（机械制造及其自动化专业论文）高强钢焊接过程及焊后热处理的数值模拟研究.pdf

本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：丛锺 日期：鱼! 丛 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：盘盔导师( 签名) 焊接是指同种或异种材质的构件，通过加热或加压或两者并用，添加或不 添加材料，将构件不可拆卸的永久性连接在一起或在基材表面堆敷覆盖层的加 工工艺。结构采用高强钢制造，既可以节省材料、减轻结构自重，又可以提升 整体的机械性能，高强钢与普通结构钢相比化学成分更加复杂，对焊接残余应 力的敏感性更高，焊接过程中除了要求使用专门焊剂或专门保护层的复杂合金 焊接材料外，甚至还需要进行焊前预热处理和焊后热处理以减少焊接残余应力 可能引起热裂纹、冷裂纹等工艺缺陷以及焊接变形引起结构形状和尺寸的偏差。 焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，焊接现象包括 焊接时的电磁、传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变 形等。焊接是一个局部快加热到高温，随后快速冷却的过程，伴随着热源的移 动，整个焊接件的温度随着时间和空间急速变化，材料的物理性能参数也随着 温度急速的变化，同时还存在相变时的潜热现象和融化现象，因此，焊接温度 场的分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。焊后热处理过程中热对流占据主 导因素，热处理过程也属于典型的非线性瞬态热传导问题。在以往的焊接研究 中，多采用试验的方法，然而焊接试验费时费力，效果也不尽人意，采用数值 模拟的方法可以较好的模拟焊接过程以及焊后热处理的温度场与应力应变场， 对优化焊接结构设计和焊接工艺设计，减少实验工作量，提高焊接结构整体质 量有比较重大的现实意义和经济价值。 本文利用有限元分析软件a n s y s 对高强钢焊接过程及焊后热处理的温度场 与应力应变场进行分析，研究的内容主要包括：采用直接法对平板对接焊的焊 接过程温度场与应力场的双向藕合场进行分析，考虑焊接母材材料的非线性， 建立三维分析模型，采用分段热源模拟焊接件开v 形坡口的焊接过程；采用间 接法对t 形焊缝的焊接过程温度场与应力场进行分析，将热源作为焊缝单元内 部生热率的形式施加载荷并利用生死单元技术模拟材料的逐步添加；对焊后热 处理前后平板对接焊接件的应力场对比分析并结合试验对数值模拟结果的精确 度进行比较。 关键字：高强钢焊接过程焊后热处理温度场应力场 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e l d i n gi st h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt h a tt h es a m eo rd i s s i m i l a rm a t e r i a lc o m p o n e n t s ，b y h e a to rp r e s s u r eo rb o t h ，w i t ho rw i t h o u ta d d e dm a t e r i a l s ，a r en o n d e t a c h a b l ea n dc o n n e c t e do r c o a t i n gt h ep i l eo nt h es u b s t r a t es u r f a c e t h el 玛屺o fh i g h - s t r e n g t hs t e e lo ft h es t r u c t u r e , n o to n l y s a v em a t e r i a la n dr e d u c et h es t r u c t u r a lw e i g h t ，b u ta l s oi m p r o v et h eo v e r a l lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s c o m p a r e dw i t ht h eg e n e r a lc h e m i c a ls t r u c t u r a l s t e e l ，t h ec o m p o s i t i o no ft h eh i 【g h s t r e n g t hs t e e li sm o r ec o m p l e x ，、) l ，i n lh i g h e rs e n s i t i v i t yo fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s ，a n di nt h e w e l d i n gp