（机械设计及理论专业论文）2205双相不锈钢焊接残余应力与收缩变形研究.pdf

摘要 双相不锈钢是指其固淬组织中奥氏体相和铁素体相各占一半，一般最少相的 含量也要达到3 0 的一类钢。双相不锈钢兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优 点，具有耐氯化物腐蚀、耐孔蚀、耐应力腐蚀等突出特点。近年来在石油化工、 近海工程、特种船舶建造等领域不断推广应用，大有取代奥氏体不锈钢的发展趋 势。 双相不锈钢能否成功的应用关键在于焊接，由于焊接生产中绝大部分都采用 局部加热的方法，所以不可避免地产生应力和变形。焊接应力和变形不但能引起 热裂纹、冷裂纹等工艺缺陷，还在一定程度上影响焊件的强度、刚度。此外，焊 接应力和变形还会影响到焊件的加工精度和尺寸稳定性。残余应力是影响焊接结 构强度和性能的重要指标，收缩变形量可用于确定焊接工艺中正确的焊接余量。 因此，准确地预测焊接结构的残余应力和变形的大小是迫切需要解决的重要课题。 论文以重庆市科委重大科技攻关计划项目“特种船舶焊接技术研究 ( c s t s 2 0 0 8 a b 3 0 3 3 ) ”为背景，探讨了双相不锈钢的主要特性及其在特种船舶制 造中的重要意义，综述了双相不锈钢焊接应力和变形的国内外研究动态。以2 2 0 5 双相不锈钢平板焊接为例，在大型有限元软件a n s y s 中实现了焊接过程的动态模 拟计算，分析了焊接温度场和应力场的特点，得到了焊接残余应力的分布规律。 在国营川东造船厂进行了2 2 0 5 双相不锈钢平板焊接的试验，测试了焊接收缩变形 和残余应力的大小，并和模拟计算值进行比较，验证了模拟计算的正确性和可行 性。在大量的焊接试验数据的基础上，分别采用多元线性回归、b p 神经网络、支 持向量机( s v m ) 等多种数学方法建立了2 2 0 5 双相不锈钢最大焊接残余应力和收 缩变形的预测模型。这对2 2 0 5 双相不锈钢焊接工艺规程的制定、提高焊接质量具 有指导作用，为2 2 0 5 双相不锈钢在特种船舶制造中的推广应用有着重要的指导意 义。 关键词：双相不锈钢；有限元；数值模拟；残余应力；预测模型 a b s t r a c t d u p l e xs t a i n l e s ss t e e li s ak i n do fs t e e lw h i c hh a st h eo r g a n i z a t i o no fh a i f s o l i d q u e n c h i n ga u s t e n i t ep h a s ea n dh a l ff e r r i t ep h a s e ，a n di ng e n e r a lt h el e a s tc o n t e n ti s am i n i m u mo f3 0 d u p l e xs t a i n l e s ss t e e lh a st h ea d v a n t a g e so fb o ma u s t e n i t i c s t a i n l e s ss t e e la n df e r r i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，w h i c hh a st h es a l i e n tf e a t u r e so fr e s i s t a n c et o c h l o r i d ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，p i t t i n gr e s i s t a n c e ，s t r e s sc o r r o s i o na n do t h e r s i nr e c e n t y e a r s ，i th a sb e e nw i d e l yu s e dm o r ea n dm o r ei nt h ep e t r o l e u mc h e m i c a li n d u s t r y , o f f s h o r ee n g i n e e r i n g ，s h i pc o n s t r u c t i o na n do t h e ra r e a s ，w i t hag r e a tt r e n dt or e p l a c et h e a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l 1 1 1 ek e yt ot h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fd u p l e xs t a i n l e s ss t e e li sw e l d i n g d u et o t h ev a s tm a j o r i t yw e l d i n gp r o d u c t i o nu s i n gal o c a lh e a t i n gm e t h o d ，i tw i l li n e v i t a b l y c a u s es t r e s sa n