（安全技术及工程专业论文）304不锈钢复合板补焊残余应力有限元分析.pdf

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：日期：年月日 学位论文使用授权书 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。 学位论文作者签名：塑玉： 一 、 指导教师签名：么盔因盟 日期： 日期： 年月日 年月日 摘要 不锈钢复合板由不锈钢和低碳钢或低合金钢两种材料经爆炸、轧制或爆炸c l n 而 成，既具有基层材料的强度、刚度和韧性，又有覆层材料的耐腐蚀性，并且价格低廉， 因而被广泛应用在石油、化工、核工业中。不锈钢复合板在制造过程或者服役过程中， 复层材料常会出现缺陷，如裂纹、未熔合、夹渣等。补焊成为修复复合板缺陷的最主要 手段。但由于不锈钢复合板的基层和复层材料的力学性能存在较大的差异，以及补焊部 位的高约束度，在补焊过程中不可避免会产生较大的残余应力，对结构完整性产生很大 影响。因此，研究不锈钢复合板的补焊残余应力，对于降低和控制焊接残余应力、保证 设备的安全运行具有非常重要的意义。 本文利用有限元法，开发顺次耦合焊接残余应力有限元程序，对3 0 4 不锈钢复合板 补焊过程进行模型分析，获得了3 0 4 不锈钢复合板补焊残余应力的分布规律，讨论线能 量、补焊层数、补焊宽度以及长度等工艺参数对补焊残余应力的影响。计算结果表明， 焊缝和热影响区的焊接残余应力值较大，远离焊缝和热影响区，应力逐渐降低。由于复 合板基层和复层材料力学性能的不匹配，复合板基层和复层界面处的应力分布不连续， 产生较高的应力梯度，对界面开裂影响较大。随着线能量增加，热输入增加，导致塑性 变形增加，释放更多的残余应力，使得残余应力降低。补焊层数增加，残余应力随之降 低。随着补焊宽度增加，残余应力明显降低，推荐采用不低于2 4 m m 的补焊宽度。随着 补焊长度的增加，残余应力降低，因此，推荐采用不低于1 4 0 m m 的长度进行补焊，可 以减小和控制焊接残余应力。 关键词：不锈钢复合板，补焊，残余应力，有限元 f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so fr e s i d u a ls t r e s si nt h er e p a i rw e l d o fa3 0 4s t a i n l e s ss t e e lc l a dp l a t e z h a n gw e n ( s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl ig u o - c h e n ga n dp r o f e s s o rj i a n gw e n - - c h u n a b s t r a c t s t a i n l e s ss t e e le l a dp l a t ei sac o m p o s i t em a t e r i a lm a d eo fs t a i n l e s ss t e e la n dm i l ds t e e lo r l o wa l l o ys t e e l i tc a nb em a d eb yt h ee x p l o s i o no ft w om a t e r i a l s ，r o l l i n go rr o l l i n gf r o ma n e x p l o s i o n ，w h i c hn o to n l yh a sb a s em a t e r i a l ss t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n dt o u g h n e s s ，b u ta l s oh a s t h ec l a d d i n gm a t e r i a l s sc o r r o s i o nr e s i s t a n c e t h e r e f o r es t a i n l e s ss t e e lc l a dp l a t ei sw i d e l y u s e di np e t r o l e u m ，c h e m i c a la n dn u c l e a ri n d u s t r i e sf o ri t sl o wp r i c e i nm a n u f a c t u r i n go r s e r v i c ep r o c e s s ，t h e r