低合金钢焊接接头仿真分析毕业论文(上)

1、毕 业 论 文 学生姓名： XXX 学 号： XXXXXXXXX 学 院： 材料科学与工程学院 专 业： 材料成型及控制工程 题 目： 低合金钢焊接接头的仿真分析 指导教师： XXX 评阅教师： 2014 年 6 月河北科技大学毕业论文成绩评定表姓 名XXX学 号XXXXXXXXX成 绩专 业材料成型及控制工程题 目低合金钢焊接接头的仿真分析指导教师评语及成绩 指导教师： 年 月 日评阅教师评语及成绩 评阅教师： 年 月 日答辩小组评语及成绩答辩小组组长： 年 月 日答辩委员会意见 学院答辩委员会主任： 年 月 日毕 业 论 文 中 文 摘 要本课题基于有限元分析软件SYSWELD，结合低合金

2、钢的二氧化碳气体保护焊焊接方法和工艺，对Q345D平板对接焊接接头进行三维数值模拟，得出了不同焊接速度下试件的瞬态温度场分布云图。由温度场云图可以看出整个焊接过程中，随着焊接时间的延长，试件上的最高温度越来越高,最后达到稳定状态。此外从结果中还能得到沿焊缝节点的热循环曲线和垂直焊缝方向的热循环曲线。沿焊缝方向的节点，它们的温度热循环曲线特征相似，说明它们都进入了准稳态温度场。除此之外，这些曲线的加热速率要大于冷却速率。 从结果中还可以得到焊缝温度与组织的演变关系，随着温度的变化，其组织也发生变化，而且这些组织的变化成比例关系。本文中焊缝最终获得的组织为贝氏体、马氏体和极少量残余奥氏体,其中贝氏

3、体占绝大部分。在将不同焊接速度下焊缝最后获得的组织进行对比后发现，随着焊接速度的增加，贝氏体含量减少，马氏体和奥氏体的含量有所增加。关键词：SYSWELD； Q345D低合金钢； 温度场；热循环曲线；组织成分毕 业 论 文 外 文 摘 要Title Simulation of low alloy steel welding jointAbstractThis topic is based on the finite element analysis software SYSWELD, combined with carbon dioxide welding method and craft o

4、f low alloy steel welding, three-dimensional numerical simulation was carried out on the plate butt joint of Q345D, the transient temperature field distribution nephogram of the test specimen under different welding speed is obtained. from the temperature field distribution nephogram we can see duri

5、ng the whole welding process, as the extension of welding time, the top temperature is more and more high, finally reach a steady state.From the result also can get thermal cycle curves of nodes along the weld and thermal cycle curves vertical direction of the weld .The nodes of along the weld, thei

6、r temperature thermal cycle curves characteristics are similar, they all entered the quasi steady state temperature field.In addition, the curves heating rate is greater than the cooling rate. From the results we also can get the evolution relationship of temperature and organization, if change the

7、temperature, the group is also changing, and the change of organization is present to the proportional relation.In this article, the weld finally get organization is bainite, martensite and a small amount of residual austenite,the bainite is most. Comparison the last weld phase under different weldi

8、ng speed, we can found with the increase of welding speed, bainite content decreased, the content of martensite and austenite increases.Keywords SYSWELD;Q345D low-alloys teels.Temperature field;Thermal cycle curve;Group composition第 I页 共 I 页 本科毕业论文 目 录1 绪论11.1 选题背景11.2 焊接模拟技术国内外现状及发展11.3 焊接温度场的研究历史与

9、发展21.4 焊接接头组织的模拟方法和研究现状31.5 课题研究的意义41.6 本文的主要研究内容41.7 本文所使用软件SYSWELD软件介绍51.8 建立模型使用软件ViualMesh简介51.9 本章小结62 低合金钢Q345D焊接接头的模拟过程72.1 平板对接几何模型的建立和网格的划分72.2 热源校核92.3 低合金钢焊接接头模拟前处理设置132.4 计算前的检查142.5 后处理143 低合金钢Q345D焊接接头模拟结果153.1 低合金钢Q345D的焊接性分析153.2 低合金高强钢Q345D的焊接工艺要点153.3 材料物理性能参数和焊接工艺规范163.4 焊接温度场和焊缝组

