（材料学专业论文）预热对热轧辊钢试样堆焊温度场和应力场影响的数值模拟.pdf

摘要 摘要 本文以6 0 c r m n m o 为研究对象，测量了其试样在堆焊过程的温度场和 堆焊后的残余应力场。利用a n s y s 有限元软件，建立了模型，对堆焊过程 中的温度场和应力场进行了数值模拟。 将堆焊试样的温度场和残余应力场实测结果与模拟结果进行比较，二 者基本吻合，证明模型是有效的。在此基础上，对堆焊试样温度场进行了 数值模拟，获得了不同时刻整个试样的温度分布及试样上各典型截面的温 度变化曲线。同时，模拟了在2 0 0 、3 0 0 和4 0 0 不同预热温度条件下， 堆焊试样冷却到1 8 0 秒时的温度场和平衡态温度场。模拟结果表明：无预 热条件下，试样冷却到1 6 秒时移去热源前后温度场分布有很大差异，堆焊 结束后，热量迅速向下表面及周界方向传播。直至冷却到1 8 0 秒，试样温 度场显现平衡态。预热可以提高堆焊试样的整体温度，并减小侧面和心部 的温差，使堆焊试样的温度分布趋于均匀。 根据堆焊温度场模拟结果，模拟了无预热条件下试样在堆焊过程中发 生马氏体相变时几个关键时刻的瞬态过程应力。同时，还模拟了在2 0 0 。c 、 3 0 0 。c 和4 0 0 不同预热温度条件下，堆焊试样冷却到1 8 0 秒时的应力场以 及残余应力场。结果表明：在无预热条件下应力峰值出现于热影响区与母 材区交界面，且最大拉应力位于试样内部热影响区附近。随预热温度升高， 三个典型截面的出现残余应力最大值的位置不变，只是试样上应力分布整 体呈下降趋势。 关键词数值模拟；温度场；应力场；预热温度 燕山人学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e h a r d f a c i n gs p e c i m e nw a st a k e nf r o mt h e h o tr o l l e rs t e e l6 0 c r m n m o ， w h o s et e m p e r a t u r ef i e l d d u r i n gh a r d f a c i n ga n dr e s i d u a l s t r e s sf i e l da f t e r h a r d f a c i n gw e r em e a s u r e d 。b yu s i n ga n s y ss o f t w a r e ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ( f e m ) w a se s t a b l i s h e db a s e do nt h ew e l d i n gp l a n e t h e n ，t h et e m p e r a t u r ea n d t h es t r e s sf i e l d sd u r i n gt h ep r o c e s so f h a r d f a c i n gw e r es i m u l a t e d c o m p a r i n gt h em e a s u r e dr e s u l t so ft h et e m p e r a t u r ea n dr e s i d u a ls t r e s s f i e l d sw i t ht h o s es i m u l a t e do n e s ，t h e ya r ek e e pa g r e e m e n tv e r yw e l l ，w h i c h p r o v et h i sm o d e lf o rt h eh a r d f a c i n gs i m u l a t i o ni se f f e c t i v e b a s e do nm e n t i o n e d a b o v e ，t h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h es p e c i m e nd u r i n gh a r d f a c i n gw a ss i m u l a t e d 、 t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h es p e c i m e na tt h ed i f f e r e n tt i m e sa n dc u v e so f t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na