碳鋼和不銹鋼對(duì)接焊縫溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力分布畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-07-17 03:16 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用。 在有限元模擬中，隨溫度變化的熱物理（例如：熱傳導(dǎo)率、比熱和密度）和機(jī)械性能（例如：楊氏模量、熱膨脹系數(shù)、泊松比和屈服應(yīng)力）的基體材料和焊接材料被引入。圖4（a）表示SM400鋼[20]在高溫下的物理性能。SUS304鋼，熱材料性能列于Deng和Murakawa[26]中，詳細(xì)見(jiàn)圖4（b）。應(yīng)當(dāng)被指出的是，圖4（a）和（b）中的單元被組織起來(lái)，以便于它們?cè)趫D形上被標(biāo)示得更清楚。對(duì)于焊縫金屬，與溫度相關(guān)的物理性質(zhì)被假定為與那些相應(yīng)的基體材料分別相同?；w材料與溫度相關(guān)的熱機(jī)械性能分別表示于圖5和圖6中[20,26]。，以模擬在高溫下低強(qiáng)度基體材料的熔融溫度[32]。對(duì)于焊縫金屬，如圖所示，只有屈服強(qiáng)度與相應(yīng)的基體材料不同，其它屬性與相應(yīng)的基體材料幾乎完全相同。物理和機(jī)械性能被分配到異種鋼對(duì)接接頭（基體材料和焊縫金屬）的相應(yīng)位置。圖3：分析模型：(a)分析模型和對(duì)接接頭的尺寸 （b）三維有限元模型焊接條件和工藝參數(shù)基體金屬焊接工藝電流（A）電壓（V）速度（mm/s）SM400SUS304和異種鋼焊接FCADTA2502303022加工硬化現(xiàn)象是焊接過(guò)程中的熱循環(huán)加載引起的，通常發(fā)生在焊接接頭及其周?chē)膮^(qū)域，當(dāng)利用數(shù)值計(jì)算能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力時(shí)應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮。碳鋼和相應(yīng)金屬的線性應(yīng)變強(qiáng)化率假定為20~700℃溫度范圍內(nèi)為500MPa，1000℃以上溫度范圍內(nèi)為20MPa[6]。在700℃和1000℃，硬化率之間的線性過(guò)渡是假定的。對(duì)于不銹鋼及其焊縫金屬來(lái)說(shuō)，隨溫度變化的應(yīng)變強(qiáng)化規(guī)則也適用。在高溫下基體金屬和焊縫金屬的應(yīng)變硬化率的測(cè)量和在文獻(xiàn)[27]中分別給出。圖7顯示的是碳和不銹鋼與溫度有關(guān)的應(yīng)變強(qiáng)化率。：（a）SM400（b）SUS304圖5：SM400鋼及相應(yīng)的焊接金屬與溫度相關(guān)的熱機(jī)械性能圖6：SUS304鋼及相應(yīng)的焊接金屬隨溫度變化的熱力性能圖7：材料依賴(lài)于溫度的應(yīng)變硬化率圖8：焊接過(guò)程中的溫度分布圖9:焊接過(guò)程中最厚的幾個(gè)位置上的熱循環(huán)：（a）SM400（b）SUS3043. 結(jié)果與討論 圖8所示的是當(dāng)焊炬到達(dá)焊縫末尾時(shí)對(duì)碳鋼和不銹鋼之間的異種鋼對(duì)接焊縫在時(shí)間間隔內(nèi)使用熱分析得到的溫度場(chǎng)。因?yàn)楹附硬牧蠠嵝阅艿牟町?，所以顯示出的熱流圖是非對(duì)稱(chēng)的。圖9的（a）和（b）是異種鋼焊接熱循環(huán)過(guò)程的比較。溫度場(chǎng)沿著焊縫中心線上不同位置的最厚處，這就是結(jié)束焊接時(shí)焊縫的產(chǎn)長(zhǎng)度。；；；。從這個(gè)圖中可以觀察到隨著到焊縫中心線的距離的增加，碳素鋼的溫度變得比不銹鋼的溫度低。這歸因于一個(gè)事實(shí)，即碳素鋼冷卻速率高于不銹鋼，這是因?yàn)樘妓劁撚休^高的熱導(dǎo)率和熱傳遞率。 所有的應(yīng)力和應(yīng)變分量都可以從應(yīng)力分析得到。在這里我們將只討論相關(guān)數(shù)據(jù)。在該討論中，三個(gè)詞語(yǔ)“縱向”、“橫向”和“厚度方向”是用來(lái)表示三個(gè)相互垂直的方向上的殘余應(yīng)力分量?！翱v向”通常是用于焊接方向，“橫向”是用于垂直方向上的長(zhǎng)度（即沿板寬方向），最后的詞語(yǔ)“厚度方向（正常）”是用于垂直方向上的縱向和橫向（即沿板厚方向）。圖10（a） （c）所示的整個(gè)異種鋼對(duì)接焊縫中，在焊接件的橫截面上，垂直于焊接線，通過(guò)焊接長(zhǎng)度的一半，分別為縱向，橫向和厚度方向（正常）的型材殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)。應(yīng)力分布在焊接件的最厚處并寫(xiě)出到焊縫中心線距離的函數(shù)。殘余應(yīng)力在類(lèi)似的鋼焊縫中的分布的比較在圖11中。圖11的（a）和（b）分別顯示的是碳素鋼和不銹鋼對(duì)接焊縫中殘余應(yīng)力在橫向、縱向和厚度方向上的分布。