10、织模拟结果分析163.5 本章小结28结论29致谢30参考文献311 绪论1.1 选题背景焊接是指通过加热或者加压，或者二者并用，并且采用或不采用填充材料，使工件的材质达到原子间结合而形成永久性连接的一种工艺方法。但是焊接时一个涉及到多学科的复杂的物理-化学现象。传统的焊接过程依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，但事实证明单凭积累工艺试验数据来深入了解和控制焊接过程则既不切实际又成本昂贵并且费时费力，尤其是在大型重要焊接结构制造过程中，客观条件不允许我们做很多次试验，这时数值模拟就发挥了它独特的优势。随着计算机技术的发展，通过计算机软

11、件来模拟焊接过程从而了解和控制它已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具1。焊接过程中的相变过程直接影响焊缝的组织和成分分布，而焊接接头组织的变化将会导致接头强度和韧性的变化，从而使焊接接头成为整个焊接结构中最薄弱的部位。这将直接影响到焊接构件的承载能力和使用寿命。而焊接过程中温度的剧烈变化是影响焊接接头组织和机械性能的主要原因，因此，对温度场进行模拟研究对获得高质量的焊件有着重要意义。通过模拟焊接接头的组织，可以预测在不同焊接方法和工艺参数下接头的组织形态和力学性能，从而实现寻求最佳焊接工艺来改善焊件性能的目的。因此，焊接过程组织模拟对优化焊接工艺具有重要意义2。1.2 焊接模拟技术国内外

12、现状及发展1.2.1 焊接模拟技术理论来源焊接数值模拟， 是以试验为基础， 采用一组控制方程来描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面， 采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识( 如焊接温度场、焊接热循环、焊接HAZ 的硬度、焊接区的强度、断裂韧性等) 。焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控制方程(本构关系）。常用的焊接数值模拟方法有：解析法，即数值积分法、差分法、有限元法和蒙特卡洛法3。焊接数值模拟的现实意义在于， 通过对焊接现象和过程的数值模拟，可以通过做很少的试验来优化结构设计和工艺设计， 提高焊接接头的质量。有限元法起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分

13、析，现在它已被用来求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接领域，有限元法已经广泛的用于焊接热传导、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4。经过多年的发展，有限元数值模拟技术已经成为焊接数值仿真的主流方法，因为焊接最为关心的是变形和残余应力的控制，而有限元方法在这方面有着明显的优势5。因此本次课题研究采用有限元分析方法来进行焊接接头的仿真模拟。1.2.2 焊接模拟技术在国内外发展研究现状1962 年， 丹麦人首次使用计算机有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算，从70年代开始， 有限差分法逐渐从铸造向锻压、热处理、焊接等方向扩展。到70年代，有限元分析法开始得到应用，日本的上田幸雄

14、等首先以有限元为基础，提出了材料力学性能与强度有关的热弹塑性分析理论。随着计算机技术的发展，焊接有限元计算也有了很大的进展。而我国焊接界有限元模拟研究开始于80年代初，模拟的内容主要是二维温度场或薄板准稳态温度场，进入90年代，三维温度场的模拟开始起步。而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6。相关软件方面，国外目前专门做有限元分析软件的公司有几十家，现在已经商业化的大型通用有限元工具软件有NASTRAN、MARC、ABAQUS、ANSYS等，还有专门用于分析焊接现象的软件，如SYSWELD（法）、HEARTS（日）以及QUICK WELDER（

15、日）等。相比于国外，国产有限元软件仅有FEPG，JFEX，KMAS等功能较单一的软件，无法处理大型有限元分析问题7。目前焊接数值模拟软件正在朝着集成化、专业化、工程化等方向发展。1.3 焊接温度场的研究历史与发展20世纪30年代早期，H.雷卡林，D.Rosenthal H等采用解析法研究焊接热过程，建立了焊接传热学的理论基础8。但是解析法的假设太多，不能提供焊接热影响区的精确计算结果。因此在20世纪60、70年代，相继引入了有限差分法（FDM）和有限元法（FEM），解决了复杂焊接现象的计算问题。加拿大的Z.Paley考虑了材料热物理性能与温度的关系，并将熔化区内的单元作为加热的热源来处理，采用