ea r es o m ed e f e c t si nt h ec l a dm a t e r i a l s ，s u c ha sc r a c k s ，i n c o m p l e t ef u s i o n ， a n ds l a g w e l d i n gr e p a i ri st h em a i nm e a n st or e p a i rt h e s ed e f e c t s h o w e v e r , d u et ot h e s i g n i f i c a n td i f f e r e n c eo ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e nt h eb a s ea n dc l a dm a t e r i a l s ，l a r g e r e s i d u a ls t r e s sw i l li n e v i t a b l yg e n e r a t e di nt h ew e l d i n gp r o c e s s ，w h i c hh a sag r e a te f f e c to n s t r u c t u r ei n t e g r i t y t h e r e f o r e ，i ti sv i t a lt os t u d yt h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s si nt h er e p a i r ew e l d o fs t a i n l e s ss t e e lc l a dp l a t e as e q u e n t i a lc o u p l i n gt h e r m a l - - e l a s t o - p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tp r o c e d u r ei sd e v e l o p e dt o c a l c u l a t et h er e s i d u a ls t r e s si nr e p a i rw e l do f3 0 4s t a i n l e s ss t e e lc l a dp l a t e ，a n dt h er e p a i rw e l d t e m p e r a t u r ef i e l da n dr e s i d u a ls t r e s sa r eo b t a i n e d a n dt h ee f f e c t so fh e a ti n p u t ，w e l d i n g l a y e r s ，r e p a i rw i d t ha n dl e n g t ho nw e l dr e s i d u a ls t r e s sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eh e a ta f f e c t e dz o n eh a st h em a x i m u mr e s i d u a ls t r e s s d b et ot h em a t e r i a l m i s m a t c h i n gb e t w e e nb a s em e t a la n dc l a dm e t a l ，d i s c o n t i n u o u ss t r e s si sg e n e r a t e d a c r o s st h e i n t e r f a c e ，w h i c hh a sag r e a te f f e c to nc r a c k w i t ht h eh e a ti n p u ti n c r e a s i n g ，t h ep l a s t i cs t r a i n h a sb e e ni n c r e a s e dt or e l a xs o m es t r e s s e s ，w h i c hr e s u l t si nd e c r e a s i n gt h er e s i d u a ls t r e s s t h e r e s i d u a ls t r e s si nt h er e p a i r ew e l di sd e c r e a s e dw i t ht h ew e l dl