焊接工艺对不锈钢焊接变形的研究.docx
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焊接工艺对不锈钢焊接变形的研究
上海交通大学
硕士学位论文
焊接工艺对不锈钢焊接变形的研究
姓名：
陈锋
申请学位级别：
硕士
专业：
机械工程
指导教师：
顾力强;黄耀俊
20091001
上海交通大学硕士学位论文
摘要
焊接工艺对不锈钢焊接变形的研究
摘要
真空设备是实现真空技术应用的基础，而真空腔体是真空设备的主
要功能零件。
多数真空腔体是由不锈钢板焊接而成。
在焊接零件生产过
程中，焊接后残余变形量很大。
为了降低焊件的焊接变形量，所以从焊
接工艺方面着手改善焊件的焊接变形问题。
焊接时，焊件中各部分温度的分布不均匀是导致焊件变形的主要原
因。
要得到一个焊接变形量比较小的焊件，必须控制焊接传热过程。
焊
接工艺参数直接影响着焊接时的传热过程，与焊接残余应力与变形量有
着直接关系。
因此研究焊接工艺参数，对如何降低焊件的焊接变形，有
着极其重要的意义。
论文研究了各个焊接工艺参数对焊接质量和热输入的影响，得出了
焊接电流、焊接电压及焊接速度是对焊接热输入有直接影响的三个焊接
工艺参数的结论。
为了预测焊件的焊接变形，利用ANSYS对焊接过程产
生的温度场、应力场以及焊后变形进行了模拟。
选择焊接电流、焊接速
度及焊枪偏离焊缝中心的偏心值作为研究对象，运用正交法设计了试验
方案进行了试验并优化。
同时又研究了焊接工装夹具装夹位置，对焊件
焊接变形的影响。
研究表明，焊接工艺参数及工装夹具装夹位置对焊件
的焊接变形有着显著的影响。
试验结果与有限元分析结果进行比较，表
I
上海交通大学硕士学位论文
摘要
明试验结果与ANSYS分析结果相吻合。
关键词：
焊接工艺参数，焊接工装夹具，数值模拟，温度场，应力和变
形
II
上海交通大学硕士学位论文
ABSTRACT
RESEARCHOFWELDINGPROCEDUREFORSTAINLESS
STEELWELDINGDEFORMATION
ABSTRACT
Afterweldingintheweldment,weldingresidualdeformationisvery
large.Whenwelding,weldmentinthevariouspartsoftheuneven
distributionoftemperatureisthemainreasonleadingtodeformationof
weldedparts.Togetaweldingdeformationofsmallerpieces,weldingheat
transferprocessmustbecontrolled.Weldingparametersdirectlyaffectthe
heatinputduringweldingprocess,andweldingresidualstressand
deformationhasadirectrelationship.SotheStudyofweldingparameterson
howtoreduceweldingdeformation,hasextremelyimportantsignificance.
Thesisstudiesthevariousweldingparametersontheimpactofweld
qualityandheatinput.Theweldingcurrentandweldingvoltageandwelding
speedhasadirectimpactontheweldingprocessparametersforweldingheat
input.Topredicttheweldingdeformationofweldments,thetemperature&
stressfieldwhichgeneratedbytheweldingprocess,anddeformationafter
weldingaresimulatedbyusingANSYS.Selectedweldingcurrent,welding
speedandweldingtorchdeviatefromthecenterofeccentricvalueasthe
researchobject,designedexperimentschemebyusingorthogonaldesign,
III
上海交通大学硕士学位论文
ABSTRACT
carriedoutexperimentschemeandoptimizedweldingparameters.The
influenceoffixlocationoffixtureforweldingdeformationisstudied
simultaneously.Studieshaveshownthatweldingparameterandfixlocation
offixturehasasignificanteffectonweldingdeformation.Comparedwith
finiteelementanalysis,testresultsmatchesANSYS’.
