CAE工程分析 | 焊缝连接：从现象出发

如图所示钢结构，材料为Q235，结构件A和B之间通过焊缝C相连接。

进行有限元分析时，由于焊缝的具体形式难以体现和处理，因此实体/壳体建模时一般不考虑焊缝局部细节，而是直接将A和B通过共节点或者绑定接触进行连接。

基于这种简化模型，我们施加一种假设的端部横向弯曲荷载，提取该荷载下结构的米塞斯应力结果：

通过应力结果可以看出，在A和B相交的角点上存在明显的应力集中现象，该处的应力峰值在450MPa左右，显然这一数值远远超出母材的屈服强度235MPa，直逼抗拉强度。

这个时候有工程师会说：应力峰值处是奇异点，不具备参考价值，因此提取峰值点往外1~2层网格处的平均应力作为参考值；

还有些工程师认为：焊缝的结构是不规则的，并且含有大量缺陷，难以通过有限元分析对其强度进行校核；

这里暂且不讨论上述处理方式是否合理和可行，但是从中大家也可以感受到，如何通过结构分析校核焊缝处的强度确实存在一定的争议。

需要说明，本系列文章并不致力于解决焊缝校核问题，只是单纯地从相关论文，标准或者规范中得到一些相对具有参考价值的焊缝校核或者等效方法，和大家一起交流和探讨。

和前文思路一样，该系列文章依旧按照现象→工程处理方法→有限元处理方法的思路对焊缝连接相关内容进行说明。

如图所示，是不带圆孔和带圆孔平板的拉伸应力等值线图，由于圆孔的存在，使得平板中存在一个缺口，而缺口会导致结构局部承载面发生变化，从而在附近区域内产生应力集中现象。

同样的，焊根和焊趾处是焊缝结构的典型缺口部位，因此在这些地方同样会产生较为严重的应力集中现象。

以T型焊接为例，分别分析其在轴向拉力，横向剪切和轴向弯曲载荷作用下焊缝部位的应力等值线图：

可以看见，首先焊缝处存在明显的应力集中，其次，集中的位置和程度也严重依赖于外载。

如果详细分析焊趾周围的应力分布，会发现其呈现高度非线性的特点，包含结构应力部分，焊缝结构导致的增量部分以及焊趾结构导致的增量部分：

进一步研究还会发现，焊缝的焊脚尺寸，余高，夹角，过渡圆角等都会在一定程度上影响局部的应力集中现象（本文不做展开说明），因此焊缝的应力集中现象是复杂且多元的。

看到上述焊缝不知道大家的第一反应是什么？

就我个人而言，这种焊缝基本上是焊缝界的白月光，怎一个美字了得。这么漂亮的焊缝应该非常可靠，不需要再进行额外质量检验了。

但是就我老婆（空分行业）所说，她们公司的压力设备不管焊缝做得多么漂亮，是一定需要进行射线检测，言下之意，也就是说表面再漂亮的焊缝可能也会存在肉眼无法看到的微小裂纹或者内部缺陷。

实际上，由于各种原因，焊接过程所形成的焊接接头确实容易导致各种缺陷的形成：

如图所示，典型的焊缝缺陷有裂纹，未焊透，夹渣，气孔，咬边，错位，而每一种缺陷会伴随着各种缺口的产生，使得本就存在显著应力集中的焊缝局部又叠加上了一层集中，造成重复缺口效应。

而焊趾由于处于焊接接头的熔合线上，因此极易在此处产生大量微裂纹，焊趾因而也成为焊缝强度校核中最为关注的部位，如图所示为焊趾处的强度失效：

如果大家对各种缺陷造成的力学行为感兴趣，可以参考书籍《焊接强度分析》中相关内容，本文不做详细叙述。

除了焊接接头的应力集中和缺陷以外，还有一种现象也常常伴随着焊接过程产生，那就是：残余应力和变形

一方面，焊接过程的高温会使得焊接结构内部温度分布极度不均匀，结构由于不协调的膨胀和收缩变形产生较大的热应力，当热应力高于材料屈服点时又会产生塑性变形，而冷却时塑性变形和弹性变形的回复趋势并不协调，从而导致残余应力的产生；

另一方面，焊缝金属在冷却时会发生收缩变形，而由于靠近焊缝区域温度较高，远离焊缝区域温度较低，收缩量不一致导致焊缝的收缩受到抑制，焊缝内部产生压应力，而周边金属产生拉应力，同样会导致残余应力的产生。

如图所示是圆管焊接时，残余应力在垂直于焊缝方向的分布：

由于焊接残余应力难以避免和准确预测，并且很多时候会达到局部材料的屈服强度，因此残余应力的影响也是难以估量的。

通过上述内容我们可以感受到，焊接接头由于焊接工艺以及接头结构本身的原因，会产生非常复杂的力学行为，这给焊接接头的强度分析带来了极大的困难。

显然目前情况下，我们难以直接上手有限元分析，所以需要先对典型的工程校核方式进行学习，将在下一篇章中进行说明。

——  未完待续  ——