（材料加工工程专业论文）ocr13ni5mo钢板低强匹配焊接接头组织性能及应力研究.pdf

0 c r l 3 n i 5 m o 钢板低强匹配焊接接头组织性能及应力研究 捅要 焊接作为一种古老的连接技术，在现代仍然是工业生产和经济建设中不可或缺的 制造技术。随着工业的发展，工程上对焊接结构的要求也在不断提高。近年来，随着水 利资源的广泛开发和利用，0 c r l 3 n i 5 m o 类型的低碳马氏体不锈钢由于其高强度及耐蚀、 耐磨等特性成为国内外大型拼焊转轮领域应用广泛的材料。焊接作为转轮各部分连接的 主要加工方法，提高焊接接头的质量，控制其应力成为研究热点。 本文选择0 c r l 3 n i 5 m o 马氏体不锈钢作为母材，按照低强匹配的方式，选择 0 c r l 7 n i 6 m o 型h s 3 6 7 焊丝作为焊接材料，采用c 0 2 气体保护焊方法制造焊接试板。利 用热力学计算软件t h e m o c a l c 进行材料平衡相的预测，通过金相显微镜、能谱仪以及 m 等实验手段，研究了异种不锈钢焊接接头的组织分布情况，并研究了焊接试板退 火组织；通过拉伸、冲击以及显微硬度等实验，研究焊态焊接接头的力学性能；利用有 限元软件m s c m a r c 进行焊接和退火过程的数值模拟，研究在模拟过程中温度场和应力 场的变化，通过数值模拟方法对焊态和退火后焊件的应力场进行预测，并利用盲孔法获 得实测值，与计算值进行比较。 研究表明，在熔合区存在c r 、m o 等元素的扩散，出现了不同于母材和焊缝的过渡 区，该区域由马氏体、铁素体、奥氏体以及极少量脆硬的仃相组成；盯相在焊缝处不均 匀析出，在熔合区附近发生富集；焊接接头的塑韧性良好，焊缝处力学性能相对薄弱； 热处理降低了焊接残余应力，但仃相析出量略有增加；利用数值模拟的方法基本实现了 对焊接应力场和退火后焊件应力场的预测，计算值略低于实测值。 关键词：接头的强度匹配；热力学计算；组织分析；数值模拟；焊接应力场 0 c r l 3 n i 5 m o 钢板低强匹配焊接接头组织性能及应力研究 a b s t r a c t a sa i lo l dc o n n e c t i o nt e c l l l l o l o g y ，w e l d i n gp l a y sa i li n d i s p e n s a b l er o l ei ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o na i l de c o n o m i cc o n s t m c t i o n w i mt l l ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y ，t l l er e q u i r e m e n t so f w e l d i n gs t n l c t u 】陀a r ei m p r o v i n g w 池丽d e l yd e v e l o p m e ma n du t i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s i nr e c e m y e a r s ，t h e 1 0 w c a r b o nm a r t e n s i t i cs t a i m e s ss t e e lo c r l3 n i 5 m o谢t ht h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e1 1 i g hs 仃e n g t l l ，c o r r o s i o nr e s i s t a i l c e ，、v e a rr e s i s t a l l c ei s 诵d e l yu s e di n l a r g eb 眦w e l d i n gn m n e rm a n u f a c a l lo v e rt 1 1 ew o r l d w e l d i n gi st h em o s ti m p o r t a n tj o i n t m e t l l o do fd i f i f e r e n tp a i r t so f m n n e r s 。i m p r o v i n gm eq u a l i t ) ，o fw e l d i n gj o i n ta i l dc o r l t r o l l i n g 、e l d i n gs t r e s sb e c o m et 1 1 ef o c u sr e s e a r c h i nm i sp 印e r ，0 c r l3 n i 5 m om a r t e n s i t i cs t a i nl e s ss t e e lw a sa p p l i e da sb a s em e t a l ，a n d h s 3 6 7w e l d i n g 、) i ，i r ew a sa p p l i e da st 1 1 ew e l d i n gm a t e r i a la c c o r d i n gt ot h e 、v a yo ft h el o