dd e f o r m a t i o n w e l d i n gs t r e s sa n dd e f o r m a t i o nn o to n l yc a nl e a dt oh o t c r a c k i n go rc o l dc r a c k i n gp r o c e s sd e f e c t s ，b u ta l s oa f f e c tt h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so f w e l d m e n t st oac e r t a i ne x t e n t i na d d i t i o n , t h ew e l d i n gs t r e s sa n dd e f o r m a t i o na l s o a f f e c tt h em a c h i n i n gp r e c i s i o no fw e l d m e n t sa n dd i m e n s i o n a ls t a b i l i t y w e l d i n gr e s i d u a l s t r e s si sa ni m p o r t a n ti n d i c a t o rw h i c ha f f e c t st h es t r u c t u r a ls t r e n g t ha n dp e r f o r m a n c e ， a n dt h ea m o u n to fs h r i n k a g ed e f o r m a t i o nc a nb eu s e dt od e t e r m i n et h ec o r r e c tw e l d i n g p r o c e s sw e l d i n gm a r g i n t h e r e f o r e ，s e t t i n gu pa na c c u r a t ep r e d i c t i o no fw e l d i n gr e s i d u a l s t r e s sa n dd e f o r m a t i o no ft h ew e l d i n gs t r u c t u r ei sa l li m p o r t a n ti s s u ew h i c hi su r g e n t l y n e e d e dt os o l v e w i t ht h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c tf r o mc h o n g q i n gs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c o m m i s s i o nw h i c hi sc a l l e dt h e ”r e s e a r c ho ns p e c i a ls h i p p i n gw e l d i n gt e c h n o l o g y ( c s t s 2 0 0 8 a b 3 0 3 3 ) ”，t h em a i nf e a t u r e so fd u p l e xs t a i n l e s ss t e e la n di t ss i g n i f i c a n c eo f t h ea p p l i c a t i o ni nt h em a n u f a c t u r eo ft h es p e c i a ls h i ph a v eb e e nd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , w i t l la no v e r v i e wo fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hd y n a m i c so nw e l d i n gs t r e s s a n dd e f o r m a t i o no fd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l t a k i n gd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l2 2 0 5p l a t e w e l d i n gf o r a ne x a m p l e ，ad y n a m i cs i m u l a t i o no fw e l d i n gp r o c e s sh a sb e e na c h i e v e di n t h el a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，a n a l y s i so fa n dw e l d i n gt e m p e r a t u r e f i e l da n ds t r e s