采用MAG方法的大型焊接结构焊接变形最小化：焊接过程的数值与物理模拟

《Materials》：Minimization of Welding Distortion in Large-Scale Welded Structures Using the MAG Method: Numerical and Physical Simulation of the Welding Process

　　

本文介绍了对由S235JR钢制成的直径为10,000 mm的大型储罐底板焊接变形最小化的研究结果。先前采用的焊接技术保证了底板平面度公差符合EN 14015标准，公差比为T = 0.25% × D = 25 mm，其中D表示储罐底板直径。本研究的目的是探讨将该值降至目标水平ΔT = 0.2% × D = 20 mm的可能性。分析了两种用于焊接过程中约束储罐底板的夹紧系统配置。在SYSWELD软件中，采用有限元方法（FEM）对两种配置进行了数值模拟。对于选定的夹紧配置，进行了焊接过程的物理模拟，随后分析了储罐底板中焊接引起的变形分布是否符合所需的底板平面度公差0.2% × D。

**论文解读：采用MAG方法的大型焊接结构焊接变形最小化——基于数值与物理模拟的研究**

**研究背景与问题**

在大型焊接结构制造中，焊接残余应力及由此引发的变形是核心挑战之一，尤其对于大尺度、几何复杂的部件（如储罐底板）。焊接过程中，热源熔化填充金属形成熔池，随后快速冷却凝固成焊道，同时影响邻近区域（热影响区，HAZ）。热循环中的快速加热与冷却、力学性能退化及相变导致相邻区域产生机械交互作用，引发高温度梯度和内应力，进而驱动焊接变形。对于钢制结构，材料的弹性模量（E）、剪切模量（G）、屈服强度（Re）随温度升高而降低，线性热膨胀系数则增大，从而增加塑性变形（焊接变形）的倾向。尽管完全消除焊后残余应力难以实现，但通过优化焊接工艺参数（如限制热输入、采用脉冲电流或低能耗焊接方法）、合理设计结构（减少焊缝数量、采用间断焊、双面焊等）、应用弹性预置或机械预紧（机械应力释放）等手段，可有效减轻变形对结构质量的影响。

开展本研究的原因在于：现有焊接技术（先前采用）能保证储罐底板平面度公差符合EN 14015标准，公差比为T = 0.25% × D = 25 mm（D为底板直径），但目标是将该比值降至0.2% × D = 20 mm。因此，需要开发并验证一种优化焊接技术，以在满足更严格公差要求的同时，避免高昂的试错成本和工期延误。

**研究内容与结论**

研究人员针对由S235JR钢制成、直径10,000 mm、板厚6 mm的大型储罐底板，采用MAG（金属活性气体保护焊）方法进行焊接。设计了两种夹具系统配置（夹紧变体1和变体2），用于在焊接过程中约束底板。首先，利用有限元方法（FEM）在SYSWELD软件中对两种配置进行数值模拟，采用收缩法（shrinkage method）简化焊接变形预测。基于数值模拟结果，选择变形较小的第二种配置进行物理模拟（实际焊接实验）。物理模拟中，先施焊对接焊缝，再施焊角焊缝，焊后通过十字线激光测量底板沿Z轴（垂直于底板表面）的变形分布，并与数值模拟结果进行对比分析。

研究得出的主要结论包括：两种夹具配置在焊接后均导致底板呈双曲抛物面形状（负高斯曲率曲面），沿Z轴的变形量显著大于X轴和Y轴（约10倍）。第二种夹具配置（使用较少夹具点）的整体变形量较小，但物理模拟结果表明，仅在线L2上的测量点满足目标公差ΔT = 20 mm，而线L1上的部分点（如点3、6）未达标。数值模拟与物理模拟在变形量级上存在定量差异（物理模拟变形值平均低于数值模拟40%~80%），但定性趋势一致，表明数值模型能有效反映焊接变形的空间分布和相对大小。该研究为大型焊接结构的焊接工艺优化提供了数值与实验相结合的方法，具有重要的工程应用价值。论文发表在《Materials》。