w s t r e n 咖m a t c h t h ec 0 2g a ss 1 1 i e l d e dw e l d i n gw a su s e d t 1 1 ee q u i l i b r i 眦p h a s e sw e r e p r e d i c t e db yc a l p h a dm e t l l o du s i n gt h e 姗o - c a l cs o 行w a r e t h em i c r o s 仉l c t u r e so f h e t e r o g e n e o u s 、v e l d e dj o i n t 斫k rw e l d i n ga n d 锄e a l e dw e r es t u d i e db yu s i n gm e t a l l o s c o p e ， e n e 唱ys p e c t r o s c o p ya i l dx 】；a s - w e l d e dm e c h a l l i c a lp r o p e n yo fw e l d e dj o i n tw a ss t u d i e d b yt e n s i l et e s t ，i m p a c tt e s ta 1 1 dm i c r oh 鲫d 1 1 e s s w e l d i n gp r o c e s sa i l da i 1 e a l i n gp r o c e s sw e r e s i m u l a t e db yf e mm e m o du s i n gm s c m a r cs o 觚a r e t e n l p e r a l 眦ef i e l da n ds 吮s sf i e l do f t h ew e l d i n gp l a t ew a r es i m u l a t e d 7 i l l er e s u l to fs i m u l a t i o no fr e s i d u a ls 勃r e s sw a sc o m p a r e dt o t 1 1 em e a s u r e dv a l u ew m c hw a so b t a i n e db yt h eb l i n d - h o l em e m o d ，b o t l la f i e rw e l d i i l ga n d 1 1 1 er e s u l ts h o w s ：t h e r ei sam s i o nz o n ew h i c hd i 腩r e n t 舶mb a s em e t a la i l dw e l d i n g s e 锄f o re l e m e n t so fc ra 1 1 dm od i m l s i o n t h e 如s i o nz o n e sm i c r o s t r u c t u r ei sm a r t e n s i t e f e 玎i t e ，a u s t e l l i t ea n df 撕h i n g 抒a i l g i b l e - r i g i ds i g m ap h a s e i i l l l o m o g e n e o u sp r e c i p i t a t i n go ft h e s i g m ap h a s ei nm ew e l d i n gs e 锄r e s u l t e di ne n r i c l l i i l e n tn e a r b yt h em s i o nz o n e p l a s t i c i 够a i l d t o u g l u l e s so fm ew e l d e djo i ma r ew e l l ，m e c h a m c a jp r o p e r t yo fw e l d i n gs e a mi sw e a k e r a l t l l o u g hh e a tt r e a 廿n e n td e c r e a s e sw e l d i n gr e s i d u a js t r e s s ，t h ep r e c i p i t a t e sq u 觚t i t ) ro fs i g m a p h a l s ei s i n c r e a s e d t h ep r e d i c t i o no fw e l d i n gs 仃e s sf i e l da n da n n e a l i n gs t r e s sf i e l di s b a s i c a l l yr e 2 l l i z e db ym en u i n e r a _ b l es i m u l a t i o nm e t h o d ，t t l ec a l c u l a t e dv a l u e sa r el o w e rm a n m e a s u r e dv a l u e s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：1 1 1 t e i l s 毋m a t c ho fw e l d e dj o i n t ；t h e n n o d y n 锄i cc a l c u l a t i o n ；m i c r o s 仃1 j c t i _ l r e a n a l y s i s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；w e l d i n gs t r e s sf i e l d 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题意义 转轮是水轮机关键部件之一，随着我国水利发电技术的深入研究与广泛应用，对转 轮性能的要求也不断提高。