sf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e na n a l y z e d ，a n di n t h el a s tt h eo f d i s t r i b u t i o nw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sh a sb e e na c q u i r e d t h ed u p l e xs t a i n l e s s2 2 0 5s t e e l p l a t ew e l d i n ge x p e r i m e n th a sb e e nc o n d u c t e di nt h es t a t e r u ns h i p y a r dc h u a n d o n gt o t e s tt h ew e l d i n gd e f o r m a t i o na n dr e s i d u a ls t r e s ss h r i n kt h es i z e ，a n dc o m p a r e dt h e c a l c u l a t e dv a l u e sa n ds i m u l a t i o nt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo fs i m u l a t i o n b a s e do nal a r g en u m b e ro fw e l d i n g ，p r e d i c t i o nm o d e l sa b o u tt h em o s tr e s i d u a ls t r e s s a n ds h r i n k a g ed e f o r m a t i o no f d u p l e xs t a i n l e s s s t e e l2 2 0 5 w e l d i n gh a v e b e e n r e s p e c t i v e l ye s t a b l i s h e d ，u s i n gav a r i e t yo fm a t h e m a t i c a lm e t h o d s ，s u c h 勰m u l t i p l e l i n e a rr e g r e s s i o n ，b pn e u r a ln e t w o r k sa n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) ，w h i c hh a sa g u i d i n gr o l ef o rd u p l e xs t a i n l e s ss t e e l2 2 0 5w e l d i n gp r o c e s ss p e c i f i c a t i o nd e v e l o p m e n t a n di m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fw e l d i n g ，a n dw h i c hh a sa ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o r p r o m o t i o na n da p p l i c a t i o no ft h ed u p l e xs t a i n l e s ss t e e l2 2 0 5i nt h em a n u f a c t u r eo f s p e c i a ls h i p k e yw o r d s ：d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； r e s i d u a ls t r e s s ；p r e d i c t i o nm o d e l i i i 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：召f 色日期：2 叫a 年午月召日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 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。 本人授权重庆交通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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行 信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留 在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：五础岂 日期：为卢年年月72 日 指导教师签名： 日期：年月日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 日系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：善孑f 已 日期：w f d 年4 月1 8 日 指导教师签名： 日期：年月日 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 焊接技术作为钢结构三大连接( 焊接、栓接、铆接) 中最主要的连接手段，因其 不削弱构件截面的特点，成为了钢构件、金属加工中理想的连接方式。