（材料科学与工程专业论文）非熔化盘式电极焊缝清根温度场与应力场的模拟研究.pdf

摘要 在球罐、储罐及压力容器等大型厚壁金属容器的焊接施工中，为了满足焊透和其他 焊接要求，均需进行焊缝清根操作。清根质量好坏不仅关系到焊缝的最终质量，同时还 影响工程的进度和成本。清根规律的研究，不仅能够为工艺制定和优化清根工艺参数提 供依据，也为后续焊接过程做好基础理论准备。 因此，本文基于新研制的非熔化盘式电极自动清根技术，对焊缝清根规律进行了研 究。针对非熔化盘式电极原理与结构特点，借鉴传统体积热源模型，推导了相应的热流 分布模式。并根据传热学与热弹塑性理论，利用a n s y s 软件建立了清根温度场与应力 场的模型，采用间接法处理二者的弱耦合效应，分析了温度场与应力场的动态演变过程 以及最后的残余应力。讨论了清根电流、清根速度等参数对温度场影响规律。 模拟结果表明：清根时瞬时输入能量大，刨削速度快，被刨金属瞬时熔化，而后又 被及时吹走，造成对周围金属传热时间很短，导致了温度场变化十分剧烈，产生极大的 温度梯度，热影响区t 8 ，5 冷却时间只有0 8s 。随着清根速度的减小或清根电流的增加， 温度场的分布加宽，热循环的峰值温度升高，在高温时刻的停留时间增加，冷却速度减 慢。而且清根速度增大，坡口截面面积减小。模拟中采用电压为2 2v ，电流为6 0 0a ， 清根速度分别为1 0m m s ，1 5m l i l s ，2 0r l l m s 时，清根坡口截面有效面积分别为1 7 9 6 f i l m 2 ，1 4 0 0m m 2 ，11 0 8f i l m 2 ；而随着清根电流的增加，坡口截面面积增加。模拟中采 用电压为2 2v ，清根速度为1 5m m s ，电流分别为5 0 0a ，5 5 0a ，6 0 0a 时，清根坡口 截面的有效面积分别为1 1 8 4 衄n 2 ，1 3 1 2r i l l l l 2 ，1 4 0 0m m 2 。应力场模拟结果显示，清 根坡口附近为拉伸残余应力，向板边过渡为压缩残余应力。坡口两侧的高拉应力区域很 窄，最大残余应力达到2 2 7m p a ，而远离坡口的残余等效应力较小且较均匀，约为2 5 5 01 v i v a ，形成非常陡峭的残余应力分布形式。从工件上表面应力来看，在紧靠坡口处 为较小的拉应力，然后迅速上升，达到峰值后又迅速下降，此时纵向应力转为压应力， 而横向残余应力直接趋于0 应力状态，并且纵向应力远大于横向应力。从厚度方向的残 余应力来看，在清根坡口底部存在三向应力集中。 关键词：焊缝清根，温度场，应力场，热源模型，有限元，数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo nt h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s s f i e l d sd u r i n gb a c kc h i p p i n gp r o c e s so fw e l db e a dw i t ha d i s k - t y p en o n - c o n s u m a b l ee l e c t r o d e l ic h u n y a n ( m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l e iy i a b s t r a c t w e l d i n g s e a l lb a c kc h i p p i n gi san e c e s s a r yt e c h n o l o g i c a lo p e r a t i o nt om e e tt h ed e m a n d s o fc o m p l e t ep e n e t r a t i o no ro t h e rw e l d i n gr e q u i r e m e n t sd u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s so fm e t a l c o n t a i n e r s 淅t i ll a r g es i z ea n dt h i c kw a l l ，s u c ha ss p h e r i c a lt a n k , s t o r a g et a n ka n dp r e s s u r e v e s s e l t h eq u a l i t yo fb a c kc h i p p i n gi sn o to n l yi nr e l a t i o nt ot h eq u a l i t yo ff i n a lw e l d i n g s e a m ，b u ta l s ot h es c h e d u l ea n dc o s to ft h ew h o l ep r o j e c t t h er e s e a r c ho fb a c kc h i p p i n gc a i l b eb a s i so fp r o e e s s e sp l a n n i n ga n dt e c h n o l o