然而，在实际制造中，焊接是转轮各部分连接的主要加工方 法，焊接接头质量的优劣直接影响水轮机的使用性能。 焊接一直以来都是工业生产的主要工艺过程，作为一种重要的材料加工工艺，焊接 技术广泛应用于航海航天工业、机械造船工业、汽车微电子工业、石油化工、海洋工程 以及一系列其他金属构造等工业领域。大多数焊接方法都需要加热或加压，或者同时实 施加热和加压，用或者不用填充料，以实现原子结合。焊接是一个涉及电弧物理、传热、 冶金和力学的复杂过程，焊接现象包括焊接式的电磁、传热过程、金属的升华和凝固、 冷却时的相变、焊接应力和变形等【1 j 。 焊接是一个涉及多学科的复杂的物理化学过程，而焊接热过程是指在焊接过程中， 被焊金属由于热的输入和传播，而经历加热、熔化和随后的凝固及连续冷却的过程，且 焊接热过程贯穿于整个焊接过程的始终，一切焊接的物理化学过程都是在焊接热过程中 发生和发展的。在实际生产中，大多数都是通过局部加热实现金属的焊接，且具备以下 两个特点：一是升温速度快，冷却速度快；另一个是热场分布极不均匀。焊接的高温熔 池和冷态的母材之间的巨大的温度差，将不可避免的产生焊接应力和变形。由于其加热 的瞬时性和局部性使得形成的焊接接头各部分经受了的不同热循环和热塑性应变循环， 冷却后接头的显微组织差别明显，组织差异将直接影响到接头的力学性能【2 j 。焊缝金属 主要是一种铸造组织，其组织取决子母材与熔敷金属的比例和焊接工艺条件。在多道焊 中，焊接下一道焊缝时，会对上一道焊缝产生一个短的热循环影响，但由于温度梯度大， 冷却速度快，加热时间短，所以多层焊中产生的这种热循环不能和钢在一定温度下的热 处理过程达到相同的效果。由于只有部分焊缝金属受到这种热循环的影响，其余部分仍 保持铸态组织【3 】。对于异材质接头，熔合区是基体金属与焊缝金属的过渡区域，导致了 该区域的组织结构复杂性。焊接接头的组织和性能直接关系到焊接结构件的优劣。焊接 应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响焊 接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能【l 】。 根据焊接金属和熔敷金属的不同，焊接构件的组合方式可以分为：( 1 ) 同种金属之 间的焊接；( 2 ) 不同金属材料之间的焊接；( 3 ) 不同用途的异种材料焊接。随着现代工 哈尔滨工程大学硕士学位论文 业的发展，在实际焊接中，对焊接结构的性能提出了更高的要求，往往选用异于焊接材 料的熔敷金属作为填料的方式，使焊接接头具有更优良的性能来满足使用要求。异材质 焊接接头的组织性能是影响焊接接头使用性能的重要因素。在利用异种熔敷金属焊接时 应该注意以下几方面的问题：( 1 ) 碳元素或其他元素的迁移扩散；( 2 ) 焊接接头的组织 变化；( 3 ) 焊接接头的残余应力。焊接结构有自己的特点，只有正确地认识切实地掌握 它的特点，才能设计制造出性能良好、经济指标高的焊接结构【4 j 。 在研究焊接技术时，试验手段为其基本方法，但大量的焊接试验即增加生产成本又 费时费力。随着计算机技术的发展，计算机仿真为焊接技术的发展提供了更切实的指导。 焊接数值模拟则是利用一组控制方程，去描述一个焊接过程或者描述一个焊接过程的某 一个方面。对焊接过程的数值模拟可以从焊接接头微观组织、焊接温度场、焊缝金属凝 固与焊接接头相变、焊接应力应变、焊接接头氢扩散、焊接接头的力学行为、焊接熔 池的液体流动与形状尺寸、焊接结构的断裂韧性、焊接疲劳裂纹的扩展、电弧物理等方 面进行。对焊接数值模拟的现实意义在于，根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优 化结构设计和工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接接头的质量【5 】。焊接数值模拟 的意义就是通过对焊接现象及过程的数值模拟，优化结构设计、工艺设计，减少试验的 工作量同时提高焊接接头的质量。 1 2 现代焊接技术的国内外发展现状 焊接作为一门制造技术已有百余年的历史，焊接已成为世界工业国家中不可缺少的 独立的制造技术。随着制造业的发展，提高焊接生产的生产率和保证产品质量同时实现 焊接生产的自动化和智能化进一步的引起人们的重视。并且已经形成了几十种焊接方 法。焊接效率的提高对总的生产率的提高有着举足轻重的作用。主要包括两个方面：提 高焊接材料的熔化速度的高熔敷效率焊接，以厚板焊接为主；提高焊接速度的高速焊接， 以薄板焊接为主【6 4 1 1 。 