焊接构件 具有结构形式合理、结构强度高、焊接接头的不渗透性好、投资省、劳动条件好、 生产率高等优越之处。传统的奥氏体不锈钢在晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀和缝 隙腐蚀等局部腐蚀方面的抗力不足，尤其是应力腐蚀引起的断裂，其危害性极大。 为解决一般奥氏体不锈钢这些性能的不足，研制开发了双相不锈钢。 双相不锈钢( d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l s ，简称d s s ) 发明于2 0 世纪2 0 年代，但由 于存在材料、焊接等问题，一直没有大规模应用。2 0 世纪7 0 年代，随着冶金技术 进步和对氮元素对不锈钢重要作用的认识，开发了第二代新型的含氮双相不锈钢， 材料的焊接性得到改善，使双相不锈钢在国外大量应用。2 0 世纪9 0 年代开始国内 也逐步大量使用【l 】，双相不锈钢具有优良的综合性能，如高强度、高抗疲劳强度、 低温高韧性、耐孔蚀性、对应力腐蚀裂纹不敏感等，在一5 0 2 8 0 0 c 范围内常常具 有优良的力学性能、焊接性能和有竞争力的价格因素【2 】。因此，d s s 的应用发展十 分迅速，大有取代奥氏体不锈钢的发展趋势。最初广泛用于天然气和石油管道、 热交换器、压力容器和造纸工业中，近年来在一般民用工程和能源交通方面也逐 步得到应用。其中焊接件和焊接结构的应用尤其广泛，比如在石油管道、海洋平 台和造船等行业。 双相不锈钢在特种船舶制造中用广泛，使用双相不锈钢建造的化学品船防腐 能力非常强，可以承载的化学品种类高达几百种【4 2 1 ，载货船舱不必刷油漆，各舱 装载的化学品不易相互渗透，船舶安全大大提高。若使用碳钢建造，只能装载几 十种化学品，需要在使用一段后不断刷补舱内油漆，船东后期维护费用高。 船体结构是一种典型的焊接结构。据统计，现代造船中焊接工作量在整个船 体建造总工作量中占相当大的比例，焊接的质量和生产效率直接影响到船体的建 造周期、成本和使用性能。对船体钢板比较薄的船舶来说，焊接引起的变形更为 严重，这将会给船体装配、主辅机系统的安装带来极大困难，甚至达不到质量检 验要求1 3 】。因而在船舶设计中运用正确的焊接工艺参数、合理的焊接方法和预测程 序，来减少焊接缺陷，控制与矫正施工中的焊接变形就显得尤为重要。只有这样 才能提高焊接质量和外形美观的度，并且实现装配工作中的无余量装配。而目前 我国造船厂对焊接变形的控制主要是凭借经验或者利用一些由实验数据统计总结 出来的简单公式，这样难以达到装配工艺要求的精度和性能。在分段合拢时，往 2第一章绪论 往需要花费大量的时间进行矫正和铲割工作，有时甚至因无法矫正到合格标准而 使整个结构报废。另外，焊接变形还会引起舱壁和外( 壳) 板的凹凸变形，使船体结 构强度降低。 特别地，对于某些化学品船使用的双相不锈钢内舱壁，其焊接变形远较碳钢 为大，而且双相不锈钢焊接成型后，不能再用热加工的方法进行矫形。为了满足 加工精度，工程上广泛使用的技术是预留反变形技术，这就要求在施工之前准确 进行焊接变形量的预测，掌握焊接残余应力的分布规律。在船舶设计和零部件加 工中就加以合理而严格地控制焊接残余应力和变形，这对提高焊接质量、保证船 体强度和提高生产效率很有必要，对增强我国制造业的国际竞争力具有重要的现 实和长远意义。 总之，双相不锈钢能否成功的应用关键在于焊接，由于焊接生产中绝大部分 都采用局部加热的方法，所以不可避免地产生应力和变形。焊接应力和变形不但 能引起热裂纹、冷裂纹等工艺缺陷，还在一定程度上影响焊件的强度、刚度。残 余应力是影响焊接结构强度和性能的重要指标，收缩变形量可用于确定焊接工艺 中正确的装备余量。此外，焊接应力和变形还会影响到焊件的加工精度和尺寸稳 定性。因而准确地预测焊接结构的残余应力和变形的大小是迫切需要解决的重要 课题。 1 2 本课题研究的国内外动态 1 2 1 焊接应力和变形的研究动态 焊接应力和变形分析早在二十世纪3 0 年代就已开始，但多为经验性的：直到 二十世纪7 0 年代初期大致奠定了焊接残余应力和变形理论的基础。但是，在研究 过程中，数据获取只能通过试验手段，这样不但会增加成本，费时费力，还要受 到许多条件饷限制，结果数据误差也会很大。多年来，各国学者都对此进行了大 量的研究，主要采用数值分析的方法来研究焊接应力与应变规律，包括焊接时动 态的应力应变过程、焊接残余应力和残余应变、拘束度和拘束应力以及应力消除 处理等。二十世纪7 0 年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元法为基础，对各相 异性材料提出了考虑材料机械性能与温度有关的热弹塑性分析理论，导出了分析 所需要的各中表达式，从而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能【l o 】。 