16、差分法编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层U、V型坡口的焊接传热计算机程序9。但是差分法仅仅只能用于划分规则的网格（正方形、矩形、正三角形等），对于复杂的结构就不再适用。由于温度场的计算往往服务于热应力场的计算，采用有限元法便于把两者统一起来；因而，有限元法在焊接数值模拟中的应用越来越广泛10。1966年Wilson和Nickel首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。在国际上1976年美国G.W.Krutzy在其博士论文中，用有限元法建立了二维焊接温度场的计算模型，并考虑了相变潜热问题。有代表性的是加拿大学者J.Goldak提出的双椭球热源模式。在国内，1981年西安交通大学唐慕尧

17、等首先用有限元法计算了薄板准稳态焊接温度场。之后，上海交通大学提出了求解非线性热传导方程的变步长外推法，建立了焊接温度场的有限元计算模型和相应的计算机程序，并对脉冲TIG焊接温度场、局部干法水下焊接温度场等问题进行了成功的实例分析11。对于三维问题，国内外也是近十年来才开始研究。汪建华等人和日本大阪大学合作探究了三维焊接温度场的特点和提高精度的若干途径12。2001年清华大学赵海燕等13利用分段移动的带状高斯热源模型和单元死活技术对多层焊及焊缝金属熔敷进行了数值模拟，并且利用并行计算技术大大提高了计算效率，在实际应用中等到了满意的结果。1.4 焊接接头组织的模拟方法和研究现状整个焊接过程中，温

18、度快速升高和快速降低，这样急剧的变化使焊接接头的组织也跟着发生急剧的变化，这样就使接头的强度和韧性发生变化。由于焊接过程的复杂性，不能直接建立物理模型和数学模型。为了能够动态地再现焊接接头的组织变化过程，人们希望能够对焊接温度场及其组织进行模拟，随着人们对焊接过程的了解和计算机模拟技术的发展，组织模拟取得了很大的发展，通过温度场和组织模拟，可以预测焊接接头的微观形貌、各相的比例。焊接接头的组织模拟主要涉及热影响区的晶粒生长、相变和扩散，及熔池内液态金属凝固过程中的形核与生长，溶质再分配等14。Oldfield于1966年根据金属的传热及形核生长理论建立了晶粒生长模型14。焊接领域里，组织模拟起

19、步相对较晚，但近10年的发展非常迅速。Haidemenopoulos通过将热力学和动力学模型耦合，模拟激光焊中HAZ扩散相变过程，计算焊接热过程中强化相的体积分数及平均晶粒尺寸14。Huziker等人则根据部分解析法所预测出的热循环曲线来计算焊缝中心线处晶粒生长情况15。基于概率模型的Monte Carlo(MC)方法及Cellular Automaton(CA)方法在模拟晶粒生长时，能量上的计算方法均是以晶粒生长物理原理为基础，按照概率的方法通过自由能增量进行计算。而目前应用于组织模拟的另一种方法-相场法，则在能量守恒的基础上通过计算组织转变过程中界面形态的变化实现组织模拟14。目前这几类方

20、法都已得到了广泛的应用。但是目前在这方面的研究仍然存在一些问题，改进的方向主要有：（1）寻求优化的三维组织模拟模型，提高计算速度和计算精度；（2）实现晶粒长大过程的动态再现功能。（3）实现一模多用，即一个模型通过改变相关参数进而能够用于其他模型的计算。1.5 课题研究的意义两焊件相对平行的接头称为对接接头，这种接头从力学角度看是较理想的接头型式，受力状况较好，应力集中较小，能承受较大的静载荷或动载荷，是焊接结构中采用最多的一种接头型式，基本上在所有的焊接领域都有应用。与T型焊接接头相比，其温度场、应力场要简单的多，拥有对称性。目前对对接焊接接头的数值模拟比较多，相关的研究资料也比较丰富，对于我