1 2 1 国外现代焊接技术的发展现状 现代焊接技术的发展主要体现在：焊接工艺高效化、焊接电源控制数字化、焊接质 量控制智能化、焊接生产自动化等先进焊接技术的突破与发展【1 2 】。目前，国外焊接设备 发展的特点是高精度化、高质量化及高可靠性，并呈现数字化和智能化控制、同时实现 了大型化、集成化及多功能化。 高效焊接是先进焊接技术的重要组成部分。在高效复合焊接方面，由英国的w s t e e n 第l 覃绪论 在2 0 世纪7 0 年代提出的激光电弧复合焊接，该方法将物理性质和能量传输机制两种完 全不同的热源形式复合，并同时作用在相同的加工位置上，这样，既可以充分发挥两种 热源的各自优势，又可以弥补两种热源各自的不足，形成了一种全新的、高效的热源形 式【1 3 d 6 】；a t i g 焊接是指焊前在待焊区涂敷活性焊剂，使用一般的t i g 焊的焊接设备及 工艺参数进行焊接，焊接过程会引起焊接电弧的收缩，电弧的能量密度增加和电弧力增 大，最终导致了焊缝的熔深增加【1 7 】，也就是说，在相同焊接电流及焊接速度下，a - t i g 焊接可以获得更大的熔深【1 8 】。在高熔敷效率焊接方面，最具有代表性的焊接工艺为 t i m e 焊接工艺( t r a l l s f e ri o i l i z e dm 0 1 t e ne n e m yp r o c e s s ) ，早在2 0 世纪8 0 年代，t i m e 焊接工艺就已经在加拿大和日本被应用。直至1 9 9 0 年6 月的维也纳焊接商贸会上，第一 次被介绍到了欧洲，奥地利的f r o i l i u s 公司成为了此工艺欧洲市场总代理【1 9 】。目前， t i m e 焊工艺已获得多方面工程应用，例如：造船、汽车制造、钢结构工程、机械工 程及军工产品等【2 0 1 。在高速焊接方面，由林肯公司开发的多丝埋弧焊工艺已经得到了非 常广泛的应用，多丝明弧焊应用最为广泛的是双弧焊接，奥地利的f r o l l i u s 公司及德国的 c l o o s 公司的t a n d e m 焊接作为此方面的代表。 欧美等发达国家推动了先进焊接技术的研究和应用。美国波音公司、n a s a 、欧洲 航天局在航天飞机及运载火箭的制造过程中推进了高功率激光焊接、搅拌摩擦焊接、电 子束焊接、变极性等离子弧焊接等“高能精密焊接”技术。美国的n a s a 在d e l t a 火箭的 燃料箱纵缝焊接中采用了f s w 技术，接头强度提高在3 0 左右，燃料箱重量减轻大约 1 0 ，焊接时间则由过去的9 h 减少到了3 5 h 。伴随新型激光器的研制开发和商品化进程 的快速发展，激光焊接的应用正不断从汽车工业向能源和交通以及航空航天等工业领域 扩展。如：空客公司，它的a 3 x x 系列飞机其机身蒙皮和内撑梁都采用了激光焊接技术 进行连接，替代了传统的铆接工艺，加工速度也比传统的铆接提高了1 0 倍，仅在材料与 工艺方面的改进就实现减重1 5 。激光焊接在金属夹层板的导弹舱体、大型飞机的壁板、 轻型舰船的轻量化结构件的制造中均开始大量的应用，与传统的实芯结构件相比，可减 重5 0 以上，所需的空间也减少了2 3 。国际的著名企业，如通用电气、罗罗等公司， 在先进焊接技术方面和自动化装备的研发方面，始终处在世界领先地位，焊接技术的智 能化与数字信息化是长期的发展目标，在航空航天工业领域，以焊接机器人作为主体的 柔性生产线其应用率超过了7 0 。日本造船业、重型机械制造业，建成了数百条自动化 焊接生产线和自动化焊接工段，能够实现大型构件及重型机械的自动装配和自动焊接 【2 l j o 近年，双联或串联的m g 焊接的高熔敷率焊接备受关注，尤其是在德国，已经拥有 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 0 0 套以上的串联m a g 焊接装置并在运行中，同时仍在进行其它多个项目的研究与开发。 磁控作用焊接技术，是近年来不断完善的新型焊接技术，在国外被称作“无缺陷焊接”， 应用也日趋广泛，磁控焊接技术在改变晶粒的结晶方向，同时细化组织、减小偏析，改 善了焊缝的力学性能，以及降低气孔、裂纹等一系列焊接缺陷的敏感性【2 2 。2 4 1 。可以与c 0 2 激光焊接等焊接方法结合使用，提高焊接质量【2 5 1 。 总的来说，国外焊接技术的发展表现出以下几方面的特征：焊接工艺向精密高效化 发展；焊接装备向智能信息化发展；焊接装配向数字柔性化发展；焊接生产向节能、环 保方向发展。 1 2 2 国内现代焊接技术的发展现状 我国自主研发了一系列焊接技术，设备及材料，对国外应用成熟的焊接技术和设备 在我国也有不同程度的应用。目前，我国已经成为世界最大的焊接制造大国，而且焊接 技术也正朝着高效化、自动化、智能化、节能环保型的方向不断发展。 目前，我国采用的焊接方法有：激光钎焊、激光焊接、激光切割、激光与电弧复合 热源焊接、电子束焊接、等离子焊接、双丝或单丝窄间隙埋弧焊、4 丝高速埋弧焊、水 射流切割、双丝脉冲气体保护焊、数控切割系统、机器人焊接系统、精细等离子切割、 焊接柔性生产线、s t t 焊接电源、以及变极性焊接电源与全数字化焊接电源等焊接技术 或设备。然而，在我国的焊接结构的制造中却是以手工焊条的比重最高。