低強匹配對接接頭焊接殘余應力的數(shù)值模擬分析

利用有限元軟件abaqus,開發(fā)了一個順次耦合的熱應力有限元計算程序,對0cr18ni9/20和1cr5mo/20異種鋼焊接接頭殘余應力進行了有限元模擬分析.結(jié)果表明,無論是采用奧氏體不銹鋼焊條a302焊條還是鎳基焊條incone182焊條,0cr18ni9/20鋼和1cr5mo/20鋼焊接接頭中最大的軸向殘余應力和環(huán)向殘余應力產(chǎn)生在20鋼側(cè)的熱影響區(qū),0cr18ni9側(cè)有最小的焊接殘余應力.采用incone182來代替a302可以有效地降低殘余應力值,提高抗應力腐蝕開裂的能力.

利用有限元分析軟件marc,對冷卻后的九層玻璃/鋁陽極焊接試件進行數(shù)值模擬分析,獲得了九層陽極冷卻試件內(nèi)殘余應力和應變分布。模擬結(jié)果表明,試件冷卻后各處的冷卻收縮量不同,其內(nèi)部存在殘余應力和應變,試件發(fā)生翹曲;過渡層內(nèi)的等效應力最大,且關于鋁層呈對稱分布;鋁層內(nèi)的等效應力值達到了屈服極限,表明鋁層發(fā)生了塑性變形,且鋁層內(nèi)的等效應變最大。

通過余高削平的10crni3mov鋼低匹配對接接頭的拉伸和脈動拉伸疲勞試驗,研究了匹配比對高強鋼對接接頭力學性能的影響,給出了匹配比與削平對接接頭疲勞強度及壽命的關系方程.結(jié)果表明,隨匹配比降低,削平對接接頭抗拉強度、斷后伸長率和疲勞強度降低,但匹配比對接頭抗拉強度影響較小,對斷后伸長率和疲勞強度影響較大;由于焊縫冶金強化和力學強化效應的作用,接頭抗拉強度和疲勞強度遠高于焊縫熔敷金屬本身.匹配比過低的焊接結(jié)構(gòu)缺少滿足需要的塑性儲備,以接頭斷裂模式為標準,進行了匹配比下限值的初步界定.

彈性階段以提高低匹配接頭彎曲承載能力為目標,基于材料力學方法針對三點彎曲時低匹配對接接頭的余高形狀設計,提出了等彎曲承載能力(eblcc)的設計思想、判據(jù)及實現(xiàn)條件,并給出了三點彎曲接頭余高形狀設計方案,同時對理論分析結(jié)果進行了有限元驗證.結(jié)果表明,理論計算余高形狀為拋物線形,有限元結(jié)果與理論分析基本吻合,eblcc設計使峰值應力從低匹配接頭承載薄弱的焊縫區(qū)轉(zhuǎn)移到近焊趾的母材部位,從而提高了低強焊縫的彎曲承載與抵抗彎曲變形能力.余高雙側(cè)對稱圓弧型可以替代拋物線型.這種設計方法對高強鋼低匹配對接接頭設計及應用具有參考和指導意義.

四、曲面工件對接接頭的超聲檢測 1、基本要求 曲面工作是指（檢測面）直徑小于或等于500mm的承壓設備，其檢測方法基 本與9.2節(jié)所述的平板對接焊接接頭的檢測方法類似。但曲面工件縱縫和環(huán)縫因 其曲率的原因，有其自身特點。 1.1.檢測條件的選擇 （1）探頭應根據(jù)工件的曲率和材料厚度選擇探頭k值，為了達到較好 的耦合宜選用小晶片探頭。 曲面縱縫檢測與管材縱向缺陷檢測類似，應考慮幾何臨界角的限制，確保聲 束能掃查到整個焊接接頭。為了達到較好的耦合效果，若曲率較大，應將探頭接 觸面修磨成與工件外表面相吻合的曲面，此時應意探頭入射點和k值的變化，并 用曲率試塊作實際測定。 曲面環(huán)縫檢測一般探頭不需修磨也可有較好的耦合效果。若耦合效果不好， 可考慮修磨探頭接觸面。 1.2.對比試塊 直接采用csk系列標準試塊時，缺陷定位定量時考慮

為研究整體絕緣焊熱過程,建立整體絕緣接頭對接焊三維溫度場有限元數(shù)值分析模型?？紤]材料非線性并采用熱彈塑性有限元方法,模擬整體型絕緣接頭的溫度場、應力場及變形情況,同時模擬分析溫度場對整體型接頭密封性能的影響。

鋁合金在采用對接接頭膠接時能保證連接強度,但其應力分布不容易分析.通過數(shù)值分析方法,在ansys軟件平臺中通過搭建兩種不同形式的鋁合金對接接頭,研究模型彎曲時其應力分布情況.膠層應力在兩端部分波動較大,在中間應力分布比較有規(guī)則,x、y與第一主應力與膠結(jié)長度幾乎成線性分布,而膠層的平均應力關于膠層的中點位置幾乎呈現(xiàn)對稱的拋物線分布.基于以上規(guī)律可以為鋁合金在受到載荷時對接頭的設計提供一定的方法和建議.