21、们这些刚刚学会使用SYSWELD软件的初学者来说，有着一定得指导意义。本论文研究目的在于通过采用SYSWELD软件来模拟不同焊接参数下形成的低合金钢焊接接头的组织特点和其焊缝组织转变规律，从而通过控制热输入，达到控制低合金钢组织得到优质焊接接头。这样在实际低合金钢的焊接工程中就可做到通过控制这些焊接参数，获得合理的焊接热循环以保证获得优质接头和焊接结构件安全，同时避免以往仅凭经验控制焊接参数最后再检验焊接性能的盲目性了。因此对低合金钢焊接接头的仿真模拟是具有其现实价值的。1.6 本文的主要研究内容 本文采用数值模拟软件SYSWELD对Q345D平板对接焊接接头进行仿真模拟。内容主要有以下几点：

22、 （1）对SYSWELD软件的操作过程进行了说明，为了改善和提高模拟的精确性，采用了适宜于CO2焊的双椭球体热源模型，使用SYSWELD自身具有的热源校核工具，输入选定的的焊接工艺参数和S355J2G3的部分热物理性能参数对热源进行了校核。 （2）对对接接头焊件进行三维有限元建模。由于本课题主要是研究温度场。因此只进行温度场的数值模拟计算。 （3）对温度场模拟结果进行分析，得出温度场的动态变化云图、沿焊缝方向和垂直焊缝方向的点的热循环曲线和焊缝组织在不同焊接速度下的变化特点。1.7 本文所使用软件SYSWELD软件介绍SYSWELD的开发最初源于核工业领域的焊接工艺模拟，当时核工业需要揭示焊接

23、工艺中的复杂物理现象，以便提前预测裂纹等重大危险。在这种背景下，1980年，法国法码通公司和ESI公司共同开展了SYSWELD的开发工作。由于热处理工艺中同样存在和焊接工艺相类似的多相物理现象， 所以SYSWELD很快也被应用到热处理领域中并不断增强和完善。随着应用的发展，SYSWELD逐渐扩大了其应用范围，并迅速被汽车工业、航空航天、国防和重型工业所采用。1.7.1 SYSWELD软件特点SYSWELD软件融合了材料的CCT曲线，从而利用该软件可以分析焊接过程中接头的组织 。它还考虑了晶相转变、晶相转变潜热以及晶相组织对温度的影响。计算的时候需要先计算温度场，在此基础上才能进行应力场的计算。

24、因为温度场对应力场的结果有影响。为方便专业使用，SYSWELD提供了三种简便适用的工艺操作向导:焊接向导、热处理向导和焊接装配向导。热处理向导可以模拟淬火、回火、渗碳、渗氮及碳氮共渗等热处理过程，同时可计算热处理件的硬度及其分布状态；焊接向导能模拟一些常见的焊接方法的焊接过程；焊接装配向导能模拟分析复杂组合结构件的残余应力应变。经过长期的合作开发和工业验证，SYSWELD的材料数据库包含了各种常用钢材、有色金属、淬火介质和典型工艺参数等数据。通过应用visual mesh几何网格工具，SYSWELD可以直接读取UG，CATIA的数据以及接受各种标准交换文件（ACIS，STL， VDA， IGE

25、S，STEP等等）。它能够与大部分CAE数据接口，兼容大部分CAE系统的数据模型。1.7.2 SYSWELD软件的分析步骤SYSWELD软件进行焊接温度场模拟时，基本的步骤有5个：模型的建立和离散化、热源校核（前处理）、焊接向导与检查、求解计算、计算结果后处理与结果分析。其中最为关键的步骤是模型的建立和离散化与前处理，这两个步骤处理的结果直接决定了计算时间、计算精度和计算结果。流程图见图1.1。1.8 建立模型使用软件ViualMesh简介Visual-Mesh是Visual-Weld进行焊接仿真分析的重要工具，兼容了UG、PRO-E等三维制图CAD软件。它利用自动划分网格，sweep面拉伸和