到了8 0 年代，瑞典的j k a r l s s o n 等分析了大板拼接的焊接变形和应力；法国的 j b l e b l o n d 对相变时钢的塑性行为进行了理论和数值模拟研究，并在此基础上发 展了s y s w e l d 焊接专用软件 姗。9 0 年代，加拿大的j g o l d a k 等对从熔点到室温 时的焊接应力进行了分析，提出了各个温度段的材料的本构方程【1 4 l 。 国内对焊接应力和变形的分析起步于二十世纪7 0 年代，首先是西安交通大学 第一章绪论 3 的楼志文等人把数值分析应用到焊接温度场和热弹塑性应力场的分析中，编制了 有限元分析程序【1 5 1 。上海交通大学焊接教研室在开发二维平面变形和轴对称的焊 接热弹塑性有限元分析程序后，成功地将其用于薄板、厚板和管子等焊接应力分 析方面；在与日本大阪大学合作进行焊接温度场分析的同时，对三维焊接应力和 变形问题也进行了共同研究，取得了不错的成果，并且已经应用到实际生产中1 1 6 1 。 近几年来，科研工作者们在薄板焊接失稳变形的研究也取得了进展，同时提出了 预测焊接变形的残余塑变法。河北科技大学的闰俊霞【4 】等人运用有限元方法，对大 型客车车身薄板结构焊接时采用的电铆焊、连续焊、断续焊及塞焊的残余应力进 行了热一弹塑性数值模拟，分析了连续焊缝、电铆焊和塞焊残余应力分布特点。 清华大学的岳红杰【5 】等人研究了焊后冷碾压工艺对铝合金薄板焊接残余应力分布 的影响以及矫正焊接变形的效果。以上这些研究主要针对低碳钢，而对于双相不 锈钢的焊接残余应力和变形却很少研究。 1 2 2 双相不锈钢焊接的研究动态 双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半( 一般量少相的 含量至少要超过3 0 ) ，由于具有两相组织的特点，通过正确控制化学成分和热处理 工艺，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。双相不锈钢的应 用在我国多集中在石油和化工行业，在造船行业用于化学品船液货舱的制造尚属 首次，在国外也只有西欧几个发达国家建造过类似的化学品船，由于其用量大、 焊接量大，建造能否成功主要取决于焊接技术的成熟。 在国外方面，美国于1 9 9 2 年和1 9 9 3 年首次在焊接材料标准中列入d s s 焊条 和焊丝，而且均仅有2 个型号：a w sa 5 仁1 9 9 2 和a w sa 5 9 - - 1 9 9 3 。在焊接 工艺方面，s i e u r i nh e m i k 等人【1 9 】的研究表明，采用合理工艺参数的s a w 方法得到 d s s ( 2 2 0 5 ) 的焊件，焊后经过空冷可得到满意的两相比，而且没有脆性金属间沉淀 物的析出。m u t h u p a n d iv 等人【2 0 】在电子束焊焊接d s s 中，快速冷却不仅减少而且 改变了3 种奥氏体形态的比例，使得晶内组织的成形范围要大于晶界组织。电子 束焊焊接d s s 可以得到富镍的焊接接头，具有实际应用的价值，但是其具体的工 艺参数还不成熟。在焊接接头性能的研究方面，l i o uh o m g - - y i h 等人1 2 l j 研究发现， 不合理的两相比例会促进铬的氮化物( c r e n ) 、二次奥氏体等有害相的形成，这些有 害相集中的区域通常易形成点蚀，使得d s s 的耐腐蚀性能降低。另外，冷却速度 还对点蚀有影响，故需合理控制冷却速度。 目前国内尚未制定d s s 的相关国家标准，对于双相不锈钢焊的研究只是在起步 阶段，并且主要集中在其焊接工艺，焊接冶金，焊接接头性能等方面的研究。东 方汽轮机厂的谭小平【6 l 在分析双相不锈钢的成分、组织和性能，焊接冶金以及焊接 4第一章绪论 性问题的基础上，提出双相不锈钢的焊接工艺要点，对实际焊接的运用有一定作 用，但缺少必要的理论分析。太原理工大学的申艳丽【7 】采用等离子弧焊，研究了 2 0 2 5 双相不锈钢的焊接性，并对焊后固溶处理与未进行固溶处理的焊件组织特 征、力学性能及抗腐蚀性进行了比较，研究了不同焊接热输入和固溶处理工艺对 焊接接头综合性能的影响，但缺乏对残余应力和变形规律的研究。天津大学的金 晓军等人【1 8 】对s a f 2 2 0 5 双相不锈钢管道接头环焊缝残余应力进行有限元数值模 拟，得到了内外表面残余应力的分布规律，并研究了不同的焊接线能量、管内径 与壁厚比值和多层焊对焊接残余应力的影响，但只是模拟计算缺乏实验验证，研 究对象也仅限于管道结构。 1 3 本文研究的主要内容 针对目前研究现状，由于前人对于焊接变形的研究均着眼于常用的低碳钢或 者金属合金，作为新型的造船材料双相不锈钢在焊接变形规律方面的研究较少。 近几年虽然有不少论文对双相不锈钢的焊接问题进行了探讨，但前人的研究主要 放在其可焊性以及焊接工艺的评定上【1 11 2 1 ，很少人定性定量的研究双相不锈钢焊接 残余应力与收缩变形。 由鉴于此，论文以重庆造船工业近年的主打产品化学品船舶建造中首次 使用国产不锈钢带来的技术难题为研究背景，以重庆市科委攻关项目“特种船舶焊 接技术研究( c s t s 2 0 0 8 a b 3 0 3 3 ) ”为支撑，以2 2 0 5 双相不锈钢平板焊接为特例， 运用仿真和实验相结合的方法对焊接应力、变形进行了定量的分析，以便为今后 进行复杂结构的焊接双相不锈钢应力和变形研究打下良好的基础。