KEYWORDS:
weldingparameter，weldingfixture，numericalsimulation，
temperaturefield，stressanddeformation
IV
上海交通大学硕士学位论文
符号说明
符号说明
符号
E
⎛x、⎛y、⎛z
含义
弹性模量，Pa
x、y、z轴方向的应力，Pa
⎣
−1o
−1
c
〉
比热容，J⋅kg
−3
密度，kg⋅m
−1
⋅oC−1
〈
2
−1
a
o
−1
FH
母材金属在焊缝横截面中所占面积，m
2
Fm
填充金属在焊缝横截面中所占面积，m
2
S
热焓，J⋅kg
−1
L
H
h
⎛
焊缝熔宽，m
焊缝熔深，m
焊缝余高，m
焊缝的熔合比
q
ç
U
I
单位长度焊缝的热能量，W⋅m
焊接热效率系数
电弧电压，V
焊接电流，A
−2
v
焊接速度，m⋅s
−1
∂T
∂n
o
−1
∆T
o
ak
−2o
V
−1
热导率，W⋅m⋅C
热扩散率，m⋅s
线膨胀系数，C
温度梯度，C⋅m
液体温度与界面温度的差值，C
对流换热系数，W⋅m⋅C
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符号说明
⎤
物体黑度系数
C0
−8−2o
−4
ar
−2o
−1
aT
Q（x,y,z,t）
T
t
求解域中的内热源函数
焊接温度场的分布函数
传热时间，s
−2o
−1
qs
单位面积上的外部输入热源，W⋅m
−2
aT
Ta
Ts
nx、ny、nz
T0
−2o
o
o
边界外法线的方向余弦
o
−1
qm
R
r
Q
⎛s
∝
⎰
∂⎛
∂{⎛}
{d∑}p
™t
™p
加热斑点中心最大热流密度，W⋅m
电弧有效加热半径，m
离电弧加热斑点中心的距离，m
焊接有效热功率，W
材料的屈服极限，Pa
材料的泊松比
数量因子
数量函数⎛对向量{⎛}的偏导数
塑性应变增量
有限元分析变形量，mm
焊接后焊件变形量，mm
VI
−2
绝对黑体的辐射系数，C0=5.67⋅10W⋅m⋅C
辐射传热系数，W⋅m⋅C
总的表面传热系数，W⋅m⋅C
表面换热系数，W⋅m⋅C
周围介质温度，C
已知边界上的温度，C
物体初温常数，C
上海交通大学硕士学位论文
第一章绪论
第一章绪论
1.1本研究的工程需求和现实意义
真空技术具有悠久的历史，但作为独立的科学体系还是从20世纪初开始的。
这是由于电子
器件，原子能，航天技术对真空环境的需求，从而大大的推动了这一技术的发展。
随着科学技术
的发展，真空科学的应用领域越来越广，目前已经渗透到车辆、建筑工程、机械、包装、环境保
护、医药及医疗器械、石油、化工、食品、光学、电气、电子、原子能、半导体、航空航天、低
温、纺织、造纸、农业、民用工业以及近年来得到迅速发展的表面科学与纳米科学等工业部门和
[1]
为实现真空技术在实际生产和科学研究中的应用，真空设备作为真空技术应用实现的基础，
一直占据重要的地位。
真空腔体是真空设备的主体零件，基本上所有设备功能都是在真空腔体中
实现的。
真空设备的需求，越来越大，因此真空腔体市场潜力巨大。
考虑设备的使用寿命及生产
成本，真空腔体多使用不锈钢焊接而成。
在实际生产过程中，焊接变形量大的问题一直无法克服，
经常出现焊接后变形量过大，严重的可能导致无法装配而报废，产品良率低。
由于不锈钢具有良好的抗腐蚀性能，同时兼顾设备的生产成本和使用寿命，所以多数真空腔
体均使用奥氏体不锈钢0Cr18Ni9（SUS304）尺寸到位材料使用钨极氩弧焊焊接而成。
为保证零件
尺寸达到客户的要求，将变形降低到客户允收的范围内，常见的处理方式是焊接时，材料预留加
工余量，焊接后使用铣床机械加工修变形，以免影响真空设备的使用性能，这不仅增加了零件的
材料成本，而且增加了生产制造成本。
在与国内外供货商竞争的过程中，我公司一直处于不利的
位置。
零件巨大的市场潜力与公司较高的生产成本，构成了极大的矛盾，改善焊接后焊件变形大
的问题势在必行。
焊件变形是由焊接应力引起的。
金属结构内部由于焊接时不均匀的加热和冷却产生的内应力
叫焊接应力。
焊接过程是一个不均匀加热和冷却的过程。
不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。
温