g yp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n m e a n w h i l e ，i tw i l lb e a t h e o r yf o u n d a t i o nf o r t h es u b s e q u e n tw e l d i n g t h e r e f o r e ，t h el a wo fw e l d i n gs e a mb a c kc h i p p i n gw a ss t u d i e db a s e do nt h en e w l y d e v e l o p e da u t o m a t i cb a c kc h i p p i n gm a c h i n ew i t l lad i s k - t y p en o n - c o n s u m a b l ee l e c t r o d e a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h ed i s k t y p ee l e c t r o d e ，an e wc o r r e s p o n d i n gh e a t s o u r c em o d e lw a sd e r i v e du s i n gt h et r a d i t i o n a lv o l u m eh e a ts o u r c em o d e lf o rr e f e r e n c e t h e n b a s e do i lh e a tt r a n s f e rt h e o r ya n dh e a te l a s t o p l a s t i c i t yt h e o r y , t h et h e r m a la n ds t r e s sf i e l d m o d e lw e r eb u i l tb ya n s y ss o t t w a r e ，a n dt h e i rw e a kc o u p l i n gp h e n o m e n aw a sh a n d l e db y i n d i r e c ta p p r o a c h t h ed y n a m i ce v o l u t i o n so ft h et h e r m a lf i e l d ，s t r e s sf i e l d ，a n dt h ef i n a l r e s i d u a ls t r e s sf i e l dw e r ea n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，t h ee f f e c t so fc u r r e n ta n ds p e e do i l t h e r m a lf i e l dw e r ed i s c u s s e d r e s u l t ss h o wt h a tt r a n s i e n tl a r g ee n e r g yi n p u t ，q u i c k e rs p e e dm a k et h em e t a lm e l t i n s t a n t a n e o u s l ya n dh e a tc o n d u c ti ns h o r tt i m e f u r t h e r m o r e ，t h em o l t e nm e t a l sa r eb l o w n a w a yi nam o m e n tw h i c hl e a d st od r a m a t i c a lc h a n g eo ft h e r m a lf i e l d g r e a tt e m p e r a t u r e g r a d i e n to c c u ri nt h e r m a lf i e l d ，t h et 8 5c o o l i n gt i m ei nh e a ta f f e c t e dz o n ei so n l y0 8si n s i m t d a t i o n w i t ht h ed e c r e a s eo fs p e e do ri n c r e a s eo fc u r r e n t ，t h er e g i o no ft h e r m a l d i s t r i b u t i o ni sw i d e n e d ，t h ep e a kt e m p e r a t u r er i s e si nt h e r m a lc y c l e ，d w e l lt i m ea tb j 【g h t e m p e r a t u r ee x t e n d s ，a n dc o o l i n gr a t es l o w sd o w n i na d d i t i o n ，t h eg r o o v es e c t i o n a la r e a d