a y e ri n c r e a s i n g w i t ha 1 1 i n c r e a s i n go fr e p a i rw i d t h ，t h er e s i d u a ls t r e s si sd e c r e a s e d ，a n dar e p a i rw i d t ho fn ol e s st h a n 2 4m mi sr e c o m m e n d e d t h er e s i d u a ls t r e s si sd e c r e a s e dw i t ht h er e p a i rl e n g t hi n c r e a s i n g , a n dar e p a i rl e n g t hn ol e s st h a n1 4 0 m mi sa d v i s e d ，w h i c hc a nr e d u c ea n dc o n t r o lw e l d i n g r e s i d u a ls t r e s si nt h er e p a i rw e l d i n g k e yw o r d s ：s t a i n l e s ss t e e lc l a dp l a t e ，r e p a i rw e l d ，r e s i d u a ls t r e s s ，f i n i t ee l e m e n t 目录 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 不锈钢复合板的焊接2 1 2 1 不锈钢复合板的制造2 1 2 2 不锈钢复合板焊接特点。3 1 2 3 不锈钢复合板焊接存在的问题3 1 2 4 焊接方法及焊接材料的选择。3 1 2 5 坡口设计及焊接顺序。4 1 2 6 焊接参数及焊接要求5 1 3 焊接残余应力。6 1 3 1 焊接残余应力的产生原因与分类。6 1 3 2 焊接残余应力的测试6 1 - 3 3 焊接残余应力的影响因素。7 1 4 焊接残余应力有限元分析8 1 4 1 国外研究现状8 1 4 2 国内研究现状1 0 1 5 本文的研究内容和目标1 2 第二章焊接过程有限元分析理论1 3 2 1 有限元法1 3 2 1 1 有限元法简介1 3 2 1 2 有限元分析步骤1 3 2 2a b a q u s 有限元软件1 5 2 2 1a b a q u s 软件的特点1 5 2 2 2a b a q u s 分析步骤1 7 2 3 焊接过程有限元特点1 7 2 4 焊接热过程的有限元分析理论1 8 2 5 焊接应力场和位移场的基本理论1 9 2 5 1v o nm i s e s 屈服准则2 0 2 5 2 流动准则2 0 2 5 3 强化准则2 0 2 5 4 热弹塑性分析的基本理论2 1 2 6 j 、结2 3 第三章不锈钢复合板补焊残余应力分析2 4 3 1 几何模型2 4 3 2 材料参数2 5 3 3 网格划分。2 6 3 4 边界条件和初始条件2 7 3 5 焊接温度场分析2 7 3 6 焊接残余应力分析j 。2 8 3 7 结果与分析2 9 3 8 小结。3 2 第四章线能量、补焊层数和补焊宽度对焊接残余应力的影响3 3 4 1 线能量的影响3 3 4 2 补焊层数的影响3 6 4 3 补焊宽度的影响4 0 4 4d 、结4 6 第五章补焊长度对焊接残余应力的影响4 8 5 1 有限元建模4 8 5 1 1 几何模型4 8 5 1 2 材料参数4 9 5 1 35 刚各划分4 9 5 1 4 边界条件和初始条件5 0 5 1 5 焊接温度场分析5 0 5 1 6 焊接残余应力分析5 0 5 2 补焊残余应力三维分布5 1 5 3 补焊长度的影响一5 5 5 4 小结5 8 结论与展望6 0 1 主要结论。6 0 2 展望。6 0 参考文献6 2 攻读硕士学位期间取得的学术成果。6 6 致谢6 7 中国杠油人学( 华东) 顾i j 学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 焊接在我国制造业当中占有重要的组成部分，其广泛应用在制造行业中，并且迅速 发展。近年来，由于不断出现的新工艺和高新技术，我国对焊接、材料的技术要求也越 来越高。由于不锈钢复合板具有不锈钢良好的耐腐蚀特性，因此应用于各类行业中。然 而由于镍铬等稀有金属在不锈钢中的含量比较高，镍的价钱近期不断上涨，致使一些含 镍铬比较高的不锈钢价钱不断上涨，比如含镍比较高的3 0 0 系不锈钢i 。