r o c e s st h eu s eo fs p e c i a l i z e dc o m p o u n do rs p e c i a l i z e dp r o t e c t i v el a y e ro fc o m p l e x a l l o yw e l d i n gm a t e r i a l si sr e q u i r e d ，a n de v e np r e h e a t i n gb e f o r ew e l d i n ga n dp o s t w e l dh e a t t r e a t m e n ti sd e m a n d e dt or e d u c et h er e s i d u a ls t r e s st h a tm a yl e a dt oh o tc r a c k , c o l dc r a c k , a n d s h a p ea n ds i z eo ft h ed e v i a t i o nc a u s e db yp r o c e s sd e f e c t ss u c h 勰w e l d i n gd e f o r m a t i o n w e l d i n gi sac o m p l i c a t e dp h y s i c o c h e m i c a lp r o c e s sw h i c hi n v o l v e si ne l e c t r o m a g n e t i s m ， h e a tt r a n s f e r r i n g ，m e t a lm e l t i n ga n df r e e z i n g ，p h a s e - c h a n g ew e l d i n gs t r e s sa n dd e f o r m a t i o na n d s oo n w e l d i n gp r o c e s si st h a tp a r t so fa l la r e ai sq u i c k l yh e a t e dt oh i g ht e m p e r a t u r ea n dt h e n r a p i d l yc o o l e d w i t ht h eh e a t $ o u r c em o v i n g 。t h ew h o l ee l e m e n t st e m p e r a t u r es h a r p l yc h a n g 铬， a n dt h em a t e r i a l sp h y s i c a lp r o p e r l yp a r a m e t e r sa l s os h a r p l yc h a n g e a tt h es a m et i m e ，t h e r ei s l a t e n th e a to f m e l ta n dp h a s e - c h a n g e t h e r e f o r e , t h ea n a l y s i so fw e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l di s t y p i c a ln o n l i n e a rt r a n s i e n th e a tc o n d u c t i o n h e a tc o n v e c t i o nd o m i n a n tf a c t o r si np o s t - w e l d i n g h e a tt r e a t m e n ta n dp o s t - w e l d i n gh e a tt r e a t m e n ta l s ob e l o n gt ot h et y p i c a ln o n l i n e a rt r a n s i e n th e a t c o n d u c t i o np r o b l e m i np r e v i o u ss t u d yo fw e l d i n g ，t e s tm e t h o di so f t e nu s e d , w h i c hi s t i m e - c o n s u m i n gd u r i n gw e l d i n gt e s ta n dt h ee f f e c ti sl e s ss a t i s f a c t o r y , w h i l et h eu s eo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt h a tc a ns i m u l a t et h ew e l d i n gp r o c e s sa n dp o s t - w