以2 0 0 2 年为 例，焊材生产总量( 仅计算焊条和焊丝) 为1 4 4 9 万吨，而钢产量为1 8 5 0 0 万吨，两者 之比为0 7 8 ，而2 0 0 3 年为o 7 7 【2 6 1 。近年来，为了提高焊接生产效率以及焊接结构 质量，我国的焊接技术也在不断的向多方面发展：机械化的c 0 2 气体保护焊正在逐步 取代手工电弧焊从而提高生产效率。 目前，焊接过程控制系统的智能化、焊接生产系统的柔性化及焊接生产系统的集成 化成为焊接自动化的主要标志。虽然焊接机器人的应用主要是在近十几年，但增加较快， 尤其在汽车制造业，不过焊接机器人在造船业方面的应用还相当局限，国防专用的机器 人焊接装备正逐步实现自主，国内在焊接机器人方面的应用研究已经取得了不少成果， 如：在几千平方米的面积内，“一汽”的副车架厂就使用了二十几台的弧焊机器人；白山 市的轿车厂，奥迪车门的铝合金弧焊机器人的工作站已经被开发；嘉陵工业集团针对摩 托车车架生产线的情况，开发了车架弧焊机器人的焊接生产线；针对焊接汽车侧框的柔 性生产线技术，上海的大众轿车厂等进一步对点焊机器人进行了发展，以上种种说明国 内的焊接技术向现代焊接自动化方向发展；搅拌摩擦焊工艺和装备技术的研究与应用迅 4 第l 苹绪论 速发展，国内则以北京航空制造工程研究所为主，重点开展了系列铝合金焊接工艺、组 织控制及断裂机制等方面的基础工艺研究工作，为了加快工艺的成熟及推广奠定了扎实 的基础，装备国产化的步伐迅速，研制出数十套用于研究和生产的装备【2 1 】；激光焊接也 是二十一世纪最具有发展潜力的焊接技术之一，它可以焊接各种金属材料，而且焊接速 度快、焊接变形小、并具有易于实现柔性自动化等特点。 需要说明的是，国内的焊接软件的开发与应用与国外相比还有一定差距，尤其是真 正商品化的软件很少，开发焊接软件是提高焊接质量、调整焊接工艺焊接技术的关键。 目前，我国研究的重点方向就是要大力发展专用焊接成套设备、焊接机器人、发展辅助 机具、加速控制技术科技新成果在焊接设备上的应用【27 1 。 1 3 焊接应力场的数值模拟的发展历程 焊接数值模拟技术已经基本遍及焊接过程的各个领域，如焊接热传导分析、焊接熔 池流体力学、电弧物理、焊接应力与变形等诸多领域【2 8 1 。近年来，国内外通过数值模拟 技术对焊接残余应力的研究，取得了大量成果。数值模拟有几种不同的方法，如差分法、 蒙特卡洛法、数值积分法、有限元法等。尤其是有限元法的应用更为广泛。 二十世纪六十年代以来，随着计算机的推广与应用，对焊接应力和应变的数值模拟 也在不断的发展。1 9 6 1 年，t a l l 等人利用计算机对焊接热应力进行了计算，编制出一套 热应力一维分析程序。1 9 7 1 年，1 w 出编制出用于分析板平面堆焊的热应力二维有限元程 序，后来m 唧l l ( i 对它做了重大改进，扩大了这个二维程序的功能，使之可用于对接焊和 平板焊过程的热应力分析【4 】。七十年代，日本的上田幸雄等以有限元为基础，提出机械 性能与温度相关的热弹塑性理论。1 9 7 9 年，e f r y b i c h i 和r b s t o n e s i f e r 【2 9 】通过有限元法， 对管道系统中的环形对接焊管的多道焊接的残余应力的大小与分布进行了分析，用该模 型获得的7 道焊和3 0 道焊的残余应力与实验数据比较，吻合性良好。进入了八十年代， 随着有限元技术逐渐成熟，对焊接应力应变的过程以及残余应力的分布的认识也进一步 成熟。1 9 8 5 年，j o n s o n 等人利用大量的数值计算，提高了对焊缝周围的残余应力分布精 度的预测，以及根据定位的不同对焊接残余应力的分布产生的影响。1 9 8 6 年，法国的 j b 1 e b l o n d l 3 0 】对产生相变的钢的塑性、相变以及热应力三者的耦合效应进行研究，提出在 考虑到耦合效应的情况下的本构方程的一般形式，在弹塑性问题中涉及到的材料物理性 能都可以依据各相的体积分数选取平均值，并开发了s y s w e l d 焊接专用软件。随着计算机 技术的进一步发展，在焊接应力应变的研究方面也更加深入。1 9 9 2 年，y s h j m 和e f e n g 等人【3 l 】研发了在厚板上的多道焊的焊接过程中残余应力沿板厚度方向上分布的模型。同 哈尔滨工程大学硕士学位论文 年，c h e n 等人研究了厚板表面重熔过程中应力应变的变化，同时对其进行有限元的计算， 残余应力的计算值与实验值吻合良好。1 9 9 3 年，c h i d i a c 等人对厚板焊接的应力应变和残 余应力的分布进行了研究，不但涉及三维的加热模型而且研究了显微组织变化及晶体生 长等。加拿大的j g o l d a k 等对热应力进行深入的研究，提出在各温度段下的本构方程【3 2 1 。 1 9 9 8 年，t s o - l i a i l gt e n g 等人【3 3 】结合a n s y s 软件的弹塑性有限元技术功能，对薄板焊接时 的试件尺寸，焊接速度，外拘束度及预热等情况下对焊接残余应力的影响进行了系统的 分析。19 9 9 年，d a s c o t t 和m r f r e 丽n 等人【3 4 】进行了对激光脉冲焊接的有限元分析的研 究，提出了利用激光脉冲点焊三维模型，并计算瞬态温度场、熔池及焊接热影响区。从研 究结果可以看出：焊缝尺寸与温度分布均是吸收率和激光束能量分布的函数。