26、体拉伸等，能够支持CAD输出，生成2D和3D网格，还可以编辑图像。通过MAP、3D、thransform、镜像等高级的命令对略微复杂的工件能够进行网格划分。另外，在用户指导以及自动处理下，Visual-Mesh基于网格拓扑提供了batch-meshing 实用程序16。模型的建立与离散化热源校核（前处理）焊接向导与检查求解计算计算结果后处理与结果分析 图1.1 SYSWELD模拟流程图1.9 本章小结本章主要阐述了课题研究的背景和意义、焊接瞬态温度场的数值模拟的国内外研究进展、焊缝组织的模拟方法和研究现状，并且提出了研究的主要内容。并且简要的介绍了一下SYSWELD软件的发展历程，例举了一下它

27、可以实现哪些功能，又简单介绍了一下它的分析步骤。同时简单介绍了一下Visual-Mesh在模型建立和网格划分方面的独特之处。2 低合金钢Q345D焊接接头的模拟过程2.1 平板对接几何模型的建立和网格的划分几何模型的建立是进行数值模拟的第一步，它的形状与焊件的形状、尺寸大小、载荷施加方式以及热源在焊件内部的热传导方式有关。本文使用Visual Environment6.5中的Visual Weld6.5建立模型，在进入界面后，选择Application菜单下的Mesh，这样就可以开始建立网格了。先画出一个面的八个节点，然后由点再构成面，生成二维网格，再利用拉伸功能生成三维模型。具体操作如下：

28、2.1.1 建立边界点根据所选的板长度和厚度，计算出焊缝的横截面所在平面的八个点的坐标。从而在界面上生成八个边界点。对接接头试件的两块板的尺寸都为：250X50X4mm，图2.1为试件几何模型图。图2.1 试件几何模型图2.1.2 1D实体的生成及二维网格的划分 将生成的八个边界点依次连接起来，生成三个矩形。使用2D菜单下的Automesh Surfaces生成二维网格。网格划分的多少将直接影响模拟的结果。由于焊接时热量主要集中于焊缝，因此在焊缝及其附近网格要很细密，而在距焊缝的较远的地方可以比较稀疏，形成一种渐变，这样既能够得到较准确地结果，又可以节省计算时间。根据多次模拟计算后得到的结果修

29、改得到的网格如图2.2。沿板宽度方向的网格最小尺寸为0.5，最大尺寸为3，厚度方向最小尺寸为0.5，最大为1。2.1.3 生成3D实体图在二维网格划分完成后，使用3D菜单里的Sweep命令生成三维网格，同时选取合适的数值对沿焊缝方向进行单元划分，生成三维立体网格模型。焊接模型及网格划分如图2.3所示，共有69613个节点，1D单元300个，2D单元21588个，3D单元59400个。图2.2 二维网格划分图2.3 焊接模型及网格划分2.1.4 检查生成的网格使用 Checks菜单里面的Coincident Nodes 命令对划分好的网格进行节点和元素检查，从而保证网格的完整性和去除重复元素以减

30、少计算量，从而减少计算时间。2.1.5 生成散热面散热面是工件与外界接触的表面，散热面的大小、形状和外部介质的性质都将影响工件的冷却速度，从而影响焊接过程的热循环和焊接接头的性能。使用2D菜单里的Extract from 3D Mesh命令生成二维散热面并保存。2.1.6 焊接线、焊接参考线、开始单元、起始点和终止点的选取以及各部分的重命名 根据实际焊接情况在实体表面选取焊接线（WL）、焊接参考线（RL）并对其进行单元划分，具体单元数与模型拉伸方向单元数相同。并在其上面选取开始单元（SE）、开始点（SN），结束点（EN）。最终选好的结果如上图2.3所示。2.1.7 文件的保存最后将建好的模型及