e l dh e a tt r e a t m e n tt e m p e r a t u r ef i e l d a n ds t r e s s s t r a i nf i e l dw e l l ，h a v eag r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n de c o n o m i cv a l u ei nt h e o p t i m i z a t i o no fw e l d i n gd e s i g na n dw e l d i n gt e c h n o l o g yt or e d u c et h ee x p e r i m e n t a lw o r k l o a d , i m p r o v et h eo v e r a l lq u a l i t yo fw e l d e ds t r u c t u r e sc o m p a r i s o n i nt h i sp a p e r , t h ew e l d i n gp r o c e s sa n dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s s - s t r a i nf i e l di nt h e h e a tt r e a t m e n ta f t e rt h ew e l d i n gi sa n a l y z e d 诵t hf i i l i t ee l e m e n ta n a l y s i ss 0 1 a r e ( a n s y s ) t h e m a i l jc o n t e n to ft h es t u d y ：a n a l y s i so ft w o - w a yc o u p l i n gf i e l dc o m p o s e do ft h et e m p e r a t u r ef i e l d a n ds t r e s sf i e l dw h i c hi sf o r m e di nw e l d i n gp r o c e s so nt h ep l a t ei sc o n d u c t e db yd i r e c tm e t h o d , c k e y w o r d s ：h i g hs t r e n g t hs t e e l ，w e l d i n gp r o c e s s e s ，p o s t - w e l d i n gh e a t t r e a t m e n tt e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l d n i 武汉理工 目录 第1 章绪论1 1 1 研究目的和意义。1 1 2 国内外研究动态3 1 2 1 焊接温度场数值模拟研究的现状与发展动态3 1 2 2 焊接应力应变场数值模拟研究的现状与发展动态一5 1 2 3 焊后热处理研究的现状与发展动态8 1 2 4 当前研究存在的问题9 1 3 本文研究的主要内容1 0 第2 章有限元热分析的理论基础1 1 2 1 有限单元法简介1 1 2 2a n s y s 软件介绍13 2 3 焊接有限元模型的简化17 2 4 焊接过程温度场的分析理论1 8 2 4 1 焊接过程传热的形式1 8 2 4 2 焊接基础理论与热传递方程1 9 2 4 3 热传导分析的基本方程2 0 2 4 4 非线性瞬态温度场热传导的有限元分析2 2 2 5 焊接应力应变场的分析理论2 4 2 5 1 热弹塑性分析的特点与分析条件假设2 4 2 5 2 热弹塑性理论2 8 2 6 本章小结3 0 第3 章焊接温度场和应力场的数值模拟3 1 3 1 焊接过程温度场与应力场的数值分析方法3 1 3 2 焊接过程的计算3 2 3 2 1 建立模型3 2 3 2 2 热源模型的选择。3 8 3 3 焊接过程温度场与应力场的求解方法二4 2 i v 第5 章焊接残余应力场结果及分析5 4 5 1 应力场结果及分析5 4 5 2 焊后热处理前后应力结果的对比分析5 7 5 3 数值模拟结果与实验测试结果对比分析5 8 5 4 本章小结6 1 第6 章全文总结与展望6 3 6 1 总结6 3 6 2 展望6 4 致谢6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的论文7 0 v 1 1 研究目的和意义 焊接是指同种或异种材质的构件，通过加热的方式或者加压的方式或者加 热加压共同使用的方式，添加或者不添加其他材料，将构件不可以拆卸的永久 性的连接到一起或在基材或母材表面堆敷覆盖层的加工工艺n 1 。