尽管很多不锈 钢企业开始大量开发低镍和无镍不锈钢，但不锈钢板仍是高价产品，目前不锈钢板的价 钱大概价位是每吨2 4 万元。不锈钢复合板中只含有1 5 1 6 左右的不锈钢，比不锈钢 板节约镍、铬约7 0 - 8 0 左右，价钱只有不锈钢板的1 3 2 1 ，极大的降低了不锈钢板的 价钱，现已作为不锈钢板的替代材料现已被普遍应用在石油化工、核工业、机械制造、 冶金、造船、建筑等各类行业中。由于不锈钢复合板具有不锈钢的耐腐蚀、耐热、耐氢、 耐磨的特性，并具有不锈钢板无法相比的价钱优势，在目前以能源的合理利用的主题下， 不锈钢复合板自出现以来一直受到人们的重视。 不锈钢复合板是由复层和基层两部分构成，复层一般以不锈钢做材料，来保证复合 板的耐腐蚀、耐热等性能，基层通常以低合金钢或碳素钢做基材，用来满足不锈钢复合 板的力学性能。基层的低合金钢和复层的不锈钢通过爆炸、轧制或者爆炸压制等方法复 合成一体，因此在生产过程中有可能出现未熔合等缺陷。在形成焊接接头的过程中，也 可能会出现裂纹、未熔透、夹渣等两种金属焊接到一起时出现的缺陷。也有一些不锈钢 复合板的复层厚度不均匀，在加工坡口时容易导致复合层剥离不干净，焊接基层时，致 使基层不锈钢熔化，增加焊缝中合金元素，产生裂纹。因而对不锈钢复合板焊接性能的 研究具有重要的应用价值。 不锈钢的基层和复层的焊接材料本身也存在着很大的差异，焊接过程中强烈的稀释 作用，会增加过渡层和复层焊缝中的含碳量，加剧其结晶裂纹倾向。而在焊接熔合区则 由于可能出现的马氏体组织增加致使硬度和脆性增加。与此同时复层的镍含量大大超过 基层的镍含量，于是促使基层的碳含量扩散迁移至复层，致使交界处的焊缝金属区域存 在脱碳层和增碳层，加剧熔合区的脆化或者热影响区的软化。 不锈钢复合板的基层和复层钢材物理性能上也存在较大的差异，一般情况下不锈钢 的导热率比碳钢的导热率小很多，线膨胀系数比碳钢要大的多，它们之问的差值也会随 第一章绪论 温度变化。例如3 0 4 不锈钢在2 0 时的导热率仅为q 3 4 5 r 的2 9 ，4 0 0 * ( 2 时为q 3 4 5 r 的5 1 ，8 0 0 时为q 3 4 5 r 的7 6 ，随温度升高导热率的差值不断减小：3 0 4 不锈钢的 线膨胀系数在2 0 时是q 3 4 5 r 线膨胀系数的2 1 倍，但是随着温度的升高，到8 0 0 时 已是q 3 4 5 r 的1 3 倍，两者的线膨胀系数差距也相应的减小。因此，在焊接过程中，复 合板的复层、基层和过渡层的物理性能差别较大，多次的热循环将会导致焊接接头产生 较大的内应力。与此同时不均匀的加热和冷却过程，也会沿着基层厚度产生很大的残余 应力，在复层表面上形成拉伸应力。这种拉伸应力如果过大，在焊后容易产生裂纹，尤 其是比较明显的微裂纹。 正是由于不锈钢复合板在制造生产、服役与焊接过程中极易产生未融合、气孔、夹 渣、裂纹等缺陷，于是现实中通常采用“补焊 的方法进行修复。而不锈钢复合板在补 焊过程中不可避免产生较大的残余应力，降低其强度和抗腐蚀性能，对结构的完整性产 生很大的影响。因此，研究不锈钢复合板补焊残余应力的分布规律，探讨降低和控制焊 接残余应力措施，对于保证设备的安全运行具有非常重要的意义。本课题就是在此背景 下，通过对不锈钢复合板焊接方法、焊接材料、焊接工艺、坡口设计等方面的研究，全 面总结不锈钢复合板的焊接技术要点。并通过大型有限元软件a b q u s ，建立不锈钢复 合板补焊有限元模型，开发顺次耦合焊接残余应力有限元程序，建立3 0 4 不锈钢复合板。 补焊二维和三维有限元模型，计算模拟不锈钢复合板补焊的焊接温度场和焊接残余应力 场，分析3 0 4 不锈钢复合板补焊残余应力的分布规律，并讨论线能量、补焊层数、补焊 宽度以及补焊长度对补焊残余应力的影响。 1 2 不锈钢复合板的焊接 1 2 1 不锈钢复合板的制造 不锈钢复合板是将基层的母材和复层的不锈钢在高温高压下复合成一体的一种具 有特殊复合性能的材料。常见的工业制造方法有以下三种： ( 1 ) 爆炸复合板：使用爆炸焊接复合加工工艺生产，其原理是将炸药作为能源， 把大面试的基层母材( 一般是低合金钢和碳素钢) 和复层的不锈钢金属焊接成一体。 ( 2 ) 轧制复合板：轧制复合法分为冷轧和热轧两种方法。轧制生产不锈钢复合板 的原理是，在轧机的强大压力下，使基层母材和复层不锈钢表面破碎，并在整个金属截 面内塑性变形，然后再次在强大的轧机压力下，将已破碎的金属表面冶金结合成平面状。 ( 3 ) 爆炸复合一轧制复合板1 3 】：先通过爆炸复合板取得板的厚度，再通过热轧或冷 轧的方法轧制成不同要求和条件下的不锈钢复合板。这是以后不锈钢复合板制造的重要 2 中国石油人学( 牛东) 硕i ：学位论文 方法。 