度高的材料膨胀大，但受到两侧温度较低、膨胀量较小的材料所限制，产生了热塑性压缩。
焊缝
冷却时，被塑性压缩的焊缝区趋向于缩短，但受到两侧材料限制而产生纵向拉应力。
焊件中有沿
焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。
在焊接过程中，由于不均匀的加热，在焊接区局部产生了热塑性压缩变形，当冷却时焊接区要在
纵向和横向收缩，势必导致焊件产生局部鼓曲、弯曲、歪曲和扭转等。
焊接残余变形包括纵、横
向收缩、弯曲变形、角变形和扭曲变形等，且通常是几种变形的组合。
由于不锈钢焊接腔体的变形，是由焊接残余应力造成的，即焊接的残余应力直接影响到焊件
变形量的降低。
故研究焊接的残余应力，找出降低焊接后零件残余应力的措施，进而改善焊接工
艺，就能有效地降低焊接零件的变形。
研究降低焊件焊接后变形，就是研究焊件中焊接残余应力
的分布及减少焊接残余应力的措施。
目前国内外对焊件焊接前及焊接后减少焊件焊接残余应力的
措施，研究有很多。
但是对焊接过程中，对焊接热输入影响最大的焊接工艺，却很少鲜有人研究，
可供参照的资料很少。
究其原因，是因为焊接工艺很复杂，焊件也千奇百怪，难以形成一个完整
的研究系统。
焊接工艺应该包含焊接过程中工艺参数、工装夹具的装夹方式、焊接顺序以及焊接过程中热
1
科学研究工作中。
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第一章绪论
处理方式等内容。
这里面牵涉的内容极多，是一个很庞大的系统工程，短期内难以一一进行研究。
本论文就是针对真空腔体的零件使用要求，立足于焊接工艺参数、工装夹具的装夹方式，利用正
交法以减少试验次数，并保证试验结果正确性，优化使焊件变形降低到最小的焊接工艺参数以及
研究合理的工装夹具装夹方式。
这为后续拟定合适的焊接工艺参数，设计合理的焊接工装夹具打
下基础。
另外为了验证试验结果的正确性，为复杂焊件提供变形预测，以对实际生产提供理论指
导，促进了有限元分析技术在技术工程中的应用，利用有限元分析领域的大型通用软件——
ANSYS，对焊接过程产生的温度场、应力场、变形以及焊后的残余应力和变形进行了三维实施动
态模拟的研究，计算有限元仿真的平面度变形量，并与试验焊件变形量（平面度）进行比对，以验
证试验焊件变形量的正确性。
1.2本课题的国内外动态
1.2.1不锈钢焊接工艺的研究进展
焊接是一种运用（多数情况下为局部）加热或加压手段、添加或不添加填充材料将焊件不可拆
卸地连接在一起或在基材表面堆敷覆盖层的加工工艺。
我国焊接技术在工业中应用的历史虽然不
长，但却发展非常迅速。
由于焊接方法经济、灵活；采用焊接结构与铆接结构相比，能简化焊件
结构的构造细节，节约材料，提高生产效率，改善工人劳动条件。
因此，目前船舶、机车、桥梁、
车辆、锅炉等工业产品，以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油加工工程、大型厂房、
高层建筑等重要结构，无一不采用焊件结构。
焊件结构有自己的特点，只有正确地认识、切实地
掌握它的特点，才能设计制造出性能良好、经济指标高的焊件接结构。
历史上许多焊接结构失效
的实例追其根源，多属于未考虑焊件结构的特点有关。
进入20世纪90年代以来，我国不锈钢的消费量增长很快。
1997年我国不锈钢的表观消费
量超过了100万吨，2001年达到220万吨，居世界第一位。
以后逐年大幅度增长，2005年达到
[2]
不锈钢由于其优良的耐腐蚀性能，在我国的经济建设中占有举足轻重的地位，被广泛应用于
船舶、车辆、汽车、宇航、桥梁、建筑、压力容器、贮罐、建筑机械、管线及家电设备等行业。
在不锈钢加工工艺中，焊接是最主要的必不可少的加工技术。
焊件的数量、品种、规格在不断地
增加，对焊接工艺和质量的要求也越来越高。
而且随着技术的引进，国外的不少不锈钢的品种和
牌号、新焊接材料、新焊接技术、新焊接工艺在国内市场所占的比重逐步增加，因此对国内的焊
接技术人员也提出了许多新的问题。
与国外相比，我国的不锈钢焊接技术水平存在一定的差距，主要表现在焊接设备（国内目前
无一家具有自主知识产权的先进设备生产厂家，高端焊机完全依赖进口，中低端焊机厂家间竞争
激烈，在技术研发方面投入少）、焊接工艺（大部分焊接工程技术人员及焊工不熟悉不锈钢的焊