e c r e a s e sa sb a c kc h i p p i n gs p e e di n c r e a s e s t h ev a l i ds e c t i o n a la r e ao fg r o o v ei s17 9 61 1 1 1 1 1 2 ， 14 0 0m m 2 ，11 0 8m m 2r e s p e c t i v e l yw i t ht h ep a r a m e t e r so fv o l t a g ef o r2 2v ，c u r r e n tf o r6 0 0 a ，s p e e df o r 10m m f s ，15m m f s ，2 0m m f ss e p a r a t e l y ；h o w e v e r ，t h eg r o o v es e c t i o n a la r e a i n c r e a s e sa sc u r r e n tr i s e s t h ev a l i ds e c t i o n a la r e ao f g r o o v ei s11 8 4m i l l 2 ，1 3 1 2m m 2 ，1 4 0 0 m i i 2r e s p e c t i v e l yw i t ht h ep a r a m e t e r so fv o l t a g ef o r2 2v s p e e df o r15m m s ，c u r r e n tf o r5 0 0 a ，5 5 0a ，6 0 0as e p a r a t e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fs t r e s sf i e l ds h o wt h a ti ti st e n s i l e r e s i d u a ls t r e s sa r o u n dt h eg r o o v e ，a n dc o m p r e s s i v er e s i d u a ls t r e s sw i t ht r a n s i t i o nt op l a t e e d g e t h er e g i o no fh i g ht e n s i l er e s i d u a ls t r e s s e si sv e r yn a r r o wa tb o t hs i d e so ft h eg r o o v e ， i t sm a x h i l u mv a l u ea c h i e v e st o2 2 7m p a , t h er e s i d u a ls t r e s s e sa r em i n o ra n dw e l l - d i s t r i b u t e d a w a yf r o mg r o o v e ，a b o u t2 5 - 5 0i v i p a t h e r e f o r e ，as h a r pd i s t r i b u t i o ns t a t eo fr e s i d u a ls t r e s si s f o r m e d a sf o rt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h ew o r kp i e c es u r f a c e ，i ti ss m a l l e rt e n s i l es t r e s s c l o s et ot h eg r o o v e ，a n dt h e nr a p i d l yi n c r e a s e s ，t h e nd e c r e a s e sr a p i d l yf r o mp e a k a tt h i st i m e ， l o n g i t u d i n a ls t r e s st u r n st oc o m p r e s s i v es t r e s s ，w h i l et r a n s v e r s er e s i d u a ls t r e s st e n d st o0 d i r e c t l y o v e r a l l ，t h ev a l u eo fl o n g i t u d i n a ls t r e s si sm u c hg r e a t e rt h a nt h et r a n s v e r s es t r e s s t h e r ei st h r e ed i m e n s i o n a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o na tg r o o v eb o t t o mv i e w e df r o mt h i c k n e s s d i r e c t i o n k e yw o r d s ：b a c kc h i p p i n go fw e l db e a d ，t h e r m a lf i e l d ，s t r e s