由于采用焊接 的方法有众多优势，在实际生产制造中采用焊接结构不仅可以简化结构构造细 节，节省材料消耗并减轻结构自重，还可以改善工人劳动条件和提高生产效率， 为企业和和社会带来良好的经济效益，因此，目前无论是在机械制造业、船舶 制造业、交通运输器材制造业、道路桥梁建造业还是在海洋及能源工程、石油 化工工程、航空航天工程等众多行业均采用焊接结构心1 以实现工程目的，可以 说，绝大多数有钢结构的地方就必然有焊接结构的存在，焊接结构贯穿着社会 活动的各个方面。 焊接是一种历史悠久的制造工艺，同时也是应用最广泛的材料连接方式之 一，作为现代制造业不可或缺的连接工艺，焊接在材料加工领域一直占据着首 要地位，然而，焊接过程与焊后热处理过程均是一个相当复杂的过程，涉及到 众多科学，包括传热学、材料冶金学、电弧物理学以及力学等众多的学科；焊 接现象包括焊接过程中的电磁对外辐射、金属加热融化与冷却凝固、冷却时的 金相组织的转变、焊接残余应力以及焊接形变等。焊接完成之后，结构件中必 然产生存在焊接残余应力，焊接残余应力不仅对焊接结构的精确制造以及再加 工产生影响，而且对焊接结构的刚度、疲劳强度、静强度等性能和使用的安全 可靠性均有很大影响，究其根本原因，焊接过程中高度集中化的瞬时大量热输 入是导致上述缺陷的最根本原因，由于高度集中化的瞬时大量的热输入，在焊 接完成后必将导致相当大的焊接残余应力以及焊接形变，焊接残余应力以及焊 接形变可能会严重的影响制造过程本身以及焊接结构件的使用和应用性能，并 且在很大程度上还影响着结构的后续的再加工精度以及结构件的尺寸稳定性 能，因此，在设计以及制造进行之前需要充分考虑焊接残余应力和焊接形变可 能产生的影响口1 ，对焊接过程以及焊接残余应力及形变的准确计算对提高焊接 结构件的后续再加工以及结构件的安全使用等均具有相当重要的意义。 对于焊接的研究，单 在过去很长一段时间里， 础，再依据相关原理、公式进行推导，最后进行生产，其模式为“理论试验一 生产一，但是进行精确的焊接试验比较困难，人为因素影响比较大，而且耗费大 量的人力和财力，效果也不尽人意；2 0 世纪末期，计算机的出现以及计算机软 硬件技术的快速发展，为焊接技术的发展创造了有利条件，为焊接研究模式转 变朝着“理论一数值模拟一生产”方向奠定了基础h 1 。在我国，当前的焊接制 造中依旧存在很多利用经验或实验进行开发和生产制造的模式，这种模式有其 优点，但是局限性也比较大。将焊接数值模拟仿真技术应用于传统的焊接工艺， 结合先进的计算机数值模拟仿真技术对传统的焊接工艺进行改造，对焊接技术 进一步升华为完善的科学、对加速我国焊接信息化与工业化的进程均有非常重 要的意义。 焊接金属中采用轻金属或高强度结构钢制造，不仅可以节省材料、减轻结 构自重，而且可以提升产品的性价比。高强度钢与普通结构钢相比，其化学成 分更加复杂，对焊接残余应力的敏感性更高，在焊接过程中除了要求使用专门 焊剂或专门保护层的复杂合金焊接材料，避免出现焊缝性能及其组成在不同区 域( 根部、表面、融合区) 中的不同一性，甚至还需要进行焊前预热和焊后加 热，减少焊接残余应力可能引起热裂纹、冷裂纹等工艺缺陷以及焊接变形引起 结构形状和尺寸的偏差网。近年来，高强钢结构大量应用于各行各业中，但是 由于焊接质量问题引起的事故越来越多，如何提升高强度钢焊接结构的整体质 量成为一个亟待解决的问题。高强钢焊接过程及焊后热处理的准确模拟计算是 高强钢焊接冶金定量计算、焊接残余应力与焊接变形分析以及焊接过程自动化 控制的前提，本课题的研究对于进一步优化焊接结构的设计以及焊接的工艺设 计，减少实验的工作量，提高焊接结构的整体质量等均有重大的现实意义和经 济价值。 焊后热处理( 简称为p w h t ) 是指在焊接结束之后，对结构件的整体或局部 加热到一定温度并保温特定的一段时间，然后按照一定的降温速率将结构件温 度降到室温的过程1 。当前对于焊后残余应力的消除处理主要有机械方式和热 处理方式两种，在实际工程中应用最广泛是焊后热处理，目前常用的加热方式包 括电阻、火焰、感应、远红外加热等方式。焊后热处理同焊接过程一样，是一 个十分复杂的过程，经过焊后热处理，工程人员希望结构件可以避免发生二次 形变、高温应变脆化、残留合金偏析脆化、热应力裂纹、再热裂纹等现象，希 2 武汉理工大学硕士学位论文 望可以达到对结构件中的应力产生松弛效果、改善焊接接头的组织结构以及力 学性能、减少导致冷裂纹的扩散氢含量、消除应变时效脆化等1 效果。对于焊 后热处理的相关参数包括热处理最高温度、保温时间、温度升降速率等，需要 针对不同钢材具体问题具体分析，而且要综合考虑焊接结构件的焊后热处理条 件、结构件的综合性价比等问题。通过本文的研究，有助于实际工程中对焊接 温度场及焊接残余应力场的分布规律的了解和掌握，为实际工程中的设计制造 过程的综合考虑提供参考依据。