接）和焊接材料（焊材研发能力弱，优质焊材主要靠进口）等方面。
另外，我国执行的标准同国
外相比，也比较落后，因此迫切需要我们加强不锈钢焊接工艺与材料的研究工作，致力于产品质
量的提高，保证产品质量的稳定，迅速缩小与国外先进水平的差距。
同时加强对高品质特种不锈
钢焊材的研制开发与生产，适应市场的需求，降低成本，增强自身的竞争能力，为我国的经济建
设做贡献。
国内对不锈钢焊接工艺的研究主要集中在减少与消除残余应力和措施。
在焊接结构生产中，
2
522万吨，连续5年成为世界上最大的不锈钢消费国家。
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常常采取如下的生产工艺措施以防止和减少钢焊接残余应力与变形。
1.选择合理的装配和焊接程序
第一章绪论
尽可能考虑焊缝的自由收缩
对于大型焊件应从中间向四周对称进行。
如工字梁在对焊接
时，无论先焊面板或是腹板的接头，横向收缩会在角焊缝内引起很大应力，甚至产生裂缝，所以
应设法使它能自由收缩。
为此可采取将角焊缝留出一段后焊，使对接接头的横向收缩能自由地进
行。
收缩量大的焊缝先焊
对带筋板的工字梁，如先进行面板和腹板的焊接，再焊筋板的角焊
缝，则由于角焊缝的横向收缩很大，会在面板和腹板的角焊缝内造成很大的焊接应力。
采取对称焊接
对于刚性大而断面对称的焊件，施焊时可采用对称的焊接程序，这对于保
证焊件得到最小的弯曲变形是十分有利的。
对称布置的焊缝，应采用双数焊工对称的进行焊接。
采用焊缝的不同焊接法
在焊接长焊缝（≥1m）时，可采用分段退焊法、跳焊法、交替焊
法；对中等长度（0.5～1m）的焊缝可采用分中对称焊法。
2.反变形法
所谓反变形法，就是根据焊后变形的情况，预先给以一个方向相反、大小相等的变形，使焊
件焊后变形很小甚至完全消失。
采用此法时，应预先确定反变形的数值，以便达到消除焊后变形
的目的。
反变形的数值，无数据可供查询，一般是凭经验进行估算。
3.刚性固定法
由于刚性大的焊件焊后变形小，因此如果焊前加强焊件的刚性，同样也可以减小焊接变形。
所以刚性固定法是采用强制手段来减小焊件焊后变形的有效办法。
刚性固定是一般采用定位焊或
简单工装夹具将焊件固定在平台或胎架上以达到减小变形的目的。
刚性固定法只适用塑性好的材料，特别是低碳钢。
对于脆性较大的和容易淬火而变硬脆的中
碳钢等材料不宜采用刚性固定法进行结构焊接，否则易导致焊缝产生裂缝。
4.散热法
散热法又称强迫冷却法，是将散热物体放置在焊接区域的周围，使焊件迅速冷却借以减小焊
接热影响区域，使变形减小。
但是这种方法对淬火倾向较大的材料，易产生冷淬而出现焊接裂纹。
5.机械矫正法
机械矫正法就是对焊缝及其周围区域施加外力，可以减小收缩应力和变形。
其原理是利用焊
缝及其周围金属受外力后产生塑性变形，而将已产生收缩的焊缝纤维伸长，从而减小了焊件的可
见变形和应力。
机械矫正最好在热状态下进行，这时的金属具有较高的塑性。
因此，不锈钢焊件
焊缝机械矫正，必需适当加热，以保证金属的较高塑性。
6.预热法
焊件在焊前加热能减小焊件的温度差，并降低焊后的冷却速度，从而减小焊接应力。
焊件焊
前预热可根据焊件的大小和施工条件，采取局部预热或整体预热。
预热温度的大小主要根据焊件
的材料性质，厚度以及周围环境的温度等综合来考虑。
一般情况下，奥氏体不锈钢焊接时不需要
预热，但对焊缝铁素体很少或根本没有铁素体时，奥氏体焊缝可能会产生热裂纹。
这种情况下，
预热是必要的。
7.焊后热处理法
为了防止和消除焊接接头的应力腐蚀开裂，有必要进行焊后热处理。
常规碳含量不锈钢结构
需要进行固溶处理；含稳定化元素的和超低碳的不锈钢结构需进行稳定化和消除应力热处理。
焊件焊好后，将焊件整体放入加热炉中，并以≤25～60℃的升温速度进行加热。
不锈钢焊件
加热在500～650℃左右，并保温一定时间，然后与炉子一起冷至50～60℃，焊件才出炉。
当焊
件尺寸大而不能进行整体回火时，可局部回火，此时，回火后应缓慢地冷却。
此法是用氧—乙炔
3
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第一章绪论
火焰喷嘴加热在焊缝两侧，焊件表面加热至200℃左右。
在火焰嘴后面一定距离，喷水冷却，造