sf i e l d ，h e a ts o u r c em o d e l ， f i i l i t ee l e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 1 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盔焘趁日期：劲扣年j 月 学位论文使用授权书 叩日 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盔盔主塾 指导教师签名：一一霉红一一 日期：2 0 o 年箩月坷e 1 日期：2 0 0 3 - - 月岁日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 焊接作为现代制造业的基础技术，在材料i j n 3 - 领域一直发挥着极其重要的作用。由 于制造周期短、效率高、成本低、质量好等优点，焊接结构在制造业中的重要地位日益 突出n 1 。 目前，为适应生产需要，重要焊接结构如压力容器、桥梁、钢轨及管道等，逐渐向 高参数及大型化发展，工作条件日益苛刻复杂，对焊接技术提出了越来越高的要求。而 且这些大型焊接构件都是用于国民生产的重要领域，一旦焊接环节出现质量问题，将危 及人身安全，并造成重大的经济损失。因此，进一步改善工艺，提高焊接接头质量与性 能具有重大意义。 在球罐、储罐及压力容器等大型厚壁容器的焊接施工中，为了满足焊透及其它焊接 工艺要求，需要进行双面焊接。正面施焊完毕，在反面施焊之前，需要清除原来焊缝根 部的一些缺陷并校正坡口，此时清根是一道不可缺少的工序。清根质量影响着整个焊缝 的质量及生产周期。目前国内外的清根研究主要集中在碳弧气刨，电弧刨割条以及等离 子弧火炬等方面。 1 1 焊缝清根技术研究现状 1 1 1 碳弧气刨 一、碳弧气刨原理 碳弧气刨是利用碳棒与工件之间产生的电弧，将金属局部加热到熔融状态，同时用 压缩空气的气流把熔融金属吹掉，从而实现对金属进行刨削或切割的一种工艺方法嘲。 目前，碳弧气刨的清根方法已广泛应用在造船、机械制造、锅炉、压力容器等金属结构 制造部门。碳弧气刨根据气刨装置可分为手工碳弧气刨、自动碳弧气刨、半自动碳弧气 刨以及碳弧水气刨等。目前常用的是手工碳弧气刨和自动碳弧气刨。碳弧气刨的应用范 围主要有以下几个方面：双面焊时的背面清根，清除缺陷，为长焊缝和环焊缝、单件以 及不规则的焊缝加工坡口，清除铸件毛边以及缺陷。 二、碳弧气刨的特点 碳弧气刨的主要优点： ( 1 ) 热作用小。相比手工电弧焊，碳弧气刨热作用范围小，热影响区宽度较窄口1 。 第1 章前言 ( 2 ) 效率高，可适当减轻劳动强度。 ( 3 ) 操作简便。可进行全位置操作，灵活简便，可达性好。 ( 4 ) 利于保证质量。焊缝缺陷清除时，在电弧下能清楚地观察到缺陷的形状和深 度，故有利于清除缺陷。 碳弧气刨的主要缺陷： ( 1 ) 夹碳。刨削速度和碳棒送进速度不稳，造成短路熄弧，碳棒粘在未熔化的金 属上，易产生夹碳缺陷，形成硬脆的碳化铁。若夹碳残存于坡口，焊后易产生气孔和裂 纹。 ( 2 ) 粘渣。碳弧气刨时吹出的物质易粘在刨槽的两侧而形成粘渣，其主要原因是 压缩空气压力偏小。发生粘渣后，焊接时容易形成气孔。因此须用钢丝刷、砂轮或风铲 等工具将其清除。 ( 3 ) 铜斑。碳棒镀铜质量不好、电流过大都会造成碳棒表面的铜皮成块剥落，熔 化后集中熔敷到刨槽表面某处而形成铜斑。焊接时可能会因该处焊缝金属含铜量过多而 引发热裂纹。 ( 4 ) 刨槽尺寸和形状不规则。在碳弧气刨操作过程中有时会出现刨槽不正，深浅 不匀甚至刨偏的缺陷。 另外，碳弧气刨过程产生大量烟雾和粉尘，严重污染环境，影响工人的身体健康， 尤其是在密闭的容器内操作，情况更为恶劣，采用一般的通风措施都不能解决问题。 三、自动碳弧气刨 自动碳弧气刨有以下优点h 1 ： ( 1 ) 气刨小车和碳棒送进机构可自动控制、无级调速。 ( 2 ) 刨槽的精度高、稳定性好、平滑均匀、刨槽边缘变形小。 ( 3 ) 自动刨削速度比手工碳弧气刨速度高五倍左右。 ( 4 ) 碳棒消耗量比手工碳弧气刨少。 目前我国生产的自动碳弧气刨机还存在一些问题，例如，电弧长度控制不稳定、波 动大；碳棒导向孔大小固定，碳棒粗细不均时容易卡死或产生打弧现象；控制系统灵敏 度不够；压缩空气送风不集中，消耗量大；使用过程中调整困难等。另外，一般的碳棒 废弃量较大，而可连接碳棒却价格高且质量尚难保证。所以自动碳弧气刨机在实际应用 中有时难以满足工艺要求，目前还有很多关键技术需要进一步研究和完善。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 2 电弧刨割 一般焊条的功能是通过电弧加热熔化后，作为填充金属与液态母材相熔合形成焊 缝，最后形成牢固的接头。而刨割条则恰恰相反，它依靠其表面涂敷的特殊涂料，在电 弧高温下可激发出喷射气流，吹掉熔化金属，达到刨割目的。 刨割条药皮具有以下几个特点：套管比普通焊条长，增加了电弧和气流的方向性， 使得能量集中；耐热性好，不易烧损，可通过提高弧温来增强其中的化学反应过程；可 强化造气反应。 