平板堆焊时平面外变形的形态及产生机制——有限元与试验的交叉验证

文献概况与研究价值

唐慕尧、崔培祥、裴怡在《焊接学报》1993年第2期发表的这篇文献，采用引入虚元的热弹性板元有限元方法与试验测定相结合的方法，系统研究了平板堆焊时平面外变形的形态及产生机制。该研究在焊接变形理论领域具有重要的学术价值，其提出的"角变形与纵向弯曲共同作用"的变形机制，至今仍是理解焊接变形的基础性认识。

研究方法的创新之处

虚元热弹性板元有限元方法

该文献采用了一种创新的有限元建模方法——引入虚元的热弹性板元。所谓"虚元"，是指在有限元模型中引入不实际存在但用于改善计算精度的虚拟单元。在平板堆焊问题中，虚元的引入可以更好地模拟焊缝区域的温度场和应力场分布，尤其是焊缝区域的梯度变化。热弹性板元则考虑了材料的热膨胀效应和弹性变形之间的耦合关系。

有限元与试验的交叉验证

文献中强调"从量级和趋势上看，计算和试验结果吻合良好"，这种交叉验证的研究方法体现了严谨的科学态度。在焊接数值模拟领域，有限元计算结果的可靠性验证始终是核心问题，通过试验数据验证计算模型的准确性，是确保模拟结果可信度的关键步骤。

平面外变形机制的深度解读

三种边界条件下的变形特征

文献通过对比不同边界条件下的平板堆焊变形，揭示了变形机制的内在规律：

角变形的产生机制

角变形是焊接变形中最常见的类型之一，其产生机制是焊缝区域及热影响区的横向收缩受到板厚方向中性轴偏移的影响。在平板堆焊中，焊缝位于板的上表面，堆焊金属的凝固收缩和热影响区的冷却收缩导致焊缝区域的横向收缩，但由于收缩发生在板的不对称位置（上表面），因此产生了绕焊缝方向的角变形。

纵向弯曲的产生机制

纵向弯曲是由焊缝的纵向收缩引起的。焊缝在凝固和冷却过程中，沿焊缝方向的收缩受到周围母材的约束，产生纵向残余拉应力。当约束释放后（如焊接完成、温度均匀化后），板件沿焊缝方向发生弯曲变形。在一端固定的边界条件下，纵向弯曲效应明显；而在两端固定的条件下，纵向收缩受到拘束，纵向弯曲被抑制。

工程实践中的变形控制策略

基于文献揭示的变形机制，在实际平板堆焊工程中，可以采取以下变形控制策略：

工艺措施

• 对称堆焊：在平板两面交替进行堆焊，利用对称的变形相互抵消，有效减小角变形。
• 反变形法：在堆焊前对平板施加与预期变形方向相反的预变形，焊接后变形相互抵消。
• 分段堆焊：将长焊缝分段焊接，每段焊接后释放残余应力，减小累积变形。
• 焊接顺序优化：采用合理的焊接顺序，使变形在板内均匀分布。

夹具与约束措施

• 刚性夹具：通过刚性夹具约束平板，限制焊接过程中的变形。
• 点固焊：在焊接前对平板进行点固焊，增加约束刚度。
• 焊接工装设计：设计专门的焊接工装，在满足工艺要求的前提下最大限度约束变形。

学习心得与启示

这篇文献的研究方法值得借鉴。在焊接变形研究中，有限元模拟与试验验证的结合是确保研究结论可靠性的关键。文献中提出的"角变形与纵向弯曲共同作用"的变形机制，虽然在今天的数值模拟技术看来已不算新颖，但在1993年，这种基于有限元方法的变形机制分析具有重要的开创性意义。从工程实践角度看，理解变形机制是实施有效变形控制的前提。在实际的平板堆焊工程中（如大型储罐内壁堆焊、管道内衬堆焊等），变形控制往往是工艺设计中的难点，文献中揭示的变形规律为我们提供了理论指导。此外，该文献也提醒我们，在焊接数值模拟中，边界条件的选取对模拟结果影响巨大，必须根据实际约束条件合理设定。