根據(jù)實際釬焊條件,采用有限元數(shù)值模擬方法對ti(c,n)/45號鋼釬焊接頭殘余應力的大小及分布進行分析,結(jié)果表明,在釬焊溫度為880℃條件下,接頭軸向殘余應力在ti(c,n)金屬陶瓷側(cè)表現(xiàn)為拉應力,45號鋼側(cè)表現(xiàn)為壓應力,且拉應力的峰值出現(xiàn)在ti(c,n)金屬陶瓷側(cè)的外邊緣靠近釬縫的很小區(qū)域內(nèi)。

采用有限元熱彈塑性分析方法對t形接頭不同焊接順序的殘余應力和變形進行模擬.有限元模型中選用三維實體單元,分析了材料物性參數(shù)隨溫度的變化和對流、輻射散熱的影響.運用單元生死技術模擬t形接頭多道焊接過程,獲得了不同焊接順序t形接頭焊接溫度場和殘余應力、變形場,并對計算結(jié)果進行了分析.結(jié)果表明,焊接順序?qū)形接頭的殘余應力和變形有較大的影響,采用先焊一側(cè),然后焊另一側(cè)的方案所得到的殘余應力和角變形最小.

采用ni60合金粉末對q235b鋼焊態(tài)十字接頭進行了氧—乙炔火焰噴熔處理,同時進行了高頻疲勞試驗.分析認為噴熔修形改善了焊接接頭的幾何外形.噴熔修形態(tài)十字接頭在2×106循環(huán)周次下的疲勞強度比原始焊態(tài)提高了64.5%.基于氧—乙炔火焰噴熔工藝參數(shù),采用ansys12.0軟件對噴熔過程進行了熱-應力耦合的有限元模擬,分析認為,焊縫和涂層表面的殘余應力仍為拉應力,但是殘余拉應力的大小和噴熔前原始焊態(tài)接頭表層的殘余拉應力相比略微減小.原始焊態(tài)接頭表層的拉應力約為238mpa,噴熔修形后噴熔層表面的殘余拉應力約為182mpa,即火焰噴熔使得焊接接頭表層的殘余應力降低了24%.

對a5083鋁合金焊接接頭進行拋丸處理，測試拋丸前后焊接接頭的表面殘余應力以及沿深度方向的殘余應力。研究結(jié)果表明，經(jīng)拋丸處理后，接頭的應力平均值均呈下降趨勢，拋丸前應力平均值絕大多數(shù)為正數(shù)，表示接頭應力為拉應力狀態(tài)，拋丸后接頭應力為負數(shù)，表示接頭應力變?yōu)閴簯顟B(tài)，殘余應力處于壓應力狀態(tài)有利于抑制裂紋萌生，改善結(jié)構(gòu)的疲勞性能。拋丸對鋁合金焊接接頭殘余應力的影響在600gm左右，拋丸對焊接接頭的改善應力大小為180mpa左右。

采用手工焊和co2氣體保護焊在不同的焊接工藝下對5.8mm厚dp590進行了焊接,采用盲孔法沿焊縫一側(cè)測量了從焊縫到母材的殘余應力.結(jié)果表明,采用手工焊時焊縫區(qū)縱向應力和橫向應力均為拉應力,當熱輸入增加8.4%時,殘余應力沒有發(fā)生大的變化;采用co2氣體保護焊時,焊縫區(qū)縱向應力均為拉應力,當熱輸入增加33.1%,橫向應力由壓應力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?縱向應力增加133mpa,增幅為140%,橫向應力增加71mpa,增幅為322%.此外,從試驗結(jié)果可以看出,熱輸入對橫向應力的影響較縱向應力大.

對a5083鋁合金焊接接頭進行拋丸處理，測試拋丸前后焊接接頭的表面殘余應力以及沿深度方向的殘余應力。研究結(jié)果表明，經(jīng)拋丸處理后，接頭的應力平均值均呈下降趨勢，拋丸前應力平均值絕大多數(shù)為正數(shù)，表示接頭應力為拉應力狀態(tài)，拋丸后接頭應力為負數(shù)，表示接頭應力變?yōu)閴簯顟B(tài)，殘余應力處于壓應力狀態(tài)有利于抑制裂紋萌生，改善結(jié)構(gòu)的疲勞性能。拋丸對鋁合金焊接接頭殘余應力的影響在600gm左右，拋丸對焊接接頭的改善應力大小為180mpa左右。

焊接殘余應力存在導致q545r焊接接頭熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。本文基于有限元軟件abaqus，開發(fā)了一個順次耦合的焊接殘余應力有限元計算程序，對q345r焊接接頭熱影響區(qū)域補焊殘余應力進行了模擬計算，得到了補焊殘余應力的分布規(guī)律。其結(jié)果表明：補焊后，殘余應力值比焊態(tài)下殘余應力值有所降低。橫向殘余應力高于徑向殘余應力，這意味著焊接區(qū)域產(chǎn)生縱向裂紋的可能性較高。為此，對實際補焊修復提出了建議，為優(yōu)化補焊工藝、控制殘余應力提供了參考依據(jù)。