a b a c h o r s k i 等人提出一种关于焊接变形的有限元预测理论收缩体积法，它是线弹性有 限元模拟技术，现在仍被用作预测焊接变形【3 5 】。2 0 0 1 年，z c a o 等进行了复杂构件三维 多道焊的热流过程的研究。对焊接的热弹塑性有限元分析在过去大多局限于二维，从九 十年代开始，对焊接的三维问题的研究和应用也更为广泛和深入。2 0 0 6 年与2 0 0 7 年，d e a n d e n 6 】等利用a b a q u s 软件进行s u s 3 0 4 不锈钢管的温度场和应力场数值模拟，分别采 用3 d 模型和2 d 轴对称模型进行模拟，对比其几个发现2 d 的轴对称模型可以更好的预 测其温度场及应力场结果【3 。7 1 。目前，为了使焊接构件达到更优良的性能，对焊接温度 场、应力场及变形的研究也不断深入，有限元技术的也不断发展和完善，焊接数值模拟 在焊接的各个领域的应用也更为广泛。 我国的数值模拟技术发展相对较晚，但发展迅速。二十世纪八十年代，西安交通大 学的唐慕尧等人编制出了有限元热传导的分析程序，上海交通大学和西安交通大学等开 始了对焊接热弹塑性理论和数值分析的研究。九十年代，上海交通大学与日本大阪大学 共同进行了对三维焊接的应力和变形问题的研究，并提出了如何改善计算精度及收敛性 的一些方法，同时发展了相关的三维焊接分析程序，并有不少的成功应用实例【3 8 ，3 9 1 。到 了二十一世纪，国内焊接数值模拟技术的发展尤为迅速，同时获得了大量的研究成果， 如：清华大学的赵海燕、张建强等【4 0 ，4 l 】在多层焊焊接的数值模拟时，金属的熔敷是通 过单元死活技术实现的，同时利用了分段移动的热源模型，对整个焊接过程进行数值分 析；金属所的吕建民利用m a r c 大型的通用非线性有限元软件，研究了温差形变在法消 除管道的焊接残余应力时的机理；2 0 0 9 年，上海交通大学刘俊奠等【2 3 】对焊接残余应力 温度一组织一应力进行了耦合分析，得到与实验值比较吻合。我国的焊接数值模拟技术 正朝向：提高计算方法效率和稳定性，同时实现更快的计算速度、更好的收敛性；将更 加深入的研究焊接应力和变形的影响因素。 6 第l 罩绪论 1 4 本文的主要研究内容 长期以来高强钢的焊接多采用等强匹配来选择焊接材料。但是，对于焊缝金属，强 度越高其韧性水平就越有可能低于母材的韧性水平，若牺牲少许焊缝强度而使韧性提 高，可能会有利于焊接接头综合性能的提高。近年来，o c r l 3 n i 5 m o 类型的低碳马氏体 不锈钢是包括三峡水轮机转轮在内的国内外大型拼焊转轮广泛应用的材料【4 2 】。本文选用 o c r l 3 n i 5 m o 作为母材，0 c r l 3 n i 5 m o 不锈钢含碳量很低，c r 、n i 含量较高，淬透性极 好【4 3 1 ，是三峡电站水轮机的主要材料；用h s 3 6 7 作为焊接材料，即采用低强匹配的方 式进行焊接，h s 3 6 7 焊接材料具有较为良好的抗冷裂性，水下疲劳性能且组织中含有大 量的奥氏体其塑韧性也较好同时在定程度上限制了扩散氢在缺陷内部的聚集，所以说 对此低强匹配的研究是有一定的现实意义的。研究方法主要是通过对焊接接头区的组织 性能分析及残余应力的预测来实现。主要研究内容如下： 1 平衡相图计算和焊接接头的组织与相分析。利用t h e m oc a l c 软件分别计算出 母材0 c r l 3 n i 5 m o 与焊接材料h s 3 6 7 的平衡相图与相质量分数图。结合金相分 析、s e m 与x 】文d 等手段对焊接接头的焊态组织和退火组织进行分析。 2 焊接接头的性能研究。对焊接接头进行力学性能分析，并对拉伸断口的形貌进 行分析。 3 焊接接头的残余应力。利用大型通用有限元软件m a r c 对焊接构件进行焊接温 度场和应力场的数值模拟计算j 获得应力场的预测值。利用盲孔法获得焊接头 的实际残余应力的分布状。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章有限元软件与热力学计算软件介绍 2 1 基于有限元分析的焊接数值模拟的理论基础 2 1 1 有限元法简介 随着科学技术的发展，数值模拟技术的地位也越来越重要了。在工程学的一些领域 中已被视为与实验同等重要。数值模拟的方法有很多种，如差分法、有限元法、数值积 分法、蒙特卡洛法等，特别是有限元法，现己广泛的用于焊接热传导、焊接热弹塑性应 力和变形分析的研究m 】。有限元法起源于2 0 世纪5 0 年代的航空工程中的飞机结构矩阵 分析。目前，它几乎适用所有的连续介质和场问题的求解。 有限元法( f i l l i t ce l e m e n tm e t l l o d ) 的基本思想就是将求解区域离散为一组有限个、并 按一定方式相互连接在一起的单元的组合体【4 】，并选定场函数的节点值为基本未知量， 同时在每一个单元中假设一近似的插值函数来表示单元的场函数分布规律，建立有限元 方程组用来求解节点未知量，进而一连续域中无限自由度问题变成了离散域中有限自由 度问题。然后，把所有单元方程组合起来，就可以得到整个结构的方程。求解该方程就 获得了结构的近似解。 有限元方法的基础就是离散化。但是必须根据结构的具体情况来决定单元类型、单 元数目、排列方式等，目的是为了：将结构分割为足够小的单元，使简单的位移模型就 能够近似的表示精确解。