td i f f e r e n ts e c t i o nw e r eo b t a i n e d m e a n w h i l e ，t h e t e m p e r a t u r ef i e l do ft h eh a r d f a c i n gs p e c i m e n ，w h i c hw a sc o o l e dt o18 0 s ，a n di t s b a l a n c es t a t et e m p e r a t u r ef i e l dw e r es i m u l a t e dw h e nt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e w e r e2 0 0 。3 0 0 。ca n d4 0 0 r e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t e dr e s u j t so ft h e t e m p e r a t u r es h o wt h a t , t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nb e f o r ea n da f t e rt h e s p e c i m e nw a sc o o l e dt o1 6 si sd i f f e r e n tl a r g e l y t h eq u a n t i t yo f h e a tt r a n s m i t st o b e l o ws u r f a c eq u i c k l y w h e nt h es p e c i m e ni sc o o l e dt o l 8 0 s ，t h et e m p e r a t u r e f i e l db e c a m eb a l a n c es t a t e t h et e m p e r a t u r eo ft h es p e c i m e nc a r lb ei n c r e a s e d a n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nc e n t e ra n dt h es i d es u r f a c ec a nb e r e d u c e db yp r e h e a t i n g ，w h i c hm a k e st e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h es p e c i m e n u n i f o r m a c c o r d i n gt h em o d e la n ds i m u l a t e dr e s u l t so ft h et e m p e r a t u r ef i e l d ， s e v e r a lp r o c e s ss t r e s sf i e l d sa tt h ek e yt i m e sw h e nt h em a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o n o c c u r si nt h es p e c i m e nw e r es i m u l a t e dd u r i n g h a r d f a c i n gp r o c e s sw i t h o u t p r e h e a t i n g m e a n w h i l e ，t h es t r e s sf i e l d sw h e nt h es p e c i m e nw a sc o o l e dt o18 0 s a n dr e s i d u a ls t r e s sw e r es i m u l a t e dw h e nt h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e sw e r e2 0 0 3 0 0 。