成加热区与焊缝区之间一定温度差，使焊缝区金属被拉长，而达到部分消除焊缝拉伸内应力的目
的。
[3]
[4]
而涉及焊接工艺参数对焊接残余应力影响的研究报告却很少，主要集中在对焊接应力场、温度场
的研究及焊接工艺参数化设计软件开发。
1.2.2焊接热分析的研究进展
焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑性动态分析的前提。
关于焊接热过程的分析，前苏联科学院的Rykalin院士对焊接过程传热问题进行了系统的研究，
建立了焊接传热学的理论基础。
为了求解传导微分方程的解，他把焊接热源简化为点、线、面三
种形式的理想热源，且不考虑材料热物理性质随温度的变化以及有限尺寸对解的影响。
实际上焊
接过程中除了包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能变化而导致传热过程严重的非线
性外，还涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等复杂现象，因此是非常复杂的。
由于这些假
定不符合焊接的实际情况，因此所得的解与实际测定有一定的偏差，尤其是在焊接熔池附近的区
域，误差很大，而这里又恰恰是研究者最为关心的部位
[5][6][7][8][9]
。
Adames、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程，以大量的试验为基础，积累了不同材
质、不同厚度、不同焊接线能量以及不同于热温度等测量数据，然后从传热理论的有关规律出发，
经过整理、归纳和验证，最后建立了不同情况下的焊接传热公式。
这种方法比前者采用数学解析
[6]
1966年Wilson和Nickell首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。
到了二十世纪七
十年代，有限元法才逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。
1975年加拿大的Poley和Hibbert
在发表的文章中，介绍了利用有限元法研究焊接温度场的工作，编制了可以分析非矩形截面以及
常见的单层、双层U和V型坡口的焊接温度场的计算程序，证实了有限元法研究焊接温度场的可
行性。
之后国内外众多学者进行了这方面的研究工作。
Krutz在1976年的博士论文中专门研究
了利用焊接温度场预测接头强度问题，其中分析了非线性温度场。
在二维分析模型中，假定电弧
运动速度比材料热扩散效率高，因而传到电弧前面的热量输出量相对比较小，从而忽略了在电弧
运动方向的传热，这实际上与Rykalin高速移动热源公式的处理方法是一致的。
西安交通大学的唐慕尧等人于1981年编制了有限元热传导分析程序，进行了薄板焊接准稳
态温度场的线性计算，其结果与试验值吻合。
随后上海交通大学的陈楚等人对非线性的热传导问
题进行了有限元分析，建立了焊接温度场的计算模型，编制了相应的程序。
程序中考虑了材料热
物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况，能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准
稳态或非准稳态二维温度场的有限元分析，并在脉冲TIG焊接温度场以及局部干法水下焊接温度
场等方面进行了实例分析
[10][11][12]
。
对于三维问题，国内外也是近十多年来才刚开始研究，其原
因是焊接过程温度梯度很大。
在空间域内，大的温度梯度导致严重材料非线性，产生求解过程的
收敛困难和解的不确定性；在时间域内，大的温度梯度决定了必须在瞬态分析是在时间域内的离
散度加大，导致求解时间步的增加
[13]
。
国内上海交通大学汪建华
[14][15]
等人和日本大阪大学合作
对三维焊接温度场问题进行了一系列的有限元研究，探讨了焊接温度场的特点和提高精度的若干
途径，并对几个实际焊接问题进行了三维焊接热传导的有限元分析
4
[16][17][18]
。
蔡洪能等人在建立
以上这些措施多见诸于各种焊接类书籍杂志，太原钢铁集团
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