然而，单元又不能太小否则会产生计算量很大的问题。 有限元方法能获得迅速的发展及广泛的应用就在于它具有独特的优越性。有限元法 的优点主要体现在：( 1 ) 从概念上来说，清晰、容易掌握；( 2 ) 从应用方面上来说，有很 强的灵活性、适用性及应用的广泛性；( 3 ) 从表达方式上来是说，采用矩阵的形式便于 编制计算机程序。鉴于以上几点因素，在焊接领域有限元法获得广泛应用，可以用于焊 接热传导、焊接结构断裂力学分析、焊接热弹塑性应力及变形分析等。目前，在我国的 工程界比较流行的大型有限元分析软件有a n s y s 、m s c n a s t 凡n 、m a r c 、a b a o u s 、 a l g o r 和a d i n a 等。 有限元方法分析的主要步骤为【1 ，4 ，4 5 】： 1 连续体的离散化。就是将给定的物理系统，分割成等价的、有限的单元系统。 线段是一维结构的有限单元，而三角形、四边形是二维连续体的有限单元，然而，三维 连续体的有限单元则可以是四面体、长方体或六面体。所以说，各种类型的单元的优缺 8 第2 章有限元软件与热力学计算软件介绍 点各不相同。根据实际应用的不同需要，已经发展出了更多的单元类型，其最典型的区 分可以利用有无中节点来判断。也就是说，应用时首先要决定单元的类型、数目、大小、 和排列方式，才能够有效合理的表示出给定的物理系统。 2 选择位移模型。假定的位移函数或者是模型，只是近似的表示出了真实位移分 布情况。通常假设多项式为位移函数，线性多项式是最简单的位移函数形式。在实际应 用过程中，没有一种多项式能够与实际位移完全一致。所以说，选择多项式的阶次是用 户必须要做的，在必需的计算时间内达到足够的精度。除此以外，对表示位移大小的参 数也要做出选择，通常选择节点的位移，但也可能包括节点位移的导数。 3 结合变分原理推导单元的刚度矩阵。单元的刚度矩阵是指由单元材料和几何性 质并根据最小位能原理或其它原理导出的平衡方程的系数构成的。单元的刚度矩阵将节 点位移和节点力联系起来，从而使物体受到的分布力变换为节点处的等价集中力。刚度 矩阵 k 】。以及节点力向量 f ) 。和节点位移向量 6 ) 。的平衡关系表示成线性代数方程组的 形式为： 【k 。 6 ) 。= f ) 。 4 集合整个离散化连续体的代数方程。把每一个单元的刚度矩阵，集合成整个连 续体的刚度矩阵，把每一个单元的节点力矢量集合为总的力和载荷矢量。节点之间能互 相连接为其最常用的准则，换句话说，保证所有与某节点相关联的单元，在该节点处的 位移是相同的。近期，大量的研究结果说明该准则在有些情况下，并不是必需的条件。 用矩阵的形式来说明，总刚度矩阵瞰 、总载荷向量 f ) 以及整个物体的节点位移向量 6 ) 之间构成整体间的平衡，联立获得的方程为： k 】 6 ) = f ) 。利用这种方法得到的物理 系统的基本方程之后，还要考虑道边界条件或初始条件，这样，才能够使得整个方程封 闭。然而，如何引入边界条件这依赖于操作者对系统的理解。 5 求解位移矢量。也就是求解上述的代数方程。这种方程有时可能很简单，但是 有时也可能很复杂，如：遇到非线性问题时，其求解的每一步都要对刚度和载荷矢量进 行修正。 6 利用节点位移计算单元的应力和应变。这要根据具体情况而定，有时可能还要 进行其它一些导出量的计算，不过要相对简单些。 上述的有限元分析步骤，只是在计算机软件处理过程中的步骤( 有限元程序) ，然而 工程人员要进行的是完整的有限元的分析过程，其中还包括前处理和后处理等，完整的 有限元分析程序如图2 1 所示。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进 行 改 进 处 理 2 1 2m a r c 软件介绍 决定分析选项 决定分析的凡何结 构、边界条件、外力 获取材搴埠性质 建立有照元模型，包括； 单元类型、材料性质 直接或者问接生成有限元网格 加戴并求解 输出分析结果 否，。、 敬渺 w一，够 终 l + n 6 一一 艿铁素体 帆 c l - c 一，训o + i 纵s n l o t 5 事舒i b 3 1 0 不锈钢焊缝金属的s c h a e f f l e r 图 3 3 3 2 热处理后焊接接头组织分析 焊接时，残余应力的产生是由于在近缝区出现了压缩塑性形变。这种塑性变形将恶 化焊件的使用性能，因此，必须对焊接残余应力进行调整或者消除。焊后调整或消除焊 件残余应力的方法按照其过程的性质分为三类：( 1 ) 蠕变形变法，也就是通常所说的焊 后热处理；( 2 ) 力学形变法，该方法包括振动时效、过载拉伸、爆炸、锤击处理等；( 3 ) 温差形变法，利用金属的热膨胀量差别进而使金属发生伸长形变来消除应力。本文是通 过焊后热处理的方法来调整焊接残余应力，热处理工艺如表3 3 所示，整个过程采用随 炉加热随炉冷却的方式进行。 表3 3 热处理工艺表 热处理温度( 。c ) 保温时间( h ) 6 5 03 5 8 04 2 4 第3 章异材质接头的焊接与表征 图3 1 1 热处理后焊接接头组织 ( a ) 1 0 0 接头全貌；( b ) 2 0 0 过渡区至母材； ( c ) 1 0 0 0 焊缝；( d ) 2 0 0 焊缝靠近熔合线 对热处理后的试样进行金相分析，采集的金相照片如图3 1 1 所示。