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 焊接温度场数值模拟研究的现状与发展动态 在国外，对于焊接过程中温度场的数值模拟研究，r o s e n t h a l 于1 9 3 9 年 第一次完成了点状移动热源的传热方程的求解口1 ；苏联科学院的h h r y k a l i n 院士在此基础上，对焊接热源进行简化提出了点、线、面三种热源，并忽略了 材料在焊接过程中物理性质的非线性以及模型尺寸对焊接求解结果的影响，建 立了焊接传热学的理论基础，对焊接过程的传热问题进行了详细的研究1 ，上述 研究采用数学解析法对焊接过程进行了解析求解，它计算简便，而且可以比较 直观的了解各个参数的变化对焊接温度场的影响，但是不足之处在于研究的假 设条件与焊接传热过程的实际情况有比较大的差异，导致研究者最为关心的、 最易出现焊接缺陷的焊接熔池附近区域的解析结果与实际测量结果有很大误差 口3 ，需要学者更进一步考虑实际情况进行求解。a d a m s 、木原博等人从另外一个 途径对焊接过程进行研究，以大量的实验为基础，结合传热理论的相关理论分 析趋势，再进行后续处理( 整理、归纳和验证等) ，构建存在差异的焊接传热公 式来表示不同焊接工艺参数下的焊接过程，采用这种方法得到的结果比采用数 学解析法得到的结果更符合实际焊接过程，但是有其很明显的缺陷就是工作量 太大，得到的传热公式只局限于试验所测试的部分材料以及焊接工艺参数n 阳， 不能广泛的应用于未进行试验的其他材料以及焊接工艺参数，不具有代表性。 在上个世纪中期，弹性力学的应力分布问题开始借助于数值法进行求解结 果，传热学中的温度分布问题同样开始借助数值法来解决问题，随着数值法不 断向前发展，逐渐细分为有限元法以及差分法两个发展方向。在2 0 世纪7 0 年 代，有科学家第一次在固体热传导的模拟计算中使用有限元法进行求解，自此 3 之后，焊接过程温度场 加拿大的z p a l e y 采用 度场的可行性。1 9 7 6 年美国的g w k r u t z y 在博士在其论文中应用有限元方法 创建了2 d 的焊接过程温度场的计算分析模型并同时考虑了相变潜热对结果的 影响。1 9 8 4 年加拿大学者g o l d a k 则为焊接模型的发展做出了贡献，他提出的 模型不仅仅考虑了焊接熔池内部的液体的流动问题，而且还考虑了在电磁力作 用下的焊接件内部的磁流体力学的情况，相对清楚的得到了采用熔化焊焊接时 的能量密度分布的结论，并且尝试把焊接过程中采用的电流、电压、焊接的速 度以及焊丝的直径等各种参数与数值分析模型中的相关联的分析参数进行相对 应的一一联系。本世纪初，南非的开普敦大学的r o n d a 等学者应用统一的方法 逐步推导出了焊接过程中的材料相变的规律以及相变塑性，并在此基础上创建 了相容的t m m ( t h e r m o m e c h a n o m e t a l l u r g i c a lm o d e l ) 模型，并最终发展成为 系统的分析理论，t m m 模型分析研究了温度发生改变对材料相变的影响以及应 力应变对于相变的作用以及影响，是一个相对成功的对焊接过程进行数值模拟 分析的模型n 。2 0 0 1 年，s w w e n 、p h il t o n 、d c j f a r r u g i a 等学者对厚板的 手工埋弧焊的整个的焊接过程进行数值模拟研究，并对比了2 d 以及3 d 的数值 模拟分析的结果的有关差异，分析了不同的焊接接头以及不同的焊接工艺参数 选择对结果产生的影响，最终与试验结合比较，取得了令人满意的数值模拟结 论捌。 在国内，1 9 8 1 年，西安交通大学唐幕尧等人首次在薄板准稳态焊接温度 场的计算中使用有限元法进行分析，但是并未考虑工作表面的热损失以及材料 热物理性能参数在焊接过程中的非线性，数值模拟结果与实际测量结果有较大 误差。在此基础上，上海交通大学的陈楚等人对非线性的热传导问题采用变步 长外推法进行了模拟分析并建立了焊接过程温度场的有限元分析计算模型，编 撰了相对应的计算机分析计算程序n 引；利用有限元法对非线性焊接温度进行分 析，提出局部干法水下焊接温度场的计算模型并对6 m m 钢板的局部干法水下焊 接温度场进行了实例分析分析，其计算分析结果与实验结果相吻合n 钔。对于三 维焊接过程的数值模拟分析，国内的研究起步时间比较晚，在1 9 9 6 年蔡洪能， 唐慕尧等学者对t i g 焊接温度场进行有限元分析，建立了合理的三维数值分析 模型并引入热焓的概念和表面双椭球热源分布模型，计算结果与实验结果相吻 合n 司。上海交通大学的汪建华等学者与日本大阪大学合作对三维焊接过程温度 场问题进行了研究，对提高数值模拟计算精度的若干途径进行了研究，并对具 4 体的三维焊接热传导问题 对一种新型耐热钢p 9 1 钢 分布的方法例。清华大学 过程进行数值模拟，利用d 拟，较好地反映真实的热输入情况，取得了较好的效果瞳。大连理工大学的张 全忠博士对g h 4 1 6 9 高温合金的摩擦焊接过程进行数值模拟研究，利用有限元分 析软件a n s y s 建立了轴对称的二维有限元模型来仿真惯性摩擦的焊接过程，采 用两种摩擦模型相结合的方式仿真再现整个摩擦焊接过程中的摩擦副的动作 ，对数值模拟结果进行了实验验证，结果令人满意。