目前，上海船舶工艺研究所研制生产的刨割条质量有较大提高，与瑞典e s a b 公司 和德国s c h l o h 公司生产的刨割条相比，有以下特点旧： ( 1 ) 被刨割的金属表面没有渗碳层，这对刨后焊接防止出现裂纹和提高补焊质量 是有利的。 ( 2 ) 补焊后的不锈钢焊接接头具有良好的抗晶间腐蚀能力。 ( 3 ) 减小电流时，该刨割条具有类似于酸性焊条的工艺性能，还可用于短缝立向 下焊，但其主要还是用于清除焊缝缺陷、切割不锈钢及打孔等。 由于不受压缩空气气源和专用弧焊电源问题制约，操作简单，电弧刨割适于高空及 野外安装与检修1 。同时它存在着烟雾粉尘特别大，环境污染严重，电弧刨割条质量要 求高等缺点，制约其在生产中推广应用。 1 1 3 等离子弧清根 由于等离子弧能量密度大、电弧温度高、等离子流速大的特点，被广泛应用于切割 工艺。据资料介绍，英国和俄罗斯较早应用等离子弧在高合金钢上开槽和清除焊接缺陷， 而国内将等离子弧用于清根中才刚刚起步。等离子弧清根同碳弧气刨清根相比有它独特 的优越性，等离子弧清根是利用高温高速的等离子流，将局部金属熔化并吹除，形成坡 口，且无渗碳现象伴随。 刘大为等口1 研究了不锈钢材料清根过程中等离子弧的应用，研究表明切割时用的等 离子弧具有能量集中、弧短、弧硬的特点，如果将这样的等离子弧用于清根，弧柱经过 之处必会出现深而窄的沟槽，很难清出光滑的表面。所以清根用的等离子弧应该软一些， 有足够的柔性。在离子气种类和流量确定的情况下，等离子弧的性能取决于喷嘴孔径、 孔道长度和电极内缩三个因素。可通过等离子弧喷嘴的改造并配合不同形状的电极，实 现等离子弧的适度发散，降低等离子弧的穿透力，增大能量的分布体积，从而将等离子 3 第1 章前言 弧调节为适用于清根的热源。作者将调整后的等离子弧用于大厚度不锈钢全焊透焊缝的 背面清根，清根表面无需打磨，可直接施焊。 虽然等离子弧清根有上述优点，但等离子弧清根同样存在自身缺点。主要问题是产 生噪音、烟雾及比一般电弧更强的紫外线辐射啪。 此外，其它清根工艺，如砂轮磨削清根、电火花清根，火焰清根技术等，在此不再 一一介绍。 1 1 4 清根发展方向 目前，国内焊缝清根主要采用手工碳弧气刨，工作效率低，劳动强度大，工作条件 恶劣。自动碳弧气刨由于设备受控制电路和可连接碳棒质量的影响，其效果也无法满足 生产要求，而电弧刨割和等离子弧清根由于技术尚未成熟，在国内还没有大规模推广使 用。 为提高焊缝清根质量，关键是获得稳定的清根工艺参数，即主要是保持电弧电压的 稳定。显然，人工操作很难保证这一过程，发展高效、智能的自动化清根设备是必然的 趋势。另外，清根时电极材料的熔化渗入，不仅大量消耗材料，还会导致焊缝清根后化 学成分和组织性能的改变。因此，可以考虑开发使用新电极材料，以及研究新型清根工 艺技术。 1 2 温度场与应力场的研究进展 清根作为中厚板钢结构施焊过程中的程序之一，与焊接具有非常密切的联系。目前 对清根的理论研究比较少见，国内可见杨建国等对碳弧气刨温度场和应力场进行了理论 研究睁川。清根同焊接相比，只是在工艺过程上的不同，而本质和理论依据是相同的。 所以在研究清根温度场与应力场时；焊接过程模拟具有非常好的借鉴意义。 焊接模拟仿真最初采用的是解析方法，之后伴随计算机和数值理论的发展，逐步过 渡到采用数值计算的方法。模拟仿真的规模均由一维n - 维，再发展到三维。焊接模型 也逐渐从稳态、准稳态发展到瞬态模型。模拟时采用的数值方法主要是有限差分法和有 限单元法。差分法常用于焊接热传导、熔池流体力学、氢扩散等问题的分析。有限元法 广泛用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等。目 前有限单元法逐渐占据优势地位，其主要原因是有限元法更能灵活地满足复杂焊接现象 的各种边界条件。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 目前基于有限元法进行焊接模拟的软件总体上可分为两大类：一是通用有限元软 件，如a n s y s 、a b a q u s 、a d i n a 、m a r c 等：二是专用有限元软件，国际上较有影 响的有m a g s m 和s y s w e l d 。 1 2 _ 1 焊接温度场的研究 早期用解析法求解焊接问题时，dr o s e n t h a l ，h h 雷卡林等做了很多工作，并形 成系统理论n 卜1 2 1 。雷卡林院士首先建立了焊接传热学理论基础，利用热传导微分方程在 特定条件下所建立的数学模型来描述焊接温度场分布特征。将焊接热源简化为点、线、 面三种形式的理想热源，并且假设材料的热物理性能不随温度变化以及焊件尺寸无限大 等，与实际焊接传热过程差异较大，致使解析解与实际测定有一定的偏差，尤其是在焊 接中比较关心的部位热源附近的高温区温度偏差很大。不过解析法也有它的优点， 它计算简便且可以比较直观地看到各个变化参数对温度的影响。因而，至今仍有一些学 者采用解析求解方法处理焊接问题n 钔。 焊接传热模拟的数值求解计算出现在上世纪7 0 年代，此后焊接模拟取得了突破性的 进展。热源从固定点热源发展到移动热源的形式。温度场的热计算从最初的固体热传导 发展到在熔池内考虑流体的流动，而在热影响区用固态热传导的计算方式n 司。 1 9 7 5 年，z p a l e y 等n 6 1 利用差分法编制了计算机程序，并考虑了材料热物理性能与温 度的关系，将熔化区内的单元作为加热的热源来处理。