雷文康
（重庆交通大学，土木工程学院，桥梁与隧道工程）
摘要：焊接由于其密封性好、接头强度高、结构设计灵活性大等一系列优点而被广泛的应用于汽车、船舶、航空等领域，特别是大型结构件的生产制造中。由于焊接过程是局部加热随后又快速冷却，使得焊接构件不可避免地会产生焊接残余应力和变形。焊接残余应力的存在不仅会导致焊接过程中的裂纹产生，而且促使在服役过程中发生脆性断裂、应力腐蚀裂纹和疲劳强度降低。因此，焊前如果能够通过理论方法来预测焊接接头的残余应力，这将为后续残余应力的控制工作提供重要的理论指导，对于工程实践来说将具有非常重大的意义。本文简单介绍了焊接残余应力的产生，焊接残余应力对具体工程实际的影响，最后介绍了数值模拟在焊接残余应力中的应用，并对其的发展方向进行了展望。
关键词：焊接残余应力；数值模拟；实际应用；焊接工程
1.引言
焊接是通过加热和加压,或两者并用,并且用或不用填充材料,使工件达到结合的一种工艺方法。由于焊接方法经济、灵活,能简化结构的构造细节,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、车辆、桥梁、锅炉等工业产品,以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程、大型厂房、高层建筑等重要结构,无一不采用焊接结构。焊接结构有自己的特点,只有正确地认识它的特点,才能设计制造出性能良好、经济指标高的焊接结构。历史上许多焊接结构失效的事例追其根源,多数与未考虑焊接结构的特点有关。
传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。但仅从实验角度研究焊接热应力、焊后残余应力和变形问题难度很大,无前瞻性,不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响,客观评价焊接质量。随着差分法、有限元法的不断完善,焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。在研究焊接生产技术时,往往采用试验手段作为基本方法,但大量的试验增加了生产成本,耗费人力物力,尤其是军工、航天、潜艇、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中,任何尝试和失败都将造成重大经济损失,而数值模拟将发挥其独特的能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞速发展,为数值模拟技术提供了有力的工具,很多焊接过程可以采用计算机数值模拟。
2.焊接残余应力的影响
金属构件（铸件、焊接件、锻件），在加工过程中，产生焊接残余应力，高者在屈服极限附近。构件中的焊接残余应力大多数表现出很大的危害作用；如使构件的强度降低、降低工件疲劳极限、造成应力腐蚀和脆性断裂，由于焊接残余应力的松弛，使构件产生变形，影响了构件的尺寸精度。因此降低和消除构件的焊接残余应力，就显得十分必要。焊接残余应力主要对金属材料屈服极限、对疲劳寿命、对构件变形、对金属脆性破坏、对应力腐蚀开裂都有影响。
3.焊接残余应力数值模拟
20世纪70年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授等人首先以有限元法为基础，提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，导出了分析焊接应力应变过程的表达式，从而使复杂的动态焊接应力过程的分析成为可能。在此基础上又进行了深入的研究，创建了“计算焊接力学”新兴学科。
对焊接热过程的数值模拟与仿真，可以为深入理解焊接过程中的复杂物理现象进而实现焊接过程自动化提供重要而实用的理论依据和基础数据。随着现代计算机硬件和软件的高度发展，现在已经能够通过数值模拟和仿真的方法对焊接热过程、焊接冶金过程及焊接结构的应力变形等物理化学现象进行求解和分析，预测焊缝组织、性能及焊接结构的应力与变形，并指导焊接生产。近年来在焊接热过程、残余应力与变形以及焊接冶金等方面的数值模拟研究方面也取得了长足的进步。
近年来在焊接热过程、残余应力与变形以及焊接冶金等方面的数值模拟研究方面取得长足的进步。
此外，随着搅拌摩擦焊接工艺的应用，急需开展搅拌摩擦焊金属塑性流动与热场动态行为的模拟与仿真，为掌握搅拌摩擦焊过程中接头组织与性能的演变提供依据。许飞，张侃等发现搅拌摩擦焊残余应力为拉应力,对裂纹张开、扩展起促进作用;在裂纹扩展试验中,随着裂纹的增长,残余应力逐渐释放,此时焊接态裂纹扩展速率接近辊压态裂纹扩展速率;辊压能消除残余应力,使焊接接头各区域残余应力和裂纹扩展速率趋于一致。
4.结语
未来焊接熔池与焊接热过程数值模拟发展的趋势是一般采用微观机制法和宏观热效应法两大途径对焊接热物理过程的动态行为进行建模与仿真。前者从微观机制上描述系统的传热传质传量行为，对电弧—熔滴—熔池体系的流体动力学状态和传热过程建立数理模型，分析和计算整体或局部的流场、热场、电磁场，获得表征焊接过程的基础数据。后者则综合考虑焊接热源的热—力作用，通过建立适用的和恰当的焊接热源模式进行数值模拟与仿真。
实际上，各类焊接新工艺涉及的复杂热物理现象，尚未得到全面和深入的理解。所以还需要进一步研究以下关键的科学和技术问题。
(1)计算速度和计算精度有待提高。
(2)完善宏观微观耦合模拟。
(3)数值模拟与诸如物理模拟的试验研究方法相结合。
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