本文采用數(shù)值模擬的方法,對船體結(jié)構(gòu)的某一環(huán)形拘束焊縫進行焊接殘余應力的模擬計算。同時采用壓痕式應力測試儀,對實際船體結(jié)構(gòu)進行測試,并與模擬結(jié)果相對比驗證。結(jié)果表明,模擬結(jié)果與實測結(jié)果測得的焊接殘余應力分布規(guī)律基本一致,環(huán)形拘束焊縫縱向殘余應力大于橫向殘余應力,最大焊接殘余應力位于靠近熱影響區(qū)的直線段焊縫近表面處。

在分析t形接頭焊接溫度場的時候，要充分利用單元死活技術以及橢球形移動熱源模型。然而在分析焊接順序?qū)形接頭焊接殘余應力場的影響的時候，要采用數(shù)值模擬的方法，來研究其中相關的數(shù)值。在多道焊、分段焊以及多層焊中，主要采用不同的方法來研究其中出現(xiàn)焊縫的區(qū)域。并且能夠分析其中的降低效果。本文主要從分段焊、多層焊以及多道焊的焊道順序來分析t形接頭焊接殘余應力場的影響。

為提高下向焊大口徑管的焊接質(zhì)量,針對下向焊大口徑管的焊接工藝特點,選擇適當?shù)纳渚€透照工藝和技術參數(shù),對下向焊大口徑管對接焊縫進行100%x射線探傷。通過所拍x光底片,分析焊接時生成缺陷的類型、位置以及產(chǎn)生原因。

錐柱耐壓殼常采用高強度鋼建造,高強度鋼對焊接殘余應力較為敏感,因此有必要針對耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭的殘余應力進行研究。本文基于熱彈塑性相關理論,采用ansys的apdl語言編制焊接殘余應力數(shù)值模擬程序。研究板厚、板寬、錐角以及焊接速度、焊喉溫度對典型焊接接頭軸向焊接殘余應力的影響。研究表明:錐柱耐壓殼凹面焊趾附近區(qū)域殘余拉應力較大,應作為疲勞強度研究的重點區(qū)域。板厚和焊喉溫度對殘余拉應力的影響較殘余壓應力大;板寬和錐角對殘余拉、壓應力影響均較大。本文的研究可以控制焊接殘余應力和優(yōu)化焊接加工工藝,并為后續(xù)耐壓結(jié)構(gòu)疲勞強度的研究奠定相關理論基礎。

焊接殘余應力的測量

利用ansys有限元分析軟件,通過apdl語言編程,實現(xiàn)了不同預拉伸應力條件下鋁合金平板對接焊過程中,溫度場及應力場的模擬分析。計算結(jié)果表明,預拉伸焊接法可以有效地控制焊接殘余應力,隨著預拉伸應力的增大,其焊后殘余應力值逐漸減小。當預拉伸應力σp從0增加到90%σ0.2時,縱向殘余應力降低了85.6%。模擬分析結(jié)果與實驗測試結(jié)果基本吻合。

本文主要針對焊接接頭微觀組織演化建模及其可視化方法進行研究。采用元胞自動機模型,通過對焊接接頭的微觀組織晶粒生長進行模擬來分析和研究微觀組織的形態(tài)學和動力學特征;通過微觀組織圖像人工生成技術,直觀、精確地展現(xiàn)出微觀組織演化的可視化效果。實驗結(jié)果表明,經(jīng)過回歸分析得到的晶粒生長指數(shù)同主流的burke經(jīng)驗公式相符,使用元胞自動機算法對微觀組織演化進行的可視化模擬得到了令人滿意的效果。

焊接殘余應力及變形簡述 鋼材焊接時在焊件上產(chǎn)生局部高溫的不均勻溫度場，焊接中心處 可達到1600℃以上。高溫部分鋼材要求較大的膨脹伸長但受到鄰近 鋼材的約束，從而在焊件內(nèi)引起較高的溫度應力，并在焊接過程中隨 時間和溫度而不斷變化，稱為焊接應力。焊接應力較高的部位將達到 鋼材屈服強度而發(fā)生塑性變形，因而鋼材冷卻后將有殘存于焊件內(nèi)的 應力，稱為焊接殘余應力。在焊接和冷卻過程中由于焊件受熱和冷卻 都不均勻，除產(chǎn)生內(nèi)應力外，還會產(chǎn)生變形（如焊件彎曲或扭轉(zhuǎn)等）。 焊接和冷卻過程中焊件產(chǎn)生的變形稱為焊接（熱）變形，冷卻后殘存 于焊件的變形稱為焊接殘余變形。焊接殘余應力和殘存變形將影響構(gòu) 件的受力和使用，是形成各種焊接裂紋的因素之一，應在焊接、制造 和設計時加以控制和重視。焊接殘余應力的存在對焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的影 響是多方面的，并且其作用機理也不盡相同。另外，焊接殘余應力在 構(gòu)件中并非總是