1 2 2 不锈钢复合板焊接特点 不锈钢复合板的焊接特点是需要对基层母材、复层材料以及基层与复层之间的过渡 层分开进行焊接。这是由于不锈钢复合板的复层材料和基层母材的物理性能、化学成分 等存在很大的差异，在焊接热过程中为了避免各材料失去其原有的性能，造成裂纹、未 熔合、夹渣的现象【4 】，因此需要对基层和复层分开进行焊接，以及基层与复层的交接处， 即过渡层的焊接。其中，过渡层的焊接是不锈钢复合板焊接的关键。 1 2 3 不锈钢复合板焊接存在的问题 因为不锈钢复合板是由基层的低合金钢和复层的不锈钢通过爆炸、轧制或者爆炸压 制等方法复合成一体，因此进行不锈钢复合板焊接的时候可能会发生以下的状况： ( i ) 稀释焊缝金属。由于复层的不锈钢材料中含有大量的镍、铬等金属，而这些 稀有金属并不在基层的低合金钢中存在，因此在焊接过程中就会导致复层中的碳的含量 的增加，镍、铬等稀有金属的含量减少，增加焊缝金属中的马氏体淬硬组织，从而导致 裂纹的产生，恶化接头质量。因此在焊接不锈钢的过渡层时，应选用高镍高铬的填充材 料，采用适当的焊接工艺，减少焊缝稀有金属的稀释【5 0 j 。 ( 2 ) 基层金属脆化和硬化。在焊接过程中，不锈钢复合板复层中的镍、铬的含量 降低，将会影响复层的耐腐蚀性，而基层的碳的含量也会由于流动到复层而减小，从而 导致基层金属焊缝的脆化和硬化，产生裂纹。 ( 3 ) 焊接接头高热应力。由于不锈钢的线膨胀系数大，热导率小，在高温焊接下 产生热应力。而焊接过程中的温度不断发生变化，其焊接接头内产生较大残余应力，可 能会形成热疲劳裂纹。 ( 4 ) 产生扩散层。不锈钢中合金元素含量较高，而基层材料中碳含量较高，在焊 接过程中，基层和复层的合金含量和碳含量在熔合线两侧形成浓度差，基层碳钢中的碳 会向复层的不锈钢焊缝中扩散，于是在熔合线不锈钢焊缝一侧形成增碳层，在碳钢一侧 形成脱碳层。随着焊接温度的增加和时间的滞留，扩散层不断增加，而熔合线两侧的材 料性能较大差距，可能会造成接头受力应力集中。所以扩散层是不锈钢复合板焊接的一 个薄弱环节。 1 2 4 焊接方法及焊接材料的选择 不锈钢复合板的焊接时，复层和过渡层通常采用焊条电弧焊，基层的焊接使用电弧 3 第一章绪论 焊。而对于直径和厚度较大的不锈钢复合板焊接时，基层有时也采用埋弧焊，这是由于 埋弧焊具有高效率的生产、较好的焊缝质量、表面成形美观，以及劳动条件好、节约材 料等优点。基层和复层的焊接材料尽量选用与其性能相匹配的焊材，过渡层的焊接材料 最好选用高镍高铬的填充材料【5 1 ，以保证基层母材和复层材料及焊缝之间良好结合，提 高焊接质量。 1 2 5 坡口设计及焊接顺序 合理选择不锈钢复合板焊接坡口设计，可以减少过渡层稀有金属的稀释。坡口选择 应遵循尽量减少复层焊缝金属稀释的原则，即减小熔合比，减少马氏体组织，避免产生 冷裂纹。选择坡口形式时应尽量减少复层一侧的焊接量，提高不锈钢复合板焊接质量。 常用的不锈钢坡v 1 形式有x 形对称坡口和v 形坡口【5 1 1 。在焊接时，最好在距复层往下 1 5 2 5 m m 处，预先除掉复层和相邻的基层材料，刨出一个3 5 m m 宽的台阶( 见图1 1 、 1 2 ) ，这样焊接时只要填满基层缺口，就可以满足基层焊缝的厚度，同时也避免焊接基 层时融化复层材料。 、壶兰 l 图1 - 1 复层剥离的v 型坡口 f i 9 1 - 1v - s h a p e dg r o o v eo fl a y e rs t r i p p i n g 一、 与温度有关的向量； p 卜- 弹性或塑性矩阵。 在弹性区，假设材料屈服条件为： d 卜= d ) 。 ( 2 1 0 ) c ) l c 卜川 口) + 等斜) ( 2 - 2 1 第一二章焊接过程自限冗分析理论 在塑性区，设材料屈服条件为 ，p ) = f o ( e ，t ) ( 2 1 2 ) 式中 ，一屈服函数； 厶一与塑性应变和温度有关的屈服应力的函数。 依据塑性流动法则，塑性应变量似s 口】的表达式如下 雄卜a 吾 ( 2 - 1 3 ) ( 2 ) 平衡方程 对于分析结构中的某一单元，平衡方程为： c 坍 。+ 积 。一【k 】。 d 6 ) 。 ( 2 - 1 4 ) 式中 d f y - - 单元节点的增量； d r y - - 温度引起的单元初应变等效节点增量： k 】。一单元刚度矩阵； d 6 y - - 节点位移增量。 其中，隧】。- f i b r p 】陋p y ， 积) 。；j i 曰】 c m t d v ，式中陋】为联系单元中应变与 节点位移向量的矩阵。 依据单元所处的区域( 弹性或塑性区) ，把上式中的【d 】、【c 】分别用p 】一【c 】。