應(yīng)力循環(huán)發(fā)生變化，這種變化只是對其平均值產(chǎn)生影響，不會改變其幅值。構(gòu)件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和應(yīng)力循環(huán)有一定的關(guān)系，如果應(yīng)力循環(huán)的平均數(shù)值提高時(shí)，則構(gòu)件的極限幅值就會降低，反之則高。所以，如果應(yīng)力集中部位有拉伸殘余應(yīng)力，其疲勞強(qiáng)度則會下降，其系數(shù)越高，其影響就越明顯。所以，提高疲勞強(qiáng)度，不但應(yīng)該從調(diào)整和減少殘余應(yīng)力入手，還需要從技術(shù)設(shè)計(jì)及工藝方面進(jìn)行研究，從而降低殘余應(yīng)力對疲勞強(qiáng)度的不利影響[14]。（5）對焊件加工精度和尺寸穩(wěn)定性的影響 在對材料進(jìn)行加工時(shí)，被切除部分的材料其應(yīng)力被釋放。因此破壞了原來殘余應(yīng)力的分布狀況，同時(shí)焊件會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，其加工精密度降低。具有較為穩(wěn)定的組織性能的低碳鋼和奧氏體鋼焊接結(jié)構(gòu)在溫室下，其應(yīng)力松弛減弱，其內(nèi)應(yīng)力隨著時(shí)間的變化逐漸變小，獲得的焊接尺寸較為穩(wěn)定。低碳鋼長期置于常溫下，%~3%，假如原始應(yīng)力較低，那么松弛的比值就會降低，但如果環(huán)境溫度達(dá)到一千℃，松弛的比值則會成倍增長。（6）對應(yīng)力腐蝕開裂的影響 出現(xiàn)這種開裂現(xiàn)象的原因是由于殘余拉應(yīng)力和化學(xué)腐蝕共同對材料發(fā)生作用的結(jié)果，從而出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，在一定的材料和介質(zhì)的結(jié)合下產(chǎn)生。其所需時(shí)間和殘余應(yīng)力大小有直接的關(guān)系，如果材料中含有的殘余應(yīng)力越大，那么開裂所需時(shí)間就越短。考慮到本文當(dāng)中相同板厚工件的要求，通過這種有限元模擬軟件Marc，歸納起來從焊接熱源、材質(zhì)空氣散熱系數(shù)、冷卻時(shí)間與焊接等方面考慮，利用不一致的厚度堆焊層焊接殘余應(yīng)力而構(gòu)建出有限元模擬模型。通過盲孔原理來計(jì)算出焊接層當(dāng)中的殘余應(yīng)力值。這樣根據(jù)不相同的堆焊接層的厚度變化，就可以縱方向的產(chǎn)生殘余應(yīng)力的效應(yīng)，從而形成具有差異性厚度的堆焊接層的表面焊接殘余應(yīng)力的結(jié)構(gòu)原則。主要研究內(nèi)容包括：（1）采用Marc軟件對低碳鋼Q235板材進(jìn)行三維幾何造型，建立有限元分析模型； （2）在模型上加載焊接材料性能、邊界條件及定義參數(shù)等，建立不同厚度堆焊層焊接過程的溫度場模型，在Marc軟件中建立模型，對模型進(jìn)行模擬和后處理，求解其溫度場分布情況及特定點(diǎn)的熱循環(huán)曲線；（3）建立板材應(yīng)力應(yīng)變場模型，求解出焊后的殘余應(yīng)力分布情況，通過對不同厚度堆焊層殘余應(yīng)力模擬結(jié)論來探討，可以找出堆焊接層利用差異厚度變化所產(chǎn)生的焊接表面殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。（4）采用不同的堆焊層厚度，利用盲孔法測量不同厚度堆焊層表面的殘余應(yīng)力，從而明確不同厚度堆焊層中的殘余應(yīng)力分布規(guī)律。（5）將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比分析，驗(yàn)證所得結(jié)論的準(zhǔn)確性。2 不同厚度堆焊層焊接過程的有限元模擬有限元法，也稱之為有限單元法或有限元素法，有限元方法源于彈性力學(xué)的計(jì)算，應(yīng)用最小能量法、變分原理和加權(quán)余量法都能推導(dǎo)出有限元方法的基本計(jì)算關(guān)系式，它們是利用有限元法的基礎(chǔ)理論依據(jù)。然而隨著科技信息化的進(jìn)步及有限差分法的推動，逐漸形成了現(xiàn)代的有限元法，此時(shí)采用空間和時(shí)間有限元方法模擬焊接使材料和構(gòu)件的熱和力的行為成為可能[15]。（1）有限元法的基本原理利用連續(xù)的求解域離散集合為一體單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)在單元各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值插值函數(shù)來表達(dá)。從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度的事實(shí)?？偟膩碚f，有限元法是屬于離散性質(zhì)的計(jì)算方法。離散之后在結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)間可以利用節(jié)點(diǎn)來連接，而對于位移及所有力也是利用節(jié)點(diǎn)得出數(shù)值。當(dāng)然各自單元應(yīng)該根據(jù)合適的數(shù)值函數(shù)，讓這個(gè)系數(shù)確定在子域的布局內(nèi)、子域的分界面上。