31、附属操作，整体保存，保存成*.vdb和*.DATA*.ASC两种格式的文件，以便在以后过程中的使用或者使用过程中出现错误后查询与修改。2.2 热源校核SYSWELD软件内置了三种常用的热源模型：平面高斯热源模型、双椭球热源模型和3D高斯圆锥形热源模型。这三种热源模型基本上满足了薄板、中厚板、厚板焊接所需的热源模型，为常见的焊接过程提供了基础的传热模式。由于面热源不考虑试件厚度方向的热流分布，因此和实际的焊接过程差别较大，所以体积分布热源更加符合实际焊接过程。于是双椭球体热源应运而生，沿轴分成前、后两部分能更好地模拟出焊接过程中移动热源的前端和后端不同的温度梯度分布。温度梯度分布大体分布为前端较

32、陡，后端较缓；双椭球形热源模型结合了焊接电流的搅拌与挖掘作用，能够反映出电流沿深度方向对焊件进行加热的特点；虽然这种模型热流密度函数复杂，参数繁多，却有助于使用者得到更为准确的计算结果17。本文采用全自动二氧化碳气体保护焊对Q345D钢板进行焊接，熔池以同样的速度随热源移动，观察熔池可以看到焊缝金属的熔化和凝固是同时进行的，前半部分熔池进行熔化过程，后半部分熔池进行凝固过程。因此，数值模拟的热源模型选择双椭球体热源模型，示意图如图2.4所示。作用于工件上的体积热源分成前、后两部分。设双半椭球体的半轴为（bf ，br ，a，c），设前、后半椭球体内热输入的比例分别是ff、fr。利用双椭球式，可以

33、写出前、后半椭球体内的热流分布：式中：q(x,y,z)为瞬时输送给焊件的前半部分、后半部分热能总量；ff、fr分别为总的输入功率在熔池前、后两部分的分配系数；bf、br、a、c均为双椭球体的热源形状参数。Q为电弧有效热功率，Q=UI，为焊接热效率，CO2气体保护焊取值0.816。图2.4 双椭球体热源模型 在热源校核时，针对具体的焊接工艺，将初试算所得温度场结果与实际结果进行比较，对比判断出调整哪个形状参数值，考虑该参数值是应该减少还是增大，还是应该同比缩小或增大所有形状参数值，需要多做几组校核数据，从中选出最为合适的形状参数值。热源校核具体步骤如下：2.2.1 建立热源校核试件模型SYSWE

34、LD软件热源校核工具中自带有多种模型的模板。选取模板，输入想要校核的模型的参数，如：模型几何尺寸、最小网格和最大网格尺寸、网格细密区域大小、热源位置等就可以自动生成所要的模型。本文为对接接头模拟。为了保证校核的精确度，最好是输入的参数与在VE中建立的模型尺寸相一致。而热源的位置应尽可能在靠近工件末端15-20mm左右，用来保证模拟结果更接近实际情况。2.2.2 加载材料库 SYSWELD有自带的材料库，可以在里面选取，如果没有的话，则需要根据材料的化学成分和物理参数进行创建。本文采用的材料为Q345D，与材料库中的S355J2G3的化学成分和力学性能相近，可以直接调用，以减少创建材料库的麻烦。

35、2.2.3 定义工艺过程参数本文采用二氧化碳气体保护焊。由本章2.2的介绍可知，双椭球型热源最符合实际，所以选择双椭球热源(Double ellipsoid)模型。 在Process界面af，ar，b，c为椭球形状参数，af表示椭球前半轴长度，ar表示后半轴的长度，b影响熔池宽度，c影响熔池深度16。因此，工艺焊接参数的确定主要包括Qf、Qr、af、ar、b、c、ay 、x0、y0、z0和热输入,其中Qf 、Qr分别代表总的输入功率在熔池前、后两部分的分配系数。查资料参考完成所有相关工艺参数的定义。本文由于需要模拟不同的焊接速度下的焊接接头，因此需要进行三次热源校核。校核后的热源参数如下表2.1所示。表2.1 校核后的热源参数焊接速度=4mm/s焊接速度=6mm/s焊接速度=8mm/sQf13.691817.447120.5484Qr11.409814.539217.1236af234ar457b75.53.5c543有效功率/W2640264026402.2.4 求解由软件自带的材料库文件可知，S355J2G3的热物理性能参数如下表2.2。因此