代 替，形成单元刚度矩阵和等效节点载荷，并集成总载荷向量舻】- 和总刚度矩阵瞵】，可 以求得整个构件的平衡方程组，即 陋】似6 一 d f 】 ( 2 1 5 ) 式中陋】= f k 】。 舻 | ( 舻) 。+ 姗。) 。 由于在焊接过程中，通常无外力作用，所以环绕每个节点的单元相应节点力是自相 平衡的力系，即取( 扭 。一o ，得到 卵) = x d r 。 ( 3 ) 求解方程 热弹塑性有限元分析求解过程为：先将构件划分成有限个单元，把由温度场算出的 计算结果作为预定义场，并逐步加上温度增量。每次加载温度增量，由】似6 】一 d f 求 得各节点的位移增量似6 ，。每个单元内的单元位移增量弘6 ) 。和应变增量弘g ) 。的关系式 本文所使用的a b a q u s 有限元软件，阐述了焊接过程的有限元特点，总结有关焊接焊 接热过程的分析理论和焊接应力场和位移场的基本理论。 第三章小锈钢复合板补焊残余应力分析 第三章不锈钢复合板补焊残余应力分析 借助有限元分析思路，利用大型有限元软件a b a q u s ，建立不锈钢复合板补焊残 余应力的模型，开发顺次耦合焊接残余应力有限元分析程序。其中，有限元中耦合场的 分析是指考虑两种以上的工程学科物理场( 比如温度场和应力场、温度场和电磁场等) 之间的相互影响以及交叉作用产生的耦合。 本文中建立模型所使用的顺次耦合，是温度场和应力场之间的耦合，把温度场分析 结果作为应力场分析预定义场，本模型中焊接温度场对焊接残余应力的影响较大，而焊 接应力场对温度场的影响较小，其流程如图3 - 1 所示。具体过程为，先进行热分析，输 出各点温度场计算的结算到结果文件，并作为应力分析的预分析场，在应力分析过程中， 从预定义场中读取各节点的温度，然后进行差值计算。此过程中，热分析和应力分析使 用相同的节点和单元。利用单元生死技术( e l e m e n tb i r t ht e c h n i q u e ) 来实现焊缝金属的 形成，所谓单元的生死技术，即一开始进行计算时，焊缝处的所有单元都死单元，当进 行补焊时，单元被激活，也就是由死转为生的状态。 图3 - 1 顺次耦合数据流程图 f i 9 3 1t h ed a t af l o wd i a g r a mo fs e q u e n t i a lc o u p l i n g 3 1 几何模型 不锈钢复合板复层材料和基层材料分别采用3 0 4 不锈钢和q 3 4 5 r 钢材，复层厚度 为3 m m ，基层厚度为1 7 r a m ，挖掉不锈钢复合板复合层出现的缺陷，并进行补焊。补焊 坡口角度采用3 0 。，补焊宽度和深度分别采用8 m m 和4 m m 。图3 2 给出了不锈钢复合 板补焊的几何模型。 中国杠油人学( 华东) 硕l ：学位论义 图3 - 2 不锈钢复合板补焊几何模型 f i 9 3 - 2g e o m e t r ym o d e lo fs t a i n l e s ss t e e lc l a dp l a t ei nr e p a i rw e l d 3 2 材料参数 建立本文中所使用的3 0 4 不锈钢复合板有限元模型所使用材料的具体物理性能和力 学性能表，见表3 1 。 表3 - 1 材料的力学性能 t a b l e 3 - 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a l 基层材料采用q 3 4 5 r 钢材，复层材料采用3 0 4 不锈钢，假设焊材与3 0 4 不锈钢材 料相同。材料热力学性能与温度相关，并且假定材料在高温状态下物理性能( 熔点以上) 保持不变，具体物理性能和力学性能见上表3 - 1 。 3 3 网格划分 a b a q u s c a e 的网格划分方法与其他前处理器有较大的区别，m e s h 功能模块强 大，可以通过布置种子控制网格质量，设置单元形状、类型、网格划分技术和算法，划 分网格并检验网格质量，通过改变种子、分割( p a r t i t i o n ) 等方法控制单元大小，改善 网格质量，并将已划分的网格的装配件或实体保存为网格部件。 每个单元类型都具备其优点和缺点，有其特定的使用场合，没有一种完美的单元类 型可以不受限制合适各种问题。因此在网格划分步骤中，合理选择划分网格的单元类型 不仅对于分析结果的正确性和精确性有直接且重要的影响，而且还确定了分析问题所处 的物理环境。对于二维问题，可供选择的单元类型包括q u a d ( 完全使用四边单元) 、 q u a d d o m i n a t e d ( 主要使用四边形单元，过渡区域允许出现三角形单元) 、t r i ( 完全使 用三角形单元) 。