這樣就可以使得各個(gè)單元之間之間的方程有機(jī)的銜接，可以確定全部的結(jié)構(gòu)公式，分析此方程式，就能夠找到結(jié)構(gòu)的近似值。（2）關(guān)于有限元法的推動歷程在一九六二年，丹麥人第一次采用互聯(lián)網(wǎng)的形式，利用有限差分法來對鑄件凝固過程的熱能進(jìn)行核算。隨后到了七十年代，一些國家也利用這種方法進(jìn)行有關(guān)探討和分析，使得鑄造的發(fā)展向鍛壓、熱能解決、焊接方向推動發(fā)展，像中國在焊接領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)值研究是在八十年代初期開始的，這些年也有不少的研究機(jī)構(gòu)及私人單位開始探究這個(gè)領(lǐng)域，并且還獲得了不菲的成績。經(jīng)過四十多年的發(fā)展不僅使有限元法的理論日趨完善，而且已經(jīng)開發(fā)了一批通用和專用的有限元軟件，使用這些軟件已經(jīng)成功的解決了眾多領(lǐng)域的大型科學(xué)和工程計(jì)算難題。其應(yīng)用領(lǐng)域從單一的結(jié)構(gòu)分析擴(kuò)展到溫度場分析、電磁場分析、流體流速場分析以及聲場分析等多個(gè)領(lǐng)域。其分析問題的類型也已從最初的線性穩(wěn)態(tài)問題發(fā)展到順態(tài)響應(yīng)問題、非線性問題及多介質(zhì)的耦合問題等。但是有限元的缺點(diǎn)也很明顯，它的計(jì)算量很大，尤其是在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算時(shí)，計(jì)算的周期比較長[16]。焊接的形成是與電弧，物理結(jié)構(gòu)、熱能傳播、冶金及力學(xué)的研究為一體的，單純采用理論方法,很難準(zhǔn)確的解決生產(chǎn)實(shí)際問題。因此,在研究焊接生產(chǎn)技術(shù)時(shí),往往采用試驗(yàn)手段作為基本方法,其模式為“理論—試驗(yàn)—生產(chǎn)”,但大量的焊接試驗(yàn)增加了生產(chǎn)的成本,且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展給各個(gè)領(lǐng)域帶來了深刻的影響。結(jié)合有限元法和技術(shù)的不斷改進(jìn)，工程和科學(xué)中越來越多的問題都可以采用計(jì)算機(jī)有限元法模擬的方法進(jìn)行研究。采用科學(xué)的有限元法模擬技術(shù)和少量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以代替過去一切都要通過大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)的方法，不僅可以節(jié)省大量的人力和物力，而且還可以通過有限元模擬解決一些目前無法在實(shí)驗(yàn)室里直接進(jìn)行研究的復(fù)雜問題。作為促進(jìn)科學(xué)研究和提高生產(chǎn)效率的有效手段，有限元法的地位已經(jīng)顯得越來越重要了[17]。在工程學(xué)的一些領(lǐng)域中，有限元法已經(jīng)視為和物理實(shí)驗(yàn)同等重要。與焊接生產(chǎn)領(lǐng)域采用的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方法相比，有限元法具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以深入理解焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，弄清焊接過程中傳熱、冶金、和力學(xué)的相互影響和作用；（2）達(dá)到布局改良及工藝性能創(chuàng)新，進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)工作量，減少加工的時(shí)間，從而提升焊接的質(zhì)量效果，讓制作工藝的本金得到緩解。在這二十年左右的時(shí)間里，對于國際上在焊接殘余應(yīng)力的模擬研究上也得到了一些成績。而焊接應(yīng)力與應(yīng)變的系數(shù)值的研究一般主要有：殘余變形和焊接殘余應(yīng)力、消應(yīng)力處理以及拘束應(yīng)力和拘束度等 [18]。不過對于這些探究還在早期的研究中，不少的研究還需要繼續(xù)開發(fā)，但最重要的是要分清焊接這種物理情況的原理，才確保模具的完善。 當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)信息化軟、硬件和有限元軟件程序的不斷發(fā)展的過程中，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬研究也將繼續(xù)發(fā)展，它的模仿的結(jié)構(gòu)也有了一定的三維性、一體性、細(xì)致性等發(fā)展，對于這種研究的領(lǐng)域來說，一般有各式各樣的焊接方式，同時(shí)也涉及到一些焊接的模型、形成原理以及外部環(huán)境的進(jìn)程改革。而焊接數(shù)值模擬這項(xiàng)技術(shù)的變化也會推動智能化的進(jìn)程，所以對于焊接進(jìn)程中的系數(shù)核算完全是通過電腦來操作的，而工作人員只要將其中焊接的方式還有相關(guān)的硬件大小填寫上去，電腦就會分析最合適的工藝系數(shù)，確保焊接殘余應(yīng)力作用的降低，從而使