ca n d4 0 0 * ( 2r e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t e dr e s u l t so ft h es t r e s sf i e l d l i a b s t r a e t s h o wt h a t ，w i t h o u tp r e h e a t i n g ，t h et e n s i l es t r e s si sa p p e a r e da tt h eb o u n d a r y b e t w e e nt h eh e a t a f f e c t e dz o n ea n dh a r d f a c i n go n e ，a n dt h em a x i m u mo f t h et e n s i l es t r e s si s1 0 c a t e di nt h eh e a t a f f e c t e dz o n ei n s i d eo ft h es p e c i m e n w h i tt h ei n c r e a s i n go ft h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e ，t h el o c a t i o n so ft h et e n s i l e s t r e s sm a x i m u ma tt h r e es e c t i o n sa r es i m i l a r ，w h i l e ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n so f t h ew h o l es p e c i m e na r ed e c r e a s e d k e y w o r d ss i m u l a t e ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s sf i e l d ，p r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e 1 1 1 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文预热对热轧辊钢试样堆 焊温度场和应力场影响的数值模拟，是本人在导师指导下，在燕山大学攻 读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除 已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律 结果将完全由本人承担。 作者签字禹牟 日期： 年2 ，月弦日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 预热对热轧辊钢试样堆焊温度场和应力场影响的数值模拟系本人 在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文 的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单 位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密目。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 墙争 铷躲 日期：狮年明日 w 期：“年0 月”同 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 随着我国工业的迅速发展，钢材生产和应用也得到了突飞猛进的发展。 由于轧钢机械的生产效率、所轧制的产品质量在很大程度上取决于轧辊的 质量。因此，轧辊的质量的好坏及其使用寿命对轧钢的生产数量和质量有 着非常重要的意义。 热轧辊中高碳钢零部件的工作条件较为复杂。工作时承受着机械载荷、 热载荷和磨擦载荷。以热轧辊钢为例，在初轧过程中，热轧辊辊面可与温 度高达9 0 0 1 2 0 0 的红热钢材直接接触，然后又被冷却水冷却，连续经历 着急热和急冷的交变作用，因此，热轧辊的主要破坏形式为热疲劳破坏， 即轧辊表面发生龟裂和剥落现象。同时，轧辊因过渡磨损而报废也是其主 要失效原因之一。热模具以及连铸用小方坯热剪刃等与热轧辊相类似，在 工作过程中，同样承受着机械载荷、热载荷和磨擦载荷，因热疲劳和过度 磨损而失效o j 。 热轧辊、热模具等中高碳钢零部件是工业生产的关键备件，一般有含 有贵重合金元素的c r 、n i 、m n 和m o 钢制造【4 】。不仅其消耗量大，费用昂 贵，而且其材质的好坏直接影响着产品的数量、质量和生产效率。使用过 程中工件的局部损坏就会带来严重损失。