【文章內(nèi)容簡介】 用。 在有限元模擬中，隨溫度變化的熱物理（例如：熱傳導率、比熱和密度）和機械性能（例如：楊氏模量、熱膨脹系數(shù)、泊松比和屈服應力）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，詳細見圖4（b）。應當被指出的是，圖4（a）和（b）中的單元被組織起來，以便于它們在圖形上被標示得更清楚。對于焊縫金屬，與溫度相關(guān)的物理性質(zhì)被假定為與那些相應的基體材料分別相同。基體材料與溫度相關(guān)的熱機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度基體材料的熔融溫度[32]。對于焊縫金屬，如圖所示，只有屈服強度與相應的基體材料不同，其它屬性與相應的基體材料幾乎完全相同。物理和機械性能被分配到異種鋼對接接頭（基體材料和焊縫金屬）的相應位置。圖3：分析模型：(a)分析模型和對接接頭的尺寸 （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圍的區(qū)域，當利用數(shù)值計算能準確的預測焊接殘余應力時應當仔細考慮。碳鋼和相應金屬的線性應變強化率假定為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渡是假定的。對于不銹鋼及其焊縫金屬來說，隨溫度變化的應變強化規(guī)則也適用。在高溫下基體金屬和焊縫金屬的應變硬化率的測量和在文獻[27]中分別給出。圖7顯示的是碳和不銹鋼與溫度有關(guān)的應變強化率。：（a）SM400（b）SUS304圖5：SM400鋼及相應的焊接金屬與溫度相關(guān)的熱機械性能圖6：SUS304鋼及相應的焊接金屬隨溫度變化的熱力性能圖7：材料依賴于溫度的應變硬化率圖8：焊接過程中的溫度分布圖9:焊接過程中最厚的幾個位置上的熱循環(huán)：（a）SM400（b）SUS3043. 結(jié)果與討論 圖8所示的是當焊炬到達焊縫末尾時對碳鋼和不銹鋼之間的異種鋼對接焊縫在時間間隔內(nèi)使用熱分析得到的溫度場。因為焊接材料熱性能的差異，所以顯示出的熱流圖是非對稱的。圖9的（a）和（b）是異種鋼焊接熱循環(huán)過程的比較。溫度場沿著焊縫中心線上不同位置的最厚處，這就是結(jié)束焊接時焊縫的產(chǎn)長度。；；；。從這個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。這歸因于一個事實，即碳素鋼冷卻速率高于不銹鋼，這是因為碳素鋼有較高的熱導率和熱傳遞率。 所有的應力和應變分量都可以從應力分析得到。在這里我們將只討論相關(guān)數(shù)據(jù)。在該討論中，三個詞語“縱向”、“橫向”和“厚度方向”是用來表示三個相互垂直的方向上的殘余應力分量?！翱v向”通常是用于焊接方向，“橫向”是用于垂直方向上的長度（即沿板寬方向），最后的詞語“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）所示的整個異種鋼對接焊縫中，在焊接件的橫截面上，垂直于焊接線，通過焊接長度的一半，分別為縱向，橫向和厚度方向（正常）的型材殘余應力的預測。應力分布在焊接件的最厚處并寫出到焊縫中心線距離的函數(shù)。殘余應力在類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接焊縫中殘余應力在橫向、縱向和厚度方向上的分布。應該認識到，在不銹鋼異種鋼側(cè)的焊縫中，應力在類似的鋼對接焊縫中的分布是相似的，即達到施加在焊縫上的最大縱向拉伸殘余應力與橫向壓縮殘余應力在遠離焊縫中心線的區(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)生縱向殘余應力顯著降低的現(xiàn)象，最有可能的原因是屈服強度方面的差異。與此相反，橫向殘余應力幾乎全部為拉伸應力并且拉平為零。厚度方向上的殘余應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，其應力分布與與其相似的鋼焊縫中的應力分布大不相同。這是顯而易見的，在界面處引發(fā)由界面顯示出來的的急劇的應力變化，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向應力成分的變化更明顯。與與其相類似的鋼對接焊縫比，較高的應力產(chǎn)生在與基體金屬相鄰的焊縫中，而低得多的應力在靠近焊縫的母材中產(chǎn)生。這些趨勢，在橫向和正常的應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力超過在室溫下相應的鋼材的屈服應力的，在研究中還發(fā)現(xiàn)如[33]所示的現(xiàn)象。應變硬化率可以被認為是解釋較高殘余應力的的主要因素。請注意，不銹鋼一側(cè)靠近基體金屬的焊接區(qū)的縱向殘余應力高于碳素鋼。同樣清楚的是，不銹鋼一側(cè)受到拉伸應力的范圍也比較寬。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)生的縱向殘余應力的差異。不銹鋼較大的熱膨脹系數(shù)與較高的應變硬化率的一起產(chǎn)生的較高的拉伸縱向應力與轉(zhuǎn)變率較高的壓縮應力相平衡。此外，不銹鋼較低的熱傳導率和熱傳遞率結(jié)合較大的熱膨脹系數(shù)對較大的抗拉應力的分布區(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力變化，在異種鋼一側(cè)的橫向和厚度方向的殘余應力分布是相似的。通過現(xiàn)有的分析，在厚度方向上得出了類似的結(jié)果，這里就不做說明了。4. 結(jié)論 在本研究中，我們對異種鋼焊接過程進行了數(shù)值模擬，以確定溫度場和殘余應力的分布，特別是一般對結(jié)構(gòu)的完整性最有害的應力分量縱向殘余應力，而碳鋼和不銹鋼之間的異種鋼對接接頭在本質(zhì)上有不同的熱和機械性能，我們利用將實驗測量與采用有效性被驗證的依次耦合三維熱機械有限元分析方法相比較來驗證。為了進行比較，我們還探討了同類鋼的對接焊縫殘余應力狀態(tài)。根據(jù)研究結(jié)果，可以得出以下意見和結(jié)論：(a)在異種鋼對接焊接過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不是對稱的。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。這是因為，碳素鋼有較高熱導率和熱傳遞率即碳素鋼冷卻速度是高于不銹鋼的。 (b)它不能簡單地假設在異種鋼焊縫中的焊接殘余應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)，應力分布與相應的鋼對接焊縫是相似的，而在異種鋼焊縫碳素鋼的一側(cè)，應力分布與類似的鋼的對接焊縫應力分布大不相同，這是由于熱膨脹系數(shù)的差異導致的不銹鋼焊接金屬和碳素鋼基體材料界面處應力快速變化引起?？v向應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力是高于那些在碳素鋼側(cè)的。此外，在拉伸應力的范圍內(nèi)是在不銹鋼側(cè)寬。不銹鋼較大的熱膨脹系數(shù)與較高的應變硬化率的一起產(chǎn)生的較高的拉伸縱向應力與轉(zhuǎn)變率較高的壓縮應力相平衡。此外，不銹鋼較低的熱傳導率和熱傳遞率結(jié)合較大的熱膨脹系數(shù)對較大的抗拉應力的分布區(qū)域