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在不銹鋼異種鋼側(cè)的焊縫中，應(yīng)力在類(lèi)似的鋼對(duì)接焊縫中的分布是相似的，即達(dá)到施加在焊縫上的最大縱向拉伸殘余應(yīng)力與橫向壓縮殘余應(yīng)力在遠(yuǎn)離焊縫中心線的區(qū)域平衡的目的。此外，在的焊縫金屬和母材金屬的交界處發(fā)生縱向殘余應(yīng)力顯著降低的現(xiàn)象，最有可能的原因是屈服強(qiáng)度方面的差異。與此相反，橫向殘余應(yīng)力幾乎全部為拉伸應(yīng)力并且拉平為零。厚度方向上的殘余應(yīng)力在有起伏的型材之間存在拉伸和壓縮的差異。然而，在碳素鋼一側(cè)的異種鋼焊接，其應(yīng)力分布與與其相似的鋼焊縫中的應(yīng)力分布大不相同。這是顯而易見(jiàn)的，在界面處引發(fā)由界面顯示出來(lái)的的急劇的應(yīng)力變化，是由于不銹鋼填料和碳素鋼基體材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配?？v向應(yīng)力成分的變化更明顯。與與其相類(lèi)似的鋼對(duì)接焊縫比，較高的應(yīng)力產(chǎn)生在與基體金屬相鄰的焊縫中，而低得多的應(yīng)力在靠近焊縫的母材中產(chǎn)生。這些趨勢(shì)，在橫向和正常的應(yīng)力分量中也能觀察到。值得注意的是，在焊縫及其附近的縱向拉伸殘余應(yīng)力超過(guò)在室溫下相應(yīng)的鋼材的屈服應(yīng)力的，在研究中還發(fā)現(xiàn)如[33]所示的現(xiàn)象。應(yīng)變硬化率可以被認(rèn)為是解釋較高殘余應(yīng)力的的主要因素。請(qǐng)注意，不銹鋼一側(cè)靠近基體金屬的焊接區(qū)的縱向殘余應(yīng)力高于碳素鋼。同樣清楚的是，不銹鋼一側(cè)受到拉伸應(yīng)力的范圍也比較寬。異種鋼結(jié)果之間的差異，尤其是由于熱導(dǎo)率和熱傳遞率，熱膨脹系數(shù)，和加工硬化性能差異而產(chǎn)生的縱向殘余應(yīng)力的差異。不銹鋼較大的熱膨脹系數(shù)與較高的應(yīng)變硬化率的一起產(chǎn)生的較高的拉伸縱向應(yīng)力與轉(zhuǎn)變率較高的壓縮應(yīng)力相平衡。此外，不銹鋼較低的熱傳導(dǎo)率和熱傳遞率結(jié)合較大的熱膨脹系數(shù)對(duì)較大的抗拉應(yīng)力的分布區(qū)域有利。分別除去碳鋼和不銹鋼焊接填料之間的界面處顯著的應(yīng)力變化，在異種鋼一側(cè)的橫向和厚度方向的殘余應(yīng)力分布是相似的。通過(guò)現(xiàn)有的分析，在厚度方向上得出了類(lèi)似的結(jié)果，這里就不做說(shuō)明了。4. 結(jié)論 在本研究中，我們對(duì)異種鋼焊接過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，以確定溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力的分布，特別是一般對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性最有害的應(yīng)力分量縱向殘余應(yīng)力，而碳鋼和不銹鋼之間的異種鋼對(duì)接接頭在本質(zhì)上有不同的熱和機(jī)械性能，我們利用將實(shí)驗(yàn)測(cè)量與采用有效性被驗(yàn)證的依次耦合三維熱機(jī)械有限元分析方法相比較來(lái)驗(yàn)證。為了進(jìn)行比較，我們還探討了同類(lèi)鋼的對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)研究結(jié)果，可以得出以下意見(jiàn)和結(jié)論：(a)在異種鋼對(duì)接焊接過(guò)程的熱流量與溫度分布由于在焊接的材料熱性能方面的差異決所以絕對(duì)不是對(duì)稱(chēng)的。此外，由于到焊縫中心線的距離的增加，碳素鋼側(cè)溫度變得低于不銹鋼側(cè)的溫度。這是因?yàn)?，碳素鋼有較高熱導(dǎo)率和熱傳遞率即碳素鋼冷卻速度是高于不銹鋼的。 (b)它不能簡(jiǎn)單地假設(shè)在異種鋼焊縫中的焊接殘余應(yīng)力在那些相似鋼焊縫中的幅度或分布是相同的。在異種鋼焊縫不銹鋼的一側(cè)，應(yīng)力分布與相應(yīng)的鋼對(duì)接焊縫是相似的，而在異種鋼焊縫碳素鋼的一側(cè)，應(yīng)力分布與類(lèi)似的鋼的對(duì)接焊縫應(yīng)力分布大不相同，這是由于熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致的不銹鋼焊接金屬和碳素鋼基體材料界面處應(yīng)力快速變化引起?？v向應(yīng)力成分的變化更明顯。(c)不銹鋼側(cè)附近的焊接區(qū)域的基體金屬中的縱向殘余應(yīng)力是高于那些在碳素鋼側(cè)的。此外，在拉伸應(yīng)力的范圍內(nèi)是在不銹鋼側(cè)寬。不銹鋼較大的熱膨脹系數(shù)與較高的應(yīng)變硬化率的一起產(chǎn)生的較高的拉伸縱向應(yīng)力與轉(zhuǎn)變率較高的壓縮應(yīng)力相平衡。此外，不銹鋼較低的熱傳導(dǎo)率和熱傳遞率結(jié)合較大的熱膨脹系數(shù)對(duì)較大的抗拉應(yīng)力的分布區(qū)域
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