应用堆焊的方法不仅可以恢复或 增加零件尺寸，还可以在所修复零件表面获得具有耐磨、耐热、耐蚀等特 定性能的熔敷金属，节省开支，具有巨大的经济效益。 中高碳钢零部件的热影响区和熔敷金属堆焊后经常开裂，从而使零件 报废。影响开裂的因素有两方面，即冶金因素和力学因素i ”。对于冶金因素 方面的影响，已开展了一些研究，研究了稀土氧化物对中高碳钢堆焊组织 6 】， 拉伸性能1 7 1 以及抗开裂性能【s l 的影响，探讨了稀土氧化物在中高碳钢堆焊金 属中成为非均质形核核心作用 9 , 1 0 j ，在此基础上研制了抗开裂堆焊焊条 1 2 1 ，同时还研究了马氏体相变温度对残余应力的影响【1 3 】，中高碳钢堆焊 冷却过程应力分布【1 4 】以及不同试样尺寸的残余应力的变化规律【1 5 】。而力学 燕山大学上学硕士学位论文 因素方面的影响却考虑很少。中高碳钢堆焊过程中，必然存在着各种组织 相变，必然会产生较大的相变应力场，它与热应力共同作用容易使得具有 高硬度、低塑性的堆焊会属丌裂。因此，研究堆焊后残余应力场是非常重 要的。 近2 0 年来，国内外对焊接残余应力的模拟技术进行了许多研究。堆焊 应力、温度和组织变化三者关系见图l 一1 。可以看出，热应力主要受焊接过 程中温度场的控制。在中高碳钢零部件堆焊过程中，必须对焊件在焊前进 行预热、焊后进行热处理，否则容易开裂。但是，预热和热处理对堆焊过 程应力场的影响规律目前还不清楚。同时，由于中高碳钢在堆焊过程中很 容易产生马氏体相变，马氏体相变不仅产生较大的体积应力，而且还会产 生相变应力，使堆焊试件不仅在残余应力的作用下，在室温开裂，而且， 在马氏体相变应力的作用下，在堆焊过程中开裂。所以，研究堆焊过程中 的瞬时应力分布是很重要的。但是瞬时应力场分布难以测量。因此，本文 首先对堆焊残余应力场进行测量，建立有限元模型，模拟堆焊残余应力场； 在此基础上，模拟不同预热温度下的堆焊过程应力场和残余应力场，分析 了不同预热温度对于堆焊过程应力和残余应力的影响规律。 图1 - 1温度、相变、热应力三者之间的耦合效麻1 7 1 f i g 1 1c o u p l i n ge f f e c to f t e m p e r a t u r e 、p h a s et r a n s f o r m a t i o na n dh e a ts l 】 e s s 1 7 1 2 第1 章绪论 1 2 轧辊堆焊技术发展及现状 1 2 1 堆焊的发展历史 堆焊是焊接领域中的一个重要分支，它在冶金、矿山、农机、石油化 工、电站、车辆、航天等工业部门的零件制造和修复中获得了广泛应用。 堆焊主要用在以下两个方面： 1 、制造新零件：用堆焊工艺制成双金属零件。它可采用不同于基体的 堆焊材料使表层性能优化，获得具有耐磨、耐热、耐蚀等性能的工作表面。 这样，不仅保证了零件有很长的使用寿命，而且大大减少了贵重合金消耗， 使设备的成本降低。 2 、修复旧零件：选择合适的堆焊合金材料对已磨损的零件进行堆焊， 可恢复尺寸或同时进步提高工作面的使用性能，这对降低生产成本、节 约材料、提高使用寿命、减少配件消耗等意义很大。如堆焊i i j # k 辊的费用 仅是新轧辊的3 0 左右，而轧制金属量可比新轧辊成倍提高。 在一些国家，每年堆焊在零部件上的金属总量达数万吨。堆焊技术在 我国起源于2 0 世纪5 0 年代末，几乎与焊接技术同步发展。发展初期主要用 于修复领域，即恢复零件的形状尺寸，6 0 年代已经将恢复形状尺寸与强化 表面及表面性能改善相结合，在7 0 8 0 年代，堆焊技术的应用领域进一步扩 大，堆焊技术从修理业扩展到制造业，带极电渣堆焊( e s w ) 的基本原理和其 可能的应用是同时1 9 8 2 年国际焊接学会会议首次被提出来，从那以后，这种 方法在世界上的机械行业得到了广泛的应用。9 0 年代受先进制造技术理念 的影响，堆焊方法与智能控制技术和精密磨削技术相结合的近净形技术 ( n e a rn e ts h a p e ) 弓l 起t f o l i 造业的广泛关注，这也是堆焊技术从技艺走向科 学的重要标志。另外，在最近兴起的再制造工程中，堆焊已经成为其中一 项非常重要的技术手段。堆焊技术在我国历经5 0 年的风雨历程，不仅是延 长材料或零件使用寿命的工艺方法，而且成为先进制造技术的发展基础。 堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在 母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的 燕山人学工学硕十学位论文 工艺方法【1 引。