本论文主要工 作内容有： 1 、探讨双相不锈钢的焊接特性及其在特种船舶制造中的重要意义，综述目前国 内外有关双相不锈钢焊接的研究动态。 2 、把焊接过程进行有限元理论分析，如焊接有限元模型的简化、热源模型的选 取、焊接应力应变场的理论分析等。 3 、在a n s y s 软件中建立2 2 0 5 双相不锈钢平板焊接数值模拟有限元模型，对三 维焊接温度场、应力和变形进行动态模拟分析，着力解决移动热源模型的仿 真、材料物理性能参数随温度变化、模拟金属熔化等一系列问题。 4 、在国营川东造船厂焊接试验室，采用不同的板厚、焊接电流、焊接电压、焊 接速度等工艺参数进行双相不锈钢平板焊接试验。测量焊接试件的收缩变 形，搭建测试系统，用小孔释放法测量焊接试件的残余应力，得到焊接试件 残余应力横向和纵向的分布规律，进一步验证有限元仿真计算的有效性。 第一章绪论 5 5 、分析影响焊接残余应力和变形的的相关因素，用极差分析的方法初步对2 m m 厚薄板的焊接工艺参数进行优化。 6 、应用多元线性回归、b p 神经网络、支持向量机( s v m ) 技术等多种预测方 法型对不同工艺参数下的实验数据进行处理，建立了各种技术条件下的残余 应力和变形的预测模型。在比较分析的基础上实现给定工艺参数条件下对焊 接最大收缩变形和最大残余应力的准确预报。分析影响焊接残余应力和变形 的的相关因素，用极差分析的方法初步对2 m m 厚薄板的焊接工艺参数进行 优化。 6 第二章焊接过程有限元理论分析 第二章焊接过程有限元理论分析 2 1焊接有限元模型的简化【3 0 】 焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等多学科的复杂过程。焊接 现象也极为复杂，包括焊接时的电磁现象、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。焊接过程各因素之间的影响关系如图2 1 所示。 熟源模型、络池模 型、熟力举 生鸵 杏鼍度矮 t 麓f ( x , y , z , o l 化学成分、焊接 l 参数、矗辕尺寸 翅童鏖左 一一一， 成力产生相交 图2 1 焊接过程中各个因素的相互影响 f i g 2 1 m u t u a li n f l u e n tf a c t o r si nt h ew e l d i n gp r o c e s s 图2 1 中显示了有限元分析中基本的输入和输出参数，并特别强调了相变行为 的影响。但在进行焊接热力学有限元模拟时，通常着重考虑温度场、应力、变形 及显微组织之间的相互影响，而忽略其他因素。因此图2 1 可以简化为图2 2 。图 2 2 中箭头表示相互的影响：实线箭头表示叫强烈的影响，虚线箭头表示较弱的影 响。 从图2 2 中可以看出，影响焊接应力应变的因素有焊接温度场和金属显微组 织，而焊接应力应变场对温度场和显微组织的影响却很小，所以在分析时一般只 考虑单向耦合问题，即焊接温度场和金属显微组织对焊接应力应变场的影响。而 塑形燕 lllil-。llllilllll- 热成力 第二章焊接过程有限元理论分析 7 显微组织对焊接应力应交场有一定的影响，但般用生死单元的方法只考虑金属 熔化时对焊接应力应变场的影响【3 舯。金属相变对焊接温度场有影响，但影响不是 很大【l o l 。因此，本文着重研究焊接温度场对应力应变场的影响。 囊 图2 2 焊接应力应变的影响因素之间的关系 f i g 2 2 t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e i lw e l d i n gs t r e s s - s t r a i na n dt h ea f f e c t i n gf a c t o r s 2 2 焊接温度场理论分析 2 2 1 焊接温度场的特点 焊接时为了实现优质连接，必须有一定的热源在待焊接部位局部区域作用， 通过加热、熔化和随后的冷却凝固而形成焊缝。这样，焊接传热过程显然有两个 明显的特征【1 6 j ： l 、热作用的集中性。焊接热源集中作用于焊接接口部位必然使焊件存在温度 梯度，从而不可避免的要产生热传导过程。不均匀的焊接温度场必然引起不均匀 的应力场和应变场、不均匀的组织和性能变化以及焊接变形问题。 2 、热作用的瞬时性。焊接热源始终处在一定速度的运动状态之中，因而焊件 上某一点瞬时所能得到的热能是有限的。在这种情况下，当热源接近焊件上某一 点的时候，传导来的热量将使该点迅速加热升温，随着热源的远去，该点又迅速 冷却降温。可见焊接构件上任一点所能达到的峰值温度必然是有限的。实际上焊 件上的传热过程是一种准稳态过程，在这种条件下所发生的各种冶金学变化，是 不容易达到平衡状态的。因此，如何获得一个相对精确的焊接温度场，是能否模 拟出相对精确的应力应变场的关键。 2 2 2 焊接热源模型的选取 焊接热源具有局部集中、瞬时和快速移动的特点，使得任意时刻焊件中都存 在极为明显的温度梯度，形成不均匀的温度场。而这种不均匀温度场乃是进行焊 8 第二章焊接过程有限元理论分析 接变形和力学分析的基础。