北京交通大学的王勇朝 对薄板熔化焊接的过程的温度场与残余应力场进行模拟，结合试验对数值模拟 结果进行比较分析，得到了比较满意的结果。 综上所述，国内外的学者对焊接过程的有限元计算在逐步加深，从过去大 多局限于二维问题逐步向三维问题转变，在建立焊接过程的数值分析2 d 或3 d 模型时，尝试分析考虑可能影响焊接过程以及瞬态温度场分布的材料热物理参 数的非线性问题、材料在焊接时熔化和相变是的潜热影响以及焊接热源模型的 影响等多种因素，期望能够更真实的反映焊接过程，从而为实际生产中的焊接 质量控制、焊接冶金以及力学分析奠定基础。 1 2 2 焊接应力应变场数值模拟研究的现状与发展动态 焊接过程会产生应力以及应变的根本原因是在整个焊接过程中，不均匀温 度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织所导致的。焊接应力和应 变不仅对焊件加工精度和尺寸稳定性产生影响，也对结构的刚度、疲劳强度以 及静载强度产生影响，为此，国内外众多的学者对其进行了大量的、长期的、 深入的研究分析探讨工作，获得了许多令人满意的成果，越来越多的成功应用 于工程实际中。 在国外，应力应变场的数值模拟研究工作始于2 0 世纪3 0 年代。1 9 3 6 年， b o u l t o n 和l a n c em a r t i n 发表的文章，对一维焊接应力的产生机制进行了初步 的探讨，研究了焊接过程中沿板件边缘产生的瞬时热应力问题嘲。5 0 年代，前 苏联学者奥凯尔勃洛姆对焊接应力和变形的原理进行了初步完整的阐述1 。 1 9 6 1 年，美国的t a l l 博士瞵1 第一次利用计算机代替图形分析对焊接热应力进 行计算，进一步对一维的焊接残余应力的产生机理进行了研究，m a s u b u c h i 等 武汉理工大学硕士学位论文 学者在t a ll 博士研究的基础上，再进一步对程序进行拓展成为f o r t r a n 格式的 计算机程序，麻省理工学院的更进一步的对该程序进行完善。总而言之，在2 0 世纪3 0 年代至7 0 年代初，学者们开始了对焊接中产生焊接残余应力的机理进 行了初步的数值模拟的研究探讨工作，研究的对象主要局限于一维的焊接应力 问题。在2 0 世纪7 0 年代初，日本的上田幸雄和村川英一等学者以有限元单元 法为基础，提出了考虑材料力学性能和温度有关的热弹塑性理论，并逐渐发展 成为一门新的学科，即“计算焊接力学 。他们利用有限元法，对焊接的多层多 道焊、角焊缝焊接以及圆周型式的受压容器的焊接后的焊接残余应力以及形变 进行分析，推导出了基于固有应变为基础参数的2 d 和3 d 的焊后残余应力的测 定以及预测方法，除此之外，他们以固有应变法为理论基础，对t 形的焊接截 面以及工字形的焊接截面的平板多层多道焊的焊接接头区域的焊接残余应力 啪铡进行了分析研究。在焊接进行的过程中，焊接材料肯定会在热源集中高热 量加热的状态下生材料的金相组织之间的相互转变，上述也是在焊接过程的数 值模拟模拟研究中必须要考虑的因素之一。1 9 9 6 年，t i n o u e 等学者对伴有材 料相变的温度发生改变过程中，温度和相变以及应力三者之间相互影响的耦合 效应进行了模拟研究，分析得到了在前述条件下的本构方程的一般形式。1 9 9 7 年，m i c h a l e r i s 和d e b i c c a r i 等学者研发了一个双步数值分析程序对焊接及形 变进行预测，他们开展了2 d 的热一力耦合的焊接模拟分析并得到了所需的焊接 残余应力，随后把焊接残余应力输入3 d 分析模型中开展弹性分析例，取得了比 较令人满意的结果。1 9 9 9 年，b a c h o r s k ia ，p a i n t e rmj ，s m a l l e saj 等学 者提出了基于收缩体积法的焊接变形的有限元预测分析理论跚1 ，收缩体积法类 似于固有应变法，预测焊接产生的形变是其最主要的目的，这种方法将比较复 杂的非线性以及弹塑性形变转变为比较简单的线弹性形变，能够较为准确的预 测大型的并且相对复杂的焊接结构的形变问题，焊缝区域的收缩体积的计算精 度决定了模拟结果的准确度，其局限性在于它对于焊接坡口角度小于5 0 度的焊 接结构的模拟结果与实验结果存在较大误差，另外此方法在预测焊接残余应力 方面不适用。最近，j u n g 和t s a i 研究开发了一种新的基于塑性形变的方法( p d a ) 并成功将其应用于对累积塑性应变以及t 型填角焊接关系的研究分析中m 1 。英 国焊接研究所开发了一个s d p s ( s t r u c t u r a ld e f o r m a t i o np r e d i c t i o ns y s t e m ) 系统，能够对相对复杂结构的焊接变形进行研究。 在国内，2 0 世纪7 0 年代，西安交通大学的楼志文等学者在焊接过程温度 场以及热一弹塑性应力场的模拟分析中应用数值分析法进行求解，并编制了两个 6 简单焊接问题的热弹塑性有 学的焊接教研室开始研究有 应用，得到了变步长的外推法，以此为基础对非线性的热传导方程进行求解解 析。