堆焊技术的显著特点是，堆焊层与母材具有典型的冶金结合， 堆焊层在服役过程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆 焊合会使材料或零件表面具有良好的耐磨，耐腐蚀，耐高温，抗氧化，耐 辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性【4 l 。 堆焊方法方面，相继开发了电弧堆焊、电渣堆焊、m i g 堆焊、等离子 弧粉末堆焊等，堆焊材料方面，相继开发了耐磨硬质合金堆焊材料，耐冷 热疲劳的c r n i w m o n b 及镍基马氏体时效钢等模具堆焊材料，以及用于轧 辊修复的低合金钢堆焊材料、热作模具钢堆焊材料、弥散硬化钢堆焊材料 和马氏体不锈钢堆焊材料等。在堆焊材料的使用方面，已从堆焊发展初期 的以焊条为主转向焊条、实心焊丝配焊剂、焊带配焊剂、药芯焊丝及粉末 等多种使用形式，而且药芯焊丝的使用比例呈逐年增长趋势。 堆焊的物理本质、冶金过程和热过程的基本规律，与一般焊接过程没有 区别。但是，由于堆焊的主要目的在于发挥表面堆焊合金的性能，所以需 注意下述特点： 1 、堆焊层合金成分是决定堆焊效果的主要因素； 2 、降低稀释率是制定堆焊工艺的要点之一； 3 、提高堆焊生产率； 4 、注意堆焊金属与基体金属的配合。 堆焊技术在我国近5 0 年的发展历程中，其应用遍及机械、能源、交通、 电力和冶金工业等领域，为基础工业的崛起和发展做出了重要贡献。 1 2 2 堆焊技术在轧辊中的应用 轧辊早期报废的主要原因是磨损和表面裂纹，如冷热交替环境导致龟 裂、因挤压产生的粘着磨损和磨粒磨损等，但其大部分仍完好，若将其视 为报废，将会给企业造成很大的经济损失。轧辊堆焊是指去除轧辊表面的 疲劳层或缺陷后，用合适的堆焊材料、采用科学的工艺方法将其修复至原 始辊径的过程，它的主要优点是轧辊使用前后的辊径不变。因此轧辊堆焊 技术为轧钢生产中降低轧辊消耗、提高轧辊使用寿命提供了可能 19 j 。轧辊 4 第1 章绪论 堆焊不仅需要恢复辊身和辊颈的尺寸，更重要的是提高辊身的耐冷热疲劳 及耐磨性能。影响热疲劳性能的因素主要有： ( 1 ) 峰值温度；( 2 ) 冷热 循环频率及高温停留时间：( 3 ) 环境气氛； ( 4 ) 工件尺寸；( 5 ) 堆焊金 属成分、组织及其性能。对轧辊来说，承受前四种因素的条件是一定的，提高 堆焊金属耐热疲劳性能的能力仅在于获得合适的成分、组织与性能| 2 0 】。 近年来，国际上各技术先进国家和国内一些主要钢铁生产企业如鞍钢、 太钢等已建立并正在逐渐推广大型轧辊的堆焊再生利用工作。文献【2 l 】介 绍，一个材质为7 5 c r m o 的棒材轧辊由于加工不当使毛坯尺寸过小由于其 碳当量很大( c = 1 2 5 ) ，因此，焊接性能很差。通过选用a 3 0 2 焊条焊前经2 5 0 烘焙一小时，并采用履带式加热片包裹修复部位，预热1 8 0 ，在堆焊 过程中保持此温度，焊后立即用履带式加热片加热至1 8 0 ，保温2h ，用 石棉布包裹，缓慢冷却。经实际使用表明该轧辊完全达到技术要求。大型 压延设备中有大量的热轧辊，其中有相当一部分用6 0 c r m n m o $ 1 j 造的。这种 热轧辊表面淬火掉角是常见的热处理缺陷之一。惠渊博【2 2 j 等选用直径3 2 r n n l 的j 5 0 7 焊条焊前经3 5 0 4 0 0 保温2h 随烘随用将淬火掉角的热轧 辊在井式炉中整体预热3 0 0 3 5 0 ，然后施焊，焊后立即进行4 5 0 回火 消除应力。焊后焊缝表面粗磨后用磁粉探伤，没有发现裂纹，满足性能要 求。 连铸是我国钢铁企业的发展目标，而连铸辊是连铸机顺利生产的关键 部件，其高温强度和使用寿命直接影响着连铸的产量。利用堆焊工艺可以 修复连铸辊，不仅可提高连铸辊的使用性能，而且可以降低成本。苗海良i 对连铸辊进行了堆焊修复，堆焊采用从美国p r o d u c t i o ne x p e r t ( p e ) 公司引进 的先进连铸辊修复技术以及该公司生产的堆焊用药芯焊丝和焊剂。把连铸 辊放入加热炉中升温至3 5 0 ，然后保温。先采用焊丝l i n c o r e 8 6 2 0 ( 3 2 m m ) + 烧结焊剂l m c o l n 8 0 2 堆焊三层，然后再采用药芯焊丝l i n c o r e 4 2 3 c r ( 3 2 m m ) + 烧结焊齐f l l i n c o l n 8 0 2 堆焊三层，从而达到尺寸要求焊后在加热炉缓冷。使 用后与未修复的新辊对比，使用寿命可以提高2 3 倍。 莱钢特殊钢厂大型成材车间粗轧机为辊径6 5 0 三辊轧机，轧辊最大辊径 为7 4 0r a i n ，最小辊径6 8 0n m ，轧辊材质为7 5 c r 3 n i m o 。