其中图a 为低 倍下焊接接头的金相组织照片；图b 为过渡区、热影响区至母材的金相照片，与焊态接 头组织相比，热处理后的热影响区组织形态变化不大，组织基本为板条马氏体，表面色 泽较深，但马氏体板条形状不如焊态清晰，这是由于在回火处理过程中，热影响区板条 间元素相互扩散，造成组织形态上的变化，根据t 1 1 e 吼o c a l c 软件对母材平衡相同和向 质量分数图的计算的结果分析，在5 5 0 0 c 6 5 0 0 c 之间回火会发生马氏体向奥氏体的转 变产生逆变奥氏体，这种逆变奥氏体连续分布在回火板条马氏体基体内并且十分细小， 与回火板条马氏体间有很大的弥散度，这种形态是它优化材料性能尤其是韧性的主因， 大量研究表明，这种逆变奥氏体有很高的热稳定性，在回火过程中不易发生转变，冷却 哈尔溟工程大学硕士学位论文 到室温仍能有大部分逆变奥氏体存在，但是其机械稳定性差，在受力变形时会诱发马氏 体相变，在此过程中能吸收大量的变形功，进而提高了材料的抗裂纹扩展能力，这也就 是说明回火过程有利于过渡区、热影区和母材性能的提高；图c 为热处理后焊缝金属的 金相组织照片，与焊态焊缝金属相比，组织形态上没有明显变化；图d 为焊缝( 靠近熔 合区) 的金相照片，可以看出，一束束的针状。相比焊态( 3 9 e ) 时增多，由图3 5 可 知，g 相从7 5 0 。c 开始析出，随着温度的降低。相析出越多。焊接过程是一个快速冷却 的过程，所以在焊态。相析出量是较少的。焊后热处理，促进了c r 元素在母材和焊缝 金属之间的扩散，并且6 铁素体本身也是富铬贫镍，而奥氏体则相反，经过6 5 0 0 c 与 5 8 0 。c 的保温促进了。相从6 铁素体中析出，但6 铁素体含量有限，且大多数情况下都 会残余一部分6 铁素体，所以6 相析出量是有限的，但仍比焊态时增多。 焊后热处理，具有消除焊接接头的残余应力，降低应力腐蚀的敏感性等优点；但是 。相的析出也会产生焊缝金属的脆化和耐蚀性能下降等不良影响。 3 3 3 焊接接头相分析 x 射线衍射方法( x i m ) 是研究材料结构的较重要手段之一。运用x 射线衍射方法可 对物质结晶状况、晶体表面的晶面取向和晶粒的大小进行分析。x 射线衍射方法是利用 电磁波( 或物质波) 和周期结构的衍射效应，其物理基础是布拉格( b r a g g ) 公式和衍射理 论。 本论文是利用p a i l a l y t i c a l 公司生产的x p e np r o 型x 射线衍射仪对异种不锈钢焊 接接头不同区域进行相分析，如图3 1 2 测试条件如下：铜靶；电压4 0 1 ( v ；电流4 0 m a ； 扫描范围2 0 0 到1 0 0 0 。利用h i 曲s c o r e 物相分析软件结合标准p d f 卡片对制备的样品进 行相的分析标定。 图3 1 2x 射线衍射仪 利用x 射线衍射对母材( 0 c r l3 n i 5 m o ) 以及焊缝金属( o c r l7 n i 6 m o ) 的x 射线衍射 2 6 第3 章异材质接头的焊接与表征 结果分析如图3 1 3 所示。由x 射线衍射结果与以上对金相组织分析可知，母材由马氏 体相组成，焊缝处由铁素体、马氏体、奥氏体三相组成，焊缝金属中没有出现碳化物的 峰，可见焊缝金属均未出现碳化物的析出。 图3 1 3 母材与焊缝金属的x i m 图谱 ( a ) 母材，马氏体双峰；( b ) 熔敷金属，其铁素体峰与马氏体双峰重合 对焊接接头的不同位置进行m 分析，沿垂直于熔合线方向磨制试样，实验结果 如图3 1 4 所示，其中( a ) 图为焊接接头热影响区的x r d 分析结果，在焊接过程中热 影响区存在温度梯度，温度范围在1 1 0 0 0 c 氏3 的部位发生0 【吖转变，全部奥氏体化后， 在冷却过程中发生丫q 转变，细晶区的组织为马氏体其中含有少量的残余奥氏体，而热 影响区温度在固相线与1 1 0 0 0 c 之间的部位在冷却过程中，合金首先形成6 相，在大约 1 3 0 0 0 c 开始6 吖转变，6 相向丫相转变时，会产生少量的过冷6 铁素体，继续冷却，冷 却到最后的组织为马氏体、少量的过冷6 铁素体、残余奥氏体，由于母材的c r 含量低 2 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 热影响区基本没有。相析出；( b ) 图为焊接接头熔合区x i m 分析结果，在焊接过热循 环的作用下发生了母材局部和焊接金属熔化及快速冷却，由于母材与焊接金属组织和成 分上的差异，导致熔合区由马氏体、奥氏体、6 铁素体、o 相组成；( c ) 图为根据图3 9 ( e ) 金相照片所在的焊缝位置确定的x i 分析位置的分析结果，表明在焊缝靠近熔合 区由马氏体、奥氏体、6 铁素体、g 相组成。 2 8 第3 章异材质接头的焊接与表征 2 0 ，【9 ) 3 1 4 焊接接头x l m 图谱 ( a ) 焊接接头热影响区d 图谱；( b ) 焊接接头熔合区x l d 图谱： ( c ) 靠近熔合区的焊缝图谱，其中图( b ) 与( c ) 中铁素体峰与马氏体双峰重合 3 3 4 焊接接头力学性能分析 焊接过程是一个快速加热、快速冷却的过程，在经历热力不平衡的同时出现组织转 变，焊接材料与母材在成分与组织上的差异，必然对焊接接头的性能产生影响，