对于三维问题，采用的单元形状有h e x ( 完全使用六面体单元) 、h e x d o m i n a t e d ( 主要使用六面体单元，过渡区域允许出现楔形单元) 、t e t ( 完全使用四面体 单元) 和w e d g e ( 完全使用楔形单元) 四种。由于q u a d 单元和h e x 单元使用较小的计 算代价得到较高的精度，因此网格划分中应尽可能采用这两种单元。 对于本文所研究的不锈钢复合板补焊残余应力结构进行网格划分时，应根据实际情 况划分不同的网格密度。首先在最值得关注的焊接接头附近区域，网格划分需要密实一 点，便于分析研究此区域的应力应变过程。其次对于远离焊接接头区域，为了方便计算， 网格划分较稀疏即可f 4 9 1 。本文所建模型为二维模型，在温度场采用d c 2 d 4 ( 4 节点二维 四边形单元) 的单元类型，在应力场使用c p e 4 ( 4 节点四边形平面应变单元) 单元类 型。其中，在不锈钢复合板补焊残余应力有限元分析中，热分析和例分析过程中使用相 同的单元和节点。图3 3 为不锈钢复合板补焊的网格划分图，共划分了2 0 2 2 个单元和 2 1 4 4 个节点。 中图石油人学( 乍东) 硕i ：学位论义 t | | t lt|，l、lllllf ，itll|f i llii，r | i | ttl i|口 f t l a 。 ，il 、 k 、 ， 、 ，f | tt|fj，上，上 ，fttllt|ll|tjfll 、 tlllll，ltl|lf i ，f | lll l i ll ll一 ffi | l 、 ，ll1il li 上 i，fl n rktll|fillt|l|， f ，fllll|ftlj，lll 、 ，、 1 r，、 图3 - 3 网格划分 f i 9 3 - 3f i n i t ee l e m e n tm e s h i n g 3 4 边界条件和初始条件 在本文的不锈钢复合板补焊残余应力a b a q u s 有限元分析中，边界条件和初始条 件从以下几个方面考虑： ( 1 ) 位移边界条件。在进行应力场的分析时，为了防止在计算过程中产生刚性位 移，约束其在基材底部两端两点的所有自由度，以达到限制焊件刚性移动的目标。 ( 2 ) 温度边界条件。也称为第一类边界条件。由于补焊过程在室内完成，考虑到 室内温度为2 0 ，故设初始温度为2 0 。 ( 3 ) 热对流边界条件。也称为第三类边界条件。在焊接过程中，不锈钢复合板与 周围的空气进行换热交换，加上第三类边界条件使模拟焊接过程更加真实。此处采取对 流系数为1 0 w m 2 k 。 ( 3 ) 热辐射边界条件。考虑到焊接时，焊板不仅与空气进行热交换，还有热辐射 的现象，因此需要加上热辐射边界条件，就算焊件与周围环境的热交换。此处设辐射发 射率为0 8 5 。 3 5 焊接温度场分析 在本文的模型中，分析焊接温度场时，采用手工电弧焊的焊接方法，使用1 5 5 a 的 电流，2 6 v 的电压，以2 m m s 的速度进行焊接。不锈钢复合板焊缝每层的焊两道，一共 焊两层( 见图3 2 ) 。 加载时采用内生热源模拟焊接加热过程，即模拟过程中假设焊接热元是焊缝处的单 第三市f i 锈钢复合板补焊残余j 衄力分析 元的内部热生成。当焊缝上加入了所有焊接热能后，内部热生成即停止。由于内生热率 等于等于电弧热有效率除以其所作用单元体积，故内生热流密度的计算公式如下： d f l u x ；幽 y 式中d f l ( ，肛删流密度 ( 7 r 一一电压 卜一电流 胪坤缝体积 ，r 电弧热效率，此时取电弧热效率1 1 为o 7 。 由于计算线能量的公式为 ( 3 1 ) q ；尘生 ( 3 2 ) 根据以上的式( 3 1 ) 和( 3 2 ) ，可以得到热流密度的计算公式 d f l u x = 譬 协3 ) 输出各点温度场计算结果，并把此结果文件作为应力分析的预分析场。 3 6 焊接残余应力分析 在计算不锈钢复合板补焊残余应力的分析中，需要将热分析的温度场中读取的各节 点的温度，作为“体载荷 施加到应力分析中进行插值计算。而对于本文中的复合板补 焊模拟过程中，基层的0 3 4 5 r 钢和复层韵3 0 4 不锈钢不发生相变，所以，补焊中所产 生的总应变可表示为下式 e 。= e p - i - e p 1 - 量捃 ( 3 一4 ) = 。 ， 占( ) 式中p 弹性应变 量p 塑性应变 善坫- 热应变。 其中，弹性应变参e 根据胡克定律进行计算，计算中所需要的弹性模量与温度和泊 松比有较大的关系；塑性应变量p 应服从线型随动强化模型以及m i s e s s 准则( 具体见第 中因彳i 油人学( 仁东) 硕 ：学位论文 二章2 5 的相关介绍) ，屈服强度与温度有关；热应变”由热膨胀系数计算，而热膨胀 系数与温度有较大的相关性。 