1 9 7 6 年，g w k r u t z 博士n 7 1 建立 了二维焊接温度场的计算模型，并考虑了相变潜热，研究了焊接时预测接头强度问题。 1 9 9 9 年，m r f r e w i n 等n 8 3 对激光脉冲焊接进行了有限元分析，提出了激光脉冲点焊的三 维模型，计算了瞬态温度场、熔池和焊接热影响区。结果表明：温度分布与焊缝尺寸是 激光束吸收率和能量分布的函数。之后该模型还推广到了低碳钢的点焊研究。2 0 0 1 年， s w w e n 等n 卵利用a b a q u s 软件模拟了厚板埋弧焊的焊接热过程，比较分析了二维和 三维的计算结果，以及不同焊接工艺参数和焊接接头的几何形状对焊接结果的影响，并 与试验进行对照，成功预测了焊接温度场的分布。 我国焊接界有限元模拟研究起步于8 0 年代初，模拟的内容主要是以二维温度场或薄 板准稳态温度场为主，到了9 0 年代，开始进行三维温度场的有限元模拟。与此同时，焊 接有限元模拟的领域也已经拓展到了熔池反应、凝固、固态相变、焊接接头的性能等各 个方面1 。上海交通大学的陈楚等提出了求解非线性热传导的变步长外推法，编制了相 应的程序，并给出薄板准稳态温度场和水下焊接冷却特性的有限元分析实例瞳。山东大 5 第l 章前言 学的武传松教授在焊接熔池形态、电弧物理、熔滴过渡以及高速高效焊接热过程方面做 了大量工作乜刀。清华大学的鹿安理教授在提高焊接计算效率方面提出并行计算，相似理 论等方法】。 在焊接温度场模拟中，热源模型和网格划分决定了计算的准确性和计算效率，下面 分别介绍其发展近况。 ( 1 ) 热源处理 热源模型是对实际热源的数学描述，因此它对温度场计算结果有着重要影响。热源 模型从最初的解析方法，发展到可进行数值求解的平面热源、体积分布热源等。 数值解法可以引入材料性能的非线性，进一步提高高温区的准确性。对于焊条电弧 焊和钨极氩弧焊等可采用高斯平面热源进行模拟，考虑焊接速度的影响可以采用椭圆、 双椭圆热源模型；平面热源没有考虑电弧挺度对熔池的影响，因此对于电弧冲击力比较 大的焊接方法，比如熔化极氩弧焊或激光焊，比较适合用半球状或是双椭球状的体积热 源模型进行分析。尤其是双椭球热源模型，经常用在厚板三维数值分析中，因为它不仅 可以考虑电弧力的作用，还可以弥补熔池内液体流动对热传导的加快作用乜钔；而在高能 束的焊接模拟中，则可采用三维椎体热源、曲面衰减型体积热源等多种针对高能束热流 分布特点而开发的热源模型。 除了以上常用热源模型以外，为适应焊接工艺的发展，提高模拟计算的精度和计算 效率，新型热源模型不断涌现。一些学者采用两种热源结合的方式进行热输入的模拟， 如采用高斯分布的热源函数作为表面热源，焊件熔池部分采用双椭球形热源分布函数作 为内热源。再如s m a i l e s 等晒3 等提出的“s p l i t 热源模型，也是两种热源形式的组合，表 面采用高斯热源模拟电弧传热，电弧正下方金属处采用柱体热源模拟熔滴传热，该模型 考虑了熔滴向坡口间隙填充的传热效果，非常适用于对接焊热量分布的模拟。对于一些 大型实际构件，常因计算规模和计算量大、收敛困难，导致模拟仿真时出现各种问题。 针对这种情况，蔡志鹏等人提出了分段移动热源和串热源模型陋嘲。分段移动热源是将 焊缝分成若干段，沿着焊接顺序依次在每一段内作用高斯带状热源。这样只需给一段划 分一个时间增量步，节省了高斯热源在该段内移动时所需的时间步，从而大大减少了计 算时间。串热源模型作用原理相同，只是将段热源模型中每一段内的热源用一组点热源 代替，形成一串点热源，这种方法在使用上更具灵活性。 ( 2 ) 网格划分 考虑焊缝处的温度梯度变化较大，焊接模拟中一般采用在焊缝及其附近部位加密的 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 网格。为提高效率和精度，则进一步优化网格。薛勇、张建勋等嘲1 在划分网格时采用子 结构的技术将局部地区的单元凝聚为超单元，从而节省计算机时。s 1 1 iq i n g y u 等呻1 开发 了动态可逆的自适应网格划分技术。由于焊接为移动热源，离热源较远的焊缝及其周围 区域并无大的温度梯度，如仍采用较密的网格，必将造成时间与存储空间的浪费。而自 适应网格技术允许根据自适应误差准则自动细化网格，使得指定的加密区域能跟随热源 一起移动。即进入热源区域的网格自动加密，而离开此区域的网格自动变粗，恢复到原 始状态。此法不仅比普通方法节省了1 3 的计算时间，而且温度场和变形与实际情况符合 得更好，虽然应力分布略有不同，但整体趋势一致。需注意的是焊接为热力耦合的过程， 需要计算温度和应力两个物理场，这就涉及如何决定误差判定准则问题。因为计算温度 场时需加密网格之处不一定就是应力应变场也需加密的地方。如何兼顾两者或者分别采 用不同的判定准则，目前还处于研究阶段b 。 1 2 - 2 焊接应力场的研究 上世纪4 0 年代，h o 奥凯尔布朗姆首先用图解的形式分析了一维条件下焊接过程 中的应力应变过程，建立了确定焊接变形和应力的理论方法哑1 。这对了解焊接应力与变 形产生的原理和本质具有重要意义，至今仍是该领域的理论基础。 