要想准确地模拟焊接残余应力的分布、焊缝强度以及 焊接变形就必须保证焊接热循环的准确性，就需要建立一个好的焊接热源模型， 因此，焊接热源模型的建立是焊接模拟过程中不容忽视的重要部分。 传热学中常用的热源模式有r o s o n t h a l 的解析模式、高斯热源、半球状热源、 椭球形热源、双椭球形热源，下面简单介绍一下这些常用热源的数学模型【3 0 j 。 ( 1 ) r o s o n t h a l 的解析模式 在3 0 年代提出的经典r o s o n t h a l 的解析模式中，热源按作用的焊件几何形状 的不同而被简化为点状、线状或面状热源【1 0 1 。理想点热源沿工件表面移动时计算 瞬态温度场t ( x ，y ，z ，t ) 的经典解析模式如下： 咐川= 瓦+ 篆e x p ( 普) r e ”l 侧e x p ( 守- v r 疋：石了万丽 ( 2 1 f = x - v t 式中：而一为环境温度；q = 叩u l 为热输入； 卜为有效系数； 五一为热扩散系数； 卜为焊接速度；x ，y ，z 组成定坐标系，6y ，z 组成动坐标系； k 为导热系数； ( ，_ 为电压； ，_ 为电流； k 为板厚；为整数。 这种以集中热源为基础的计算方法，假定热物性参数不变，不考虑相变与结 晶潜热，对焊件几何形状简单归为无限的( 无限大，无限长，无限薄) ，计算结果对 远离熔合线的较低温度区( = d 6 。+ d s ) r ( 2 1 0 ) 如 。为满足相容条件而产生的弹性应变增量， d e r 为热应交增量。在达到 某一应力状态 仃) 时，因弹性矩阵【d l ( 弹性矩阵与弹性模量和泊松比有关) 随 温度而变化，所以 d e ) 。= 町阿1 r 1 + 簪刀 ( 2 如 r 是 a o t ( a o 为初始温度的线性膨胀系数) 的增量微分，l l p d 坼= 刀+ 财) = t ；t o + 百t a 6 t o ) 刀= 口) 刀 ( 2 1 2 ) 研为线性膨胀系数随温度而变化的有效值。 把式( 2 1 i ) 、( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 0 ) 中可得到： 脚刚小叫等卜 眨 令【刎= d 】。， 刖c 卜叫等 ， c 为与激献的隅 式( 2 1 3 ) 可写成： d 盯 = 【d 】 d 占) 一 c ) d 丁 ( 2 1 4 ) 式( 2 1 4 ) 就是在弹性区域内的应力应变关系式。 ( 2 ) 在塑性区 在塑性区内，设材料的屈服条件为： f ( t r ) - - f o ( 6 , , ，t ) ( 2 1 5 ) 式中，f 为屈服函数，矗为与温度和塑性应变有关的屈服应力的函数。 在塑性区域内，全应变增量可以分解为： d 6 = d s ) p + d s 九+ d 占 r ( 2 1 6 ) d 占) 口为塑性应变增量，根据流动准则有： 1 4 第二章焊接过程有限元理论分析 吼= 孝 ( 2 1 7 ) 用式( 2 1 1 ) 、式( 2 1 2 ) 、式( 2 1 4 ) 、式( 2 1 6 ) 、式( 2 1 7 ) ，消去 d 占 。、 d s ) 7 可 以得到： 善= 陶r 附斟叫等卜到s 眨 其中， s = 善) ，例。 岳卜 毒 r 岳) 这样塑性区域内应力应变关系由如下形式： 阱川嘲一h 簪观怛& r j 、 j 1 盟a t l j s d t( 2 1 9 ) 她吲印帆帆蝌刚s ，这卯”弹塑性觫 令 d 】= 【d k 刖c 卜陋懊等观o o - j l a t j 铂 则有： d 盯 = 【d 】 d c - c d t ( 2 2 0 ) 塑性区域内的加载卸载过程由下式判定，对于式( 2 1 8 ) 中的善， 令0 加载过程 乒0中性过程 孓0卸载过程 卸载时材料呈弹性行为，应力应变关系用式( 2 1 4 ) 。 2 4 2平衡方程 考虑结构的某一单元，有如下平衡方程： d f ) 。+ 积) 。= g 。+ d 万) 。 式中： d f 。为单元节点上力的增量； 积r 为温度引起的单元初应变等效节点力 第二章焊接过程有限元理论分析 1 5 增量； d s 。为节点位移增量，】。为单元刚度矩阵。 【k r = f b 】7 【d 】【召】d 矿 ( 2 2 1 ) 搬) 。= f 剀2 c d t d v ( 2 2 2 ) 式中：【b 】为联系单元中应变向量与节点位移向量的矩阵，与单元的几何形状有关。 根据单元处于弹性区或塑性区，分别用 d 】。、 c 九或 d b 、 c 伊代替式( 2 2 1 ) 、 式( 2 2 1 ) 中的【d 1 、 c ) ，形成单元刚度矩阵和等效节点载荷，然后集成总刚度 矩阵【k 】，总载荷向量 d f ) ，求得整个构件的平衡方程组： 陋】 d 毋= 亦 ( 2 2 3 ) 其中， 刚= 【k r ， 卵) = ( 打 。+ 积 。) 。考虑到焊接过程中一般无外力作 用，单元相应节点的力构成自相平衡的力系，可取 卵 = o ，故有： 卯) = 积r ( 2 2 4 ) 2 4 3 求解过程 焊接热弹塑性有限元分析的求解过程是：首先把构件划分成有限个单元，然后 逐步加上温度增量，而焊接时的温度场要预先算出。每次温度增加量施加上之后， 由式( 2 2 3 ) 可求得各节点位移增量 d a 。