3 7 结果与分析 沿垂直于焊缝方向( 沿x 方向) 的应力为横向应力，本文中用$ 1 1 表示；沿厚度方 向( 沿y 方向) 的应力定义为厚度残余应力，本文中用$ 2 2 表示；把平行于焊缝方向( 沿 z 方向) 的应力定义为纵向应力，本文中用$ 3 3 表示。由于本模型中焊缝厚度较小，补 焊深度仅为4 r a m ，厚度残余应力很小，对不锈钢复合板结构的影响也较小，因此在本 文中忽略厚度残余应力$ 2 2 的影响，着重分析横向残余应力s l l 和纵向残余应力$ 3 3 ， 并考虑其分布对本文结构的影响。 图3 4 、3 5 为不锈钢复合板表面补焊残余应力的横向应力和纵向应力分布云图。 ( a ) s 1 i m p a + 199 + 143 + 87 1 + 31 0 25 2 81 4 138 19 4 25o ( b ) $ 3 3 m p a + 386 + 326 + 266 + 2o6 + 146 + 85 6 + 25 6 34 5 94 6 图3 4 横向应力s 1 1 分布云图 f i 9 3 - 4t h es t r e s sc o n t o u ro f t r a n s v e r s es t r e s ss l l 图3 - 5 纵向应力$ 3 3 分布云图 f i 9 3 - 5t h e s t r e s sc o n t o u ro fl o n g i t u d i n a ls t r e s s $ 3 3 从图3 4 的横向应力分布云图中可得知，在复合板复材的热影响区，横向应力s l l 第三章1 i 锈俐复合板补焊残余应力分析 最大值达1 9 9 m p a 。在基材的底部有较大的横向应力，约1 6 0 m p a ，这是因为在复合板 的补焊过程中，复合板基层的q 3 4 5 r 板材，由于焊缝的收缩发生弯曲变形，并产生相 对较大的弯曲应力。基层材料由于焊缝收缩而产生的弯曲图由图3 - 6 的弯曲变形图看出。 从图3 5 的纵向应力分布云图中可知，在基材的热影响区，纵向应力$ 3 3 达到最大 值，其值为3 8 6 m p a 。纵向应力值在焊缝区为2 2 0 m p a 左右，其值已达到屈服应力值。 u ，m a g n i t u d e 图3 6 焊接变形图 f i 9 3 - 6w e l d i n gd e f o r m a t i o n 复合板焊接过程中，基层材料由于温度的剧烈变化致使焊缝收缩，产生弯曲变形等 焊接变形，其焊接变形图见图3 - 6 。 宙 正 邑 r 毯 距离( m m ) 3 7 焊缝表层残余应力分布 f i 9 3 - 7d i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s si nw e l ds u r f a c e 把有限元模拟得出的横向应力s l l 和纵向应力$ 3 3 两个方向的焊接焊缝表面残余应 力值为纵坐标，并以距离焊缝的距离为横坐标，作出焊缝表层的焊接残余应分布，见图 中国石油人学( 华东) 硕二 二学位论文 3 7 。由图3 7 可知，在焊缝表层，横向应力最大值位于热影响区，纵向应力在焊缝和热 影响区就已经达到屈服应力。在远离焊缝和热影响区的地方，应力逐渐降低。 为了得到更精确的残余应力值，导出不同路径上的不同点等效焊接残余应力进行分 析。本文在焊缝上分别选取沿焊缝中心线p 1 和焊缝热影响区p 2 两条关键路径进行分析 ( 路径p 1 、p 2 见图3 3 ) 。 图3 8 为沿焊缝中心线的p 1 路径的横向应力和纵向应力两个方向的补焊残余应力 的大小及分布。由图3 8 可知，横向应力s l l 沿着焊缝厚度方向不断增加，横向应力值 最大可达1 8 0 m p a 。而平行于焊缝方向的纵向应力$ 3 3 并不随着焊缝厚度的增加而增加， 其值持续在2 3 0 m p a 左右。 距离( m m ) 3 - 8 焊缝中心的残余应力分布 f i 9 3 - 8d i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s si nw e l dc e n t e r 图3 - 9 给出了焊缝热影响区p 2 路径的横向和纵向两个方向的补焊残余应力的大小 及分布。由图3 - 9 可知，横向应力$ 1 1 和纵向应力$ 3 3 在3 r a m 处发生急剧变化。这是 由于基层材料和复层材料的强度不匹配，热影响区在这两个部分的应力在基层