上世纪7 0 年代初，日本的u e d a 等d 3 1 首先以有限元方法为基础，提出了考虑材料机 械性能与温度相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， 编制了一套可以进行二维焊接应力应变分析的有限元计算程序，从而使复杂的动态焊接 应力分析成为可能，并在后来的研究中创建了“计算焊接力学”新兴学科。 之后，国内外众多学者在焊接残余应力和应变的预测和控制方面开展了大量的研究 工作侧。模拟对象从简单的平板堆焊、对接焊到角焊缝，再到目前的研究热点多道焊； 理论方面在热弹塑性理论进一步发展和完善的同时，发展了粘弹塑性有限元分析方法， 以及考虑相变和各种耦合效应的有限元分析。 l el i n d g r e n 等口7 3 采用壳单元对平板对接焊缝和薄壁管道环焊缝的残余应力进行了 研究。结果表明，由于相变引起的容积变化使得环向压应力区从焊缝中心沿着轴线逐渐 减小。除起焊端外，残余应力近于呈轴对称分布。该结果与试验数据吻合较好，说明壳 单元在分析薄壁材料焊接残余应力时，具有实际意义。德国学者a r g y r i s 首先提出用热 弹粘塑性组成的方程来分析焊接应力。接着，c h i d i a c 等对a s s l 3 0 8 不锈钢材料分析了 由焊接时引起的晶粒生长规律，并用热弹粘塑性方程来预测焊接热循环引起的残余应 7 第1 章前言 力，结果发现纵向应力达到屈服应力值，而横向应力约为纵向应力的一半汹3 。加拿大的 j g o l d a k 等啪1 分析研究了从熔点到室温时的焊接热应力，提出了各个温度段的本构方 程：在温度低于0 5 熔点时速率不依赖性或弹塑性；温度从0 5 到0 8 熔点时速率依赖 性或弹粘塑性：温度超过o 8 熔点时线性粘塑性模型。法国的j b l e b l o n d m l 对相变时钢 的塑性行为进行了理论和数值研究。同时还发展了s y s w e l d 焊接专用软件。ti n o u e 等n 订研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相变和热应力三者之间的耦合效应，并 提出了耦合条件下本构方程的一般形式。对于热弹塑性问题中所涉及到的材料物理性能 均可以根据各相的体积分数取其平均值。上海交通大学与日本大阪大学对三维焊接应力 和变形问题进行了共同研究h 删，提出了改善计算精度和收敛性的若干途径。同时还引 入考虑蠕变的粘弹塑性有限元分析，对局部焊后热处理及其评定准则进行了数值模拟， 取得了显著的成功h 钔，所得结果列入了美国有关标准的参考。 焊接中各种物理参数以及它们之间的相互影响对板材焊接的残余应力分布和变形 影响很大，如材料参数、结构参数及焊接加工参数。材料参数包括材料的机械物理性能、 填充金属类型等；结构参数包括板材的几何形状、宽度、厚度和接头类型等；焊接加工 参数包括加工方法、焊接工艺参数( 电压、电流、焊接速度) 和电弧的热效率等。各种 参数的讨论也是焊接模拟中的重要方面。 ( 1 ) 材料力学性能参数的处理 焊接中，高温下材料的性能参数对数值模拟精度和计算效率均有较大的影响h 油1 。 在熔化、半熔化状态下，材料的力学性能参数非常低或趋于0 ，导致有限元刚度矩阵的 奇异性增加，解的收敛性和稳定性变差，计算时间相应增长，甚至还会出现“锁死 现 象。而且由于高温区的存在，弹塑性模型不能精确描述材料的本构关系。研究表明，对 材料高温性能进行适当调整将接近熔点温度区间的材料屈服极限提高到8 7 1 0 m _ p a ，可明显提高计算效率，而对计算精度的影响很小。对于材料高温参数难获得或未 知的情况下，x k z h u 等h 刀研究表明，可以将屈服强度设为随温度变化的分段线性函数， 而其他参数取为室温常数值，采用这样简化的材料性能进行计算机模拟。另外，如果考 虑材料熔化，恢复原来状态后材料塑性应变的变化就会大为不同。生死单元技术的应用 有助于减少这种应变积累的效应，但在多道焊中材料的重熔问题依然没有解决。 ( 2 ) 结构和工艺参数的研究 t s o l i a n gt e n g 等h 采用弹塑性有限元技术分析了薄板焊接时焊接速度、试件尺寸、 外拘束度、预热等对焊接残余应力的影响。结果表明：随着焊缝长度的增加，其横向残 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 余应力峰值逐渐降低，而在热影响区的压应力变为拉应力，当焊缝长度达到4 0 0n l n l 时， 横向残余应力几乎为零。而外部拘束度可大大增加焊接残余应力；预热温度增加，残余 应力略有下降；焊接速度增加可降低残余应力数值。杨庆祥等h 对堆焊过程模拟时考虑 了马氏体相变、杨氏模量及其他参数对计算结果的影响，与测量值吻合良好。并且采用 不同试样尺寸进行模拟后发现，随着试样尺寸的增大，残余应力值增大，且峰值位置发 生变化。张利国等嘲1 从多道焊、分段焊与多层焊的角度，通过数值模拟方法分析了焊接 顺序对t 形接头焊接残余应力场的影响，从而得到了t 形接头焊接顺序的优化方案。 黎鹏飞等喳u 对厚板焊接残余应力进行了有限元分析。模拟不同分层过程对厚度方向残余 应力分布的影响。研究i 形、v 形、x 形坡口焊接，分析不同坡口形式对焊接残余应力 的影响。结果表明，厚板分层焊接能降低焊接残余应力，坡口的选择对残余应力有明显 影响。