西安交通大学的唐慕尧、楼志文等人口2 1 与上海沪东造船厂合作，引入虚元 的热弹性程序对单面焊时终端裂纹形成的力学过程进行计算机模拟的基础并通 过现场试验验证，进一步研究了单面焊时回转变形、终端裂纹形成的力学机制及 其影响因素，并提出了相应的防止措施。上海交通大学的汪建华、戚新海、钟小 敏与日本的上田幸雄、村川英一1 合作采用3 d 的热一弹塑性有限元方法对焊接 过程中产生的动态应力应变以及焊接冷却之后的焊接残余应力及形变进行了数 值模拟模拟，并通过压缩机以及管板接头两个焊接实例进行了验证，实验结果 与数值模拟结果相吻合。清华大学的蔡志鹏m 1 利用数值模拟研究焊接残余变形 及应力问题，研究各种因素对温度场、应力和应变场的作用规律，通过对移动 热源进行分段化处理，在保持精度的同时又极大地提高了计算大型结构的效率， 结合长江三峡工程中使用的超大型式的桥式起重机的工程制造，对主梁的上拱 度可能产生各种作用及影响的各种关键的工艺因素进行分析研究，得到了整套 的定量化的焊接工艺参数指导，并最终成功地应用于大型结构件焊接过程的焊 接形变的精确控制之中，结果满足国家有关设计规定要求。华中科技大学的梁 晓燕d 鄙针对中厚板焊接常需要采用多层多道焊的情况，提出用双热源模型，即 采用高斯分布的热源模型函数作为表面的热源以及双椭球形的体热源作为焊接 件的熔池区域的内部热源的相结合的模拟，对中厚板对接多道焊的温度场和应 力场的分布情况进行数值模拟研究，得到了各个选定时间点下的温度场的分布 发展趋势以及焊接残余应力应变场中各个方向的焊接残余应力的改变趋势以及 形变情况，结合试验对比分析，结果令人满意。天津大学的顾立志啪1 利用有限 元分析软件a n s y s 对铝合金简体结构进行了三维建模并实现移动热源的逐步加 载过程，得到了筒体焊接过程的温度场分布发展趋势以及规律，在得到焊接过 程温度场分布结果的基础上再进行应力场分析，通过部分试验论证，实际测量 结果与数值模拟结果相符合。西北工业大学的贾坤荣等人运用有限元计算软 件a b a q u s 对1 0 咖厚钢板电子束焊接温度场和残余应力场进行数值模拟，选用 三维实体有限元单元，采用非耦合方法，并考虑了材料物理性能随温度的变化 和周边对流、辐射散热的影响，通过实例验证，残余应力的测量分布与厚板焊 接理论相一致。武汉理工大学的李冬林啪1 通过分析和试验进行验证，提出了可 行的对3 d 焊接过程温度场、应力应变场进行动态数值模拟分析的方法，为复杂 7 武汉理工大学硕士学位论文 的焊接结构开展三维的焊接过程温度场、应力应变场的数值模拟分析提供了参 考依据以及理论指导，对有限元数值模拟分析技术在焊接热应力学方面的发展 产生了促进作用。北京工业大学的杨明侧对一种新型高强度钢的厚板v 型坡口 对接焊的焊接应力场进行了有限元分析，通过单元形心坐标比较，提取焊缝处 单元，利用a n s y s 单元生死技术和热一结构耦合功能分析进行焊接过程仿真，焊 接残余应力仿真结果与试验测量结果相吻合。 综上所述，经过我国众多学者在焊接结构件应力变形的数值模拟分析方面 的不懈努力，我国在这一方面已经取得了不错的进展，但由于在焊接过程中以 及焊后热处理过程中材料的变化涉及许许多多的学科，对焊接过程及焊后热处 理产生影响的因素众多，就目前而言，在比较复杂的以及大型的焊接结构的应 力以及形变的预测等方面仍旧存在着较多的困难，主要表现在大型的焊接结构 在焊接数值模拟的过程中结构的自由度的规模相当的庞大，导致计算机求解时 间长，计算的效率不高；在焊缝及其附近的热影响区域由于急速的加热和冷却一 并伴随金相组织的转变，导致很难建立精确数学物理模型；材料自身的各项性 能参数在焊接过程中的不是一直保持良好的线性变化，它对数值模拟分析的精 度以及模拟计算的效率均产生很大的影响；焊接过程中时常存在的局部的高温 区域必然会导致有限元方程组的性态变差：焊接过程是一个瞬态非线性分析， 瞬态分析时间步多，载荷施加不易；焊接热源作为移动热源，在焊接过程中需 要不断的移动，这也导致了焊接加热过程的严重非线性问题；有差异的坡口、 有无填充金属以及多层多道焊等各种因素引起的相对比较复杂的几何形状，对 焊接过程的数值模拟的精确计算工作量均有很大的影响叫等，焊接应力应变场 未来的发展趋势是在建立精确模型的基础上，获得焊接残余应力以及焊接形变 产生的物理本质及其总体或局部分布的规律，从而为焊接设计制造过程中的焊 接结构件的预测和变形控制提供坚实的理论以及技术基础1 ，为由焊接结构件 组成的工程或产品的安全可靠运行奠定基础。 1 2 3 焊后热处理研究的现状与发展动态 在国外，德国的r a mk u m a r k r i s h n a s a m y 等1 对镍铬基合金钢管的焊接过 程以及焊后热处理的过程进行模拟分析，建立合理的三维有限元分析模型，分 析经焊后热处理( p i j i t ) 后焊接件上的焊接残余应力改变情况，通过结合实验 验证，分析了不同退火条件下焊接残余应力的改变情况，对以后选择合适的焊 8 接和焊 b o s t a n 同的焊后热处理工艺参数进行比较分析，得到了比较满意的结果。