**关键技术方法简介**

研究人员主要采用以下关键技术方法：1）数值模拟：利用有限元法（FEM）在SYSWELD软件中建立储罐底板模型，采用二阶壳单元，网格节点数约1,269,000，单元数432,000。应用收缩法（shrinkage method）模拟焊接变形，通过定义焊缝区域的收缩应变（基于材料热膨胀系数和温度增量）替代完整的瞬态热-力耦合分析。2）物理模拟：在装配场地上使用专门设计的支撑结构和夹具系统（第二种配置），由经验焊工手动进行MAG焊接，焊接参数根据WPS（焊接工艺规程）确定。采用十字线激光（工作范围30 m，精度±0.2 mm/m）测量焊后底板沿Z轴的高度变化，从而计算变形量。样本来源为S235JR钢制大型储罐底板（直径10,000 mm，板厚6 mm）。

**研究结果**

**2.1. 数值模拟**

**2.1.1. 数值模拟方法**：研究人员准备CAD和FEM模型，将对接焊缝用中面建模，角焊缝用焊缝面建模。采用收缩法，施加收缩应变（ε_sh = β·α·ΔT，其中β为塑性过程与结构约束系数，α为线性热膨胀系数，ΔT为温差）。有限元网格在焊缝区域细化。模拟了两种夹具配置（变体1有更多夹具点，变体2夹具点减少至1/3），并模拟了焊后释放夹具的边界条件变化。

**2.1.2. 数值模拟结果与分析**：两种夹具配置的变形场具有相似特征，但量级不同。变体1在释放前变形值比变体2高6%，释放后高8%。最大位移沿Z轴方向，约为X轴和Y轴变形的10倍。底板呈双曲抛物面形状。在测量线L1上，变体1的Z轴绝对变形平均值比变体2高21%，在L2上高9%。因此，第二种夹具配置（更少夹具点）产生更小的整体变形，被选为物理模拟对象。

**2.2. 物理模拟**

**2.2.1. 物理模拟方法**：基于数值模拟结果，采用第二种夹具配置进行物理模拟。先完成定位焊，再施焊对接焊缝（两遍），最后施焊角焊缝（两遍）。使用十字线激光在焊前和焊后测量测量点（L1和L2，各11个点，间距1000 mm）的相对高度，从而确定Z轴变形。

**2.2.2. 物理模拟结果与分析**：物理模拟后，L1线的变形范围为-19 mm至+12 mm，L2线为-4 mm至+16 mm。与数值模拟结果相比，多个点的物理模拟变形值显著更低。在L2线上，所有测量点均满足目标公差ΔT = 20 mm，但L1线上点3和点6未达标。物理模拟的绝对变形平均值比数值模拟低40%以上（L1）和80%（L2）。研究人员指出，数值模拟与物理模拟的定量差异源于材料模型简化（未完全考虑温度相关相变和力学性能变化）、边界条件（夹紧刚度和接触条件）不精确以及热源模型理想化。尽管如此，数值模型在定性趋势上（变形分布、方向和相对大小）与实验观察一致，具备工程应用价值。

**结论**

基于研究结果，得出以下结论：两种夹具配置在焊接后产生不同量级的变形，但变形场几何特征相似，底板呈双曲抛物面。沿Z轴的变形显著大于X轴和Y轴，最大位移出现在底板周边区域。第二种夹具配置（较少夹具点）产生更小的整体变形，但夹具数量需结合夹紧力评估，以确保足够约束。数值模拟实现了对焊接顺序（WPS指令）的定性验证，但结果属定性而非定量。物理模拟显示，第二种夹具配置下，仅L2线满足目标公差，L1线部分点需进一步优化。未来工作需建模夹紧力，以实现所有区域均达到目标公差水平。