李茹娟等陌2 1 采用热一应力直接耦合分析法对低碳钢中厚板埋弧焊焊接温度场与应 力场进行了模拟分析，并比较了单面双层焊、正反双面依次焊和正反双面同时焊三种焊 接工艺过程对接头焊接残余应力的影响。研究认为在生产条件许可时应尽量采用正反双 面同时施焊，可显著降低焊接应力，减少焊接裂纹和焊件变形。 为改善弹塑性等方法模拟焊接应力时冗长的计算时间，在焊接应力应变的研究中， 还发展了固有应变法。固有应变是指经焊接热循环后，残留于焊缝及其附近区域内的引 起应力和变形的应变，可以看作是残余应力和变形的根源。掌握固有应变的规律则可以 只通过一次弹性有限元计算获得残余应力和变形的情况，大大了减少计算时间，并且结 果具有一定的精确性。u e d a 等一1 首先提出了采用固有应变计算预测焊接应力变形的方 法，预测了对接焊接接头、t 型接头和i 型接头的残余应力。m o c h i z u l d 等悔5 1 以固有应 变理论为基础采用有限元法对三维残余应力场进行了测量。焊接过程中材料熔化时应力 应变将恢复到零状态，因此计算固有应变时应该去除材料熔化前的应变积累。基于此 p i n g s h ad o n g 等呻1 通过引入一个新的应变量气，有效地消除了应变积累效应。 然而，因固有应变法需要积累在新材料、新工艺基础上的经验规律，实验切割的工 作量较大，加上测量方法本身的精度问题，其应用受到了一定程度的限制。 焊接变形的预测方面，以热弹塑性有限元法和固有应变法应用最为广泛。此外，还 有线弹性体积收缩法旧1 、相似理论、人工神经网络等焊接变形预测的方法与理论。 1 2 3 焊接模拟的发展动向 焊接数值模拟技术虽然取得了很大的进展，但仍然存在很多问题，制约了其在工程 9 第1 章前言 实际中的应用。主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 温度场模拟时参数的确定。例如，热源分布参数中的有效加热半径及热量分 布形式与焊接方法和工艺参数有关，但目前缺乏系统而准确的资料。又如，电弧热效率 方面的资料也比较分散，且出入较大，需慎重选取。 ( 2 ) 一些复杂大型焊接结构三维模型中自由度数目庞大。其计算时间过长，经济 性难以保证。尤其是进行三维应力分析时，运算量大、计算时间长成为工程实际应用的 主要障碍。 ( 3 ) 材料的热物理性能数据不足，尤其是高温数据，给数值模拟造成困难。而且 材料性能的严重非线性导致求解过程收敛困难，影响求解精度和效率。 ( 4 ) 焊接模拟计算复杂造成较大的累积误差，难以保证精度。 ( 5 ) 相应的实验检测技术也有待提高。 可见，建立科学而精确的物理模型还需大量基础性研究工作，在理论完善、计算机 发展、数值算法、实验检测等方面仍需继续努力。随着数值模拟工作的不断深入和展开， 其发展趋势如下，5 蝴1 ： ( 1 ) 研究多个焊接区的相互影响，充分考虑构件中临近或交叉的多条焊缝( 或多 个焊点) 间的相互作用。 ( 2 ) 研究完整的焊接过程，焊前预热、焊后热处理、采用焊接夹具时夹具的夹紧 和松开等过程都是焊接的有机组成部分。不同的过程工艺对焊接效果影响很大，应该引 起重视。 ( 3 ) 由建立在温度场、电场、应力应变场基础上的旨在预测宏观尺度变化的模拟 进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度及微观尺度的模拟阶段。 ( 4 ) 由单一温度场、电场、流场、应力应变场、组织模拟到耦合模拟集成阶段。 ( 5 ) 为大幅度缩短计算时间，改进数值模拟处理技术，包括开发适合焊接的专用 单元、采用动态可逆的自适应网格技术、并行计算和分布式并行处理、实现动态区域分 解算法、应用相似理论等。 ( 6 ) 由共性通用问题向难度更大的专用性问题转变，由孤立研究转向与生产系统 及其它技术环节实现集成的转变。 1 3 课题研究的意义 工件中的温度场分布反映了复杂的清根热过程，决定了金属熔化、热影响区组织转 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 变、工件应力与变形等状况。因此，清根温度场的准确计算与测量是应力与变形计算以 及清根质量控制的前提。 工件不均匀加热、冷却后产生残余应力与变形。残余应力的峰值往往达到或超过基 体材料的屈服极限。如何调整和控制残余应力一直是工程界广泛关注的问题。中厚板清 根后产生的残余应力，与焊接应力，以及构件投入使用后的工作应力相叠加，将导致整 个构件的残余应力与变形的重新分布，从而降低构件的刚性和尺寸稳定性。而且构件在 残余应力和工作温度、工作介质共同作用下，还将严重影响结构的疲劳强度、抗脆断能 力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力呻1 。可见残余应力不仅影响焊接结构的制 造过程，而且还影响其使用性能。而变形在制造过程中危及形状与公差尺寸、接头安 装偏差和增加坡口间隙，使制造过程更加困难。 传统的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 实验角度研究热应力、残余应力和变形问题难度很大，不能全面预测和分析热加工工艺 对整个结构的力学特性影响，客观评价工艺质量。而且只对