韩国的m i n w 0 0 j e o n h 3 3 等人对压力容器球罐体焊后热处理后的显微组织进行了分析，对了了不 同热处理参数下材料显微组织的变化情况 在国内，江苏科技大学的龚晶晶3 对5 m 厚的c r - z r - c u 铜合金的焊接方法 进行实验改进，采用手工钨极氩弧焊进行焊接试验，通过不同工艺参数下的焊 接对比试验，分析了c r - z r - c u 铜合金的焊接接头力学及物理性能与接头组织之 间的相互关系，对接头部位进行焊后热处理并分析了热处理后接头力学及物理 性能的改变情况及原因。上海交通大学的樊睿智h 5 3 等人与上海锅炉厂有限公司 以及上海沪东造船集团有限公司合作建立合理的热一粘弹塑性a n s y s 数值模拟 分析模型并考虑蠕变对模拟结果的影响，对同种、异种钢管子的焊接以及焊后 热处理过程进行分析，取得了满意的结果。华东理工大学的陈志华、涂善东m 1 等人对大型球罐体加装反射板厚的整体热处理过程进行了数值模拟并进行相应 分析，达到了大型球罐体整体热处理的工艺要求，提升了热处理的质量。内蒙 古工业大学的张可荣h 7 1 利用有限元分析软件a n s y s 对t c 4 钛合金和g h 4 1 3 3 电子 束焊接过程及焊后局部热处理过程进行数值模拟分析，得到了焊后热处理后焊 接母材与焊接接头处的应力分布改变的趋势，对提升焊接质量，改善焊接工艺 参数提供了参考依据。 1 2 4 当前研究存在的问题 ( 1 ) 材料的高温热物理性能数据不足【4 3 】 在焊接过程中的高温状态特别在接近熔化态时，材料的物理性能( 比热容、 导热系数、容积比热、热焓、导温系数、表面散热系数、密度等) 数据大部分还 是一片空白，许多材料仅有室温时的物理性能参数数据，有学者研究发现，材 料所有的物理性能参数并不是保持一致的随着温度的升高而呈现正比或者反比 变化，材料的物理参数是否正确、准确对焊接数值模拟结果有着最直接的影响， 因此，如果在缺少准确参数数据的情况下进行数值模拟，焊接瞬态温度场和应 力场的结果的准确性就难以保证，这需要众多学者的共同努力去完成。 ( 2 ) 热源分布参数的确定 对于不同的钢材、不同厚度的同种钢材等采用的焊接方式存在差异时，焊 9 接热源的选取就会有所不同 效加热半径选取结果也有很 于上述情况，在焊接学的研 素对热源分布参数选择的影响比较大。 ( 3 ) 焊接热源的热效率的选取 热源效率选取是否适当，是否符合实际焊接作业决定了焊接数值模拟计算 精度及与实际的符合程度，不同的参考文献中，热效率是一个范围值，每位研 究者的选却就会有差异，人为因素比较严重，当前尚无权威资料进行确定，因 此需要每位研究者根据实际焊接情况进行慎重的选择。 ( 4 ) 焊接熔池的处理 焊接熔池是整个焊接过程中焊接件上最为复杂的部分，在当前的数值模拟 研究中，大多数研究者并未考虑焊接熔池内部液态金属的对流传热。 1 3 本文研究的主要内容 本文将应用大型通用有限元软件a n s y s 对高强钢焊接过程及焊后热处理 过程进行数值模拟，主要内容包括以下几点： ( 1 ) 建立三维的有限元分析计算模型，在分析并结合前人工作的基础上， 对本课题的有三维有限元模型进行合理简化，在分析过程中，对开6 0 。v 形坡 口的平板对接焊的焊接过程考虑温度场与应力场的双向耦合作用，并采用直接 法进行计算，对t 形焊的焊接模拟研究采用间接法进行计算。 ( 2 ) 建立三维移动热源有限元分析模型，考虑材料非线性问题对数值模拟 结果的影响，即考虑材料自身的物理性能、力学性能随温度变化而变化，得到 的焊接温度场和应力场的更符合实际，并利用a n s y s 程序自带的a p d l 语言编写 程序进行编程，采用高斯热源实现平板开6 0 。v 形坡口的对接焊的焊接过程中 热源的逐步加载，采用内部单元热生成率的形式实现t 形焊接过程中热源的逐 步加载。 ( 3 ) 对平板开6 0 。v 形坡口的对接焊数值分析模型进行焊后热处理过程的 分析计算，对比分析焊后热处理前后焊接残余应力场的变化及差异，察看残余 应力的分布状态，得到高强钢平板对接焊的焊后热处理的残余应力的分布规律； 结合现有设备，对焊接残余应力进行实验测试，分析数值模拟计算结果的精确 度，从而为探讨迸一步提高焊接数值模拟的精确度提供实际参考。 1 0 2 1 法， 的单 方法 c o u r 连续函数和最小位能原理相结合的方法来进行计算为标志；t u r e n e r 和c l o u g h 等人在分析飞机结构时，第一次成功应用有限元法对平面应力阿题求解并得到 正确的答案，在1 9 6 0 年，美国的r w c l o u g h 教授在一篇题为“平面应力分析 。 的有限单元法”的论文中首先使用“有限单元法 一词，并进一步应用有限元法 求解了平面弹性问题，此后，有限单元法发展迅速，力学界以及数学家也参与 进来，发展了许许多多适合不同结构的单元模式 4