摘要
焊接是一个快速加热和冷却的过程，焊缝区域由于受到四周工件本体的约束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中会不可避免地产生焊接残余应力和变形。焊接残余应力的存在不仅降低部件的承载能力和疲劳强度，而且还增加其脆性断裂的风险。此外，焊接变形也会对产品的外观和加工精度有不利影响。影响焊接残余应力和变形因素种类繁多，除材料因素、接头形式、焊接工艺参数等因素外，焊接构件所处的外部和内部边界约束状态对残余应力与变形有显著影响。因此，研究不同边界约束条件下低合金钢焊接残余应力与变形对钢结构安全性评估具有重要意义。 本文基于有限元ABAQUS软件，采用热-弹-塑性有限元方法研究不同边界约束（自由条件、夹具约束、结构约束、横向约束）对Q345钢平板对接接头焊接残余应力和变形的影响规律，并分析边界约束在释放前和释放后的残余应力和变形变化，进而明确各种边界约束控制焊接变形的效率。然后，针对厚板T型焊接接头的特点，研究加强筋引起的结构约束对厚板T型焊接接头残余应力和变形的影响规律，并分析加强筋与背板之间的距离（L）和加强筋宽度（D）对T型接头腹板焊接残余应力和变形的影响。 研究结果表明：（1）对于平板对接接头而言，各边界约束均会显著影响平板对接接头的横向残余应力，且不同约束条件下的横向残余应力分布差异明显，但边界约束对平板接头纵向残余应力的影响较小。在边界约束释放后，平板对接接头横向和纵向残余应力均有所降低，且残余应力峰值均低于他们在自由条件下的情形。（2）各约束方式都能够有效地控制平板对接接头的焊接变形，夹具约束和结构约束对角变形的控制效率分别为58.4%和65.2%，尽管横向约束方式可以最好的控制焊接变形，但其约束强度太强，在实际工程应用中很难实现。因此，在实际工程应用中，推荐使用结构约束方式来减小厚板焊接接头的焊接变形。（3）对于T型接头而言，加强筋引起的结构约束可以显著降低面向加强筋的腹板和翼缘板的焊接残余应力，并使远离加强筋的腹板和翼缘板的焊接残余应力略有升高。加强筋移除后，T型接头的焊接残余应力在一定程度上会有所恢复，但略低于自由条件下T型接头的焊接残余应力。（4）结构约束可以有效控制腹板的角变形，但加强筋移除后会降低对腹板角变形的控制效率。对于含有加强筋的厚板T型接头来说，随着加强筋与背板的距离（L）或加强筋宽度（D）的增加，腹板的焊接残余应力和角变形均会减小。在L或D水平较高的情况下，通过增加L或D来减少焊接残余应力和角变形的效率较低。此外，正确调整加强筋的位置比改变加强筋的尺寸更能有效地控制腹板的角变形。
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