每个单元内的应变增量 d s ) 。和单元节 点位移增量 d 万) 。的关系为： d e 。= 【例 d 万) 。 ( 2 2 5 ) 再根据式( 2 1 4 ) 、式( 2 2 0 ) 的应力应变关系，求得各单元的应力增量 d 仃。 这样就可以求解整个焊接过程动态应力应变的变化过程和最终的残余应力与变 形。 l6 第三章基于a n s y s 的焊接数值模拟 第三章基于a n s y s 的焊接数值模拟 a n s y s 是融结构、流体、电磁、热学、声学等多领域为一体的大型通用有 限元分析软件，可广泛用于核工业、石油化工、航空航天、机械制造、船舶工程、 汽车交通、土木工程等一般工业和科学研究中。焊接温度场和应力场的数值模拟 计算就是在热、结构两大领域的耦合条件下进行计算的。 3 1模型假设 任何模型的建立都是在一定条件下成立的，在a n s y s 软件中实现焊接过程 的模拟仿真，同样要做出如下假设： ( 1 ) 材料为各向同性的理想塑性材料； ( 2 ) 忽略熔覆金属的填充作用； ( 3 ) 忽略电弧对焊件的辐射； ( 4 ) 忽略熔池流体的流动作用； 3 2 主要求解步骤 在a n s y s 软件中，计算焊接温度场和应力场的方法分为直接法和间接法。 直接法就是使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时分析得到热分析和结构 应力分析的结果。由于单元开发技术上的原因，a n s y s 单元库中可供选用的耦 合单元种类较少，而且在分析过程中，需要同时进行温度场和应力应变的计算。 需要指出的是，温度场的计算是标量计算，计算耗用时间相对要少些。应力应变 的计算是矢量，计算耗用的时间较多一些，所以直接法计算周期较长，不够灵活。 间接法是首先选取热分析单元进行热分析，然后转换成结构分析单元，将求 得的的节点温度作为载荷施加在结构应力分析中。间接法可以先分析温度场，求 得温度场的分析结果是否正确，等到温度场模拟计算准确之后，保存温度场的求 解结果，再分析应力应变。如果应力应变的分析结果不理想，不必再进行为温度 场分析，而只需修改力学性能参数和优化载荷步，然后再进行应力应变的计算， 直至计算到满意的结果，这样可以节约大量的时间，所以选用间接法进行计算比 较合理、高效。 采用间接法进行a n s y s 有限元分析的主要步骤【2 3 1 为： ( 1 ) 选择热分析单元进行热分析，可以使用热分析的所有功能，如热传导、对 流、辐射等，设置材料热物理参数，按热分析的步骤进行加载、求解，并保存温 度场分析的结果。 ( 2 ) 重新进入前处理，将热单元转化为相应的结构单元。 ( 3 ) 设置结构分析的材料属性( 包括弹性模量、波松比、线性膨胀系数等) ， 第三章基于a n s y s 的焊接数值模拟 1 7 以及前处理细节的设置。 ( 4 ) 用l d r e a d 命令读入热分析的节点温度。输入或选择热分析的结果，其 文件名的格式为r t h 。 ( 5 ) 设置参考温度，即设置构件加热的初始温度。 ( 6 ) 设置约束及边界条件 ( 7 ) 进行求解、后处理。 用间接法进行焊接温度场、应力和变形的a n s y s 计算流程图如图所示。 图3 1基于a n s y s 的焊接温度场、应力场的计算流程图 f i g 3 1 t h ef l o wc h a no f w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l dc a l c u l a t i o nb a s e do na n s y s 18第三章基于a n s y s 的焊接数值模拟 3 3 温度场的计算 基于a n s y s 的温度场分析主要流程为建模、网格划分、加载、求解、后处 理【2 9 】。其中建模部分需要确定模型的尺寸，此部分主要与试验所选板材规格相关； 网格划分时需要确定材料参数和单元类型；加载需要选择一个合适的热源及其边 界条件；求解需要确定时间子步与载荷子步的大小范围，其它部分为机器后台运 行；后处理则视实际需要而定。 本文所研究的对象为2 2 0 5 双相不锈钢在氩弧焊焊接过程中的焊接应力和变 形的情况。在a n s y s 分析过程中需要知道材料的热物理参数，a n s y s 加载过程 中需要知道热源大小，以及各个边界条件。以下分别就这几个参数的确定做详细 的说明。 3 3 12 2 0 5 双相不锈钢热物理参数及焊接工艺参数的确定 应用于特种船舶建造中的双相不锈钢是一种较新颖的材料，其适用范围不如 碳钢那么广泛，其热物理参数查找相对困难。不锈钢使用手册中的参数，均提 供了低温情况下的参数( 见表3 1 ) 。采用a n s y s 进行焊接温度场分析，需要确定 焊接热影响区各个位置所经历的最高温度值，这就需要确定材料高温部分的热物 理参数。 表3 1 低温下的2 2 0 5 双相不锈钢热物理参数 t a b l e3 1 t h e r m o - p h y s i c a lp a r a m e t e r so f o f d u p l e xs t a i n l e s ss t e e l2 2 0 5u n d e rl o wt e m p e r a t u r e 温度( ) 2 01 0 02 0 03 0 0