在轧制过程中轧辊 燕山大学t 学硕士学位论文 要受到冷、热的交替作用和较大的轧制压力，而且由于轧辊冷却不良等原 因，造成其磨损严重、消耗高。为此，开展了对轧辊的堆焊修复的探索， 经过仔细的研究和对比后，决定采用埋弧堆焊法来修复有缺陷的轧辊。经 过近一年的试用，效果良好。轧辊单槽过钢量由原先的6 0 0 0 8 0 0 0 吨，提高 到现在的1 2 0 0 0 吨左右，轧辊吨钢消耗由1 8 2k g t 钢降为1 7 8k g t 钢，减少了 换辊次数，提高了轧机作业率，每月可节约轧辊消耗1 7 5 万元，经济效益显 著【2 4 1 。 攀钢轨梁厂西115 0i t l l n 初轧机轧辊材质为6 0 c r m n m o ，进行埋弧焊堆 焊。焊前将堆焊辊缓慢加热至3 1 0 - 3 3 0 ，恒温1 6h 以上。过渡层选用 h 0 8 a ( q ) 4 0m m ) 配s j l 0 1 焊剂进行焊接，有效工作层采用弥散钢强化型 h 2 5 c r 3 m 0 2 m n v a 焊丝( 讲0m l n ) ，配s j l 0 1 进行堆焊。当轧辊各孔底堆 焊均达2 5r n l n ( 单边) 时，缓慢升温至4 8 0 ，保温1 2 h 以上，进行中间热 处理，之后再继续堆焊至规定要求。堆焊后的轧辊立即缓慢升温至5 8 0 ， 保温2 4h 进行去应力退火处理。经对轧辊进行磁粉探伤、超声波探伤，检 验合格。一对新辊的费用为1 1 6 1 6 万元，一对堆焊修复辊的结算费用为5 3 万元。堆焊辊通过合理选用堆焊材料，比新辊具有更好的红硬性、热强性、 耐疲劳性和耐磨性。而且堆焊辊可以延长单周期工作时间，提高一次装机 的轧制量，型材尺寸稳定，表面质量好，经济效益显著【25 1 。 天津钢管公司自热负荷试车以来，每年连轧机轧辊及其它轧制工具都 有大量损耗，为此决定采用堆焊工艺修复轧辊及其它冶金设备易损件，这 也是国内外常用的工艺措施。采用堆焊修复具有如下优点： n ) 使废i h 车i , 辊等冶金工具备件整旧如新，其修复费用仅为购置新品的l 2 左右，有的甚至仅为1 3 。 ( 2 ) 提高性能，延长寿命。表面堆焊硬质合金不仅可以恢复旧件的外形 尺寸，更可获得外硬、内韧等特殊性能的复合材料零部件，从而提高其使 用性能。焊接工艺评定结果证明：焊缝的外观成形、内部质量、力学性能 均满足技术要求。该工艺试验成功，大大提高了生产效率，成形比焊条电 弧焊美观得多，从对实际工程焊接缺陷统计数据来看，气孔、裂纹、夹渣、 咬边等缺陷明显减少，值得推广使用。 6 第1 章绪论 1 2 _ 3 堆焊时易产生的缺陷及其防治方法 1 、气孔：在堆焊中由于熔化的液态金属中有气体，因会属表面变冷而 来不及从金属中排到大气中去，而以气泡的形式存在于堆焊层内部或暴露 在堆焊层表面的孔洞，称作气孔。 由于气孔主要是由于堆焊表面或焊剂所带的杂质引起的，故在焊前应 清除油污和铁锈等杂物，烘干焊剂，根据轧辊或其他堆焊工件的直径，适 当调整堆焊速度。 2 、裂纹：裂纹分为横向裂纹，纵向裂纹，边纵裂纹和内裂纹。裂纹产 生主要是由于堆焊工件温度升降过快，各点的温度分布不均匀，造成堆焊 工件体积膨胀或收缩不均。在堆焊工件内部产生体积应力和相变应力。当 体积应力和相变应力的总和超过了堆焊层金属的内部结合力时，就使堆焊 层产生了裂纹。 要求在堆焊前制定正确合理的热处理工艺，严格限制硫、磷含量。 i 2 4 热过程引起的残余应力及其分类 零件在热过程中，将发生热胀冷缩的体积变化以及因相变时新旧两相 比容差异而发生的体积改变。热传导过程由于零件表面比心部先加热或先 冷却，在截面上各部分之间存在温度差异使零件表面和心部不能在同一时 期发生上述的体积变化，各部分体积变化的相互牵制产生了内应力。加热 或冷却速度越大，在零件表面上的温度越大所形成的内应力越大。热过程 中所形成的内应力可称为瞬时应力，热过程结束后在零件内部存在的应力 称为残余应力。 由焊接而产生的残余应力和残余变形是导致焊接裂纹和接头强度下降 的重要因素，为了防止焊接裂纹，保证结构的安全使用，准确地了解焊接 残余应力的大小和分布规律以便调控残余应力和减少残余变形已成为一个 极为重要的课题。传统的残余应力研究方法多是破坏性的研究方法( 如小 燕山大学t 学硕士学位论文 孔法) ，不但费时费力，大量的实验也会增加生产成本。随着计算机的飞速 发展，利用计算机模拟技术来模拟焊接接头残余应力的分布情况，可以经 济而有效地为我们制订正确的焊接工艺提供理论依据。 1 3 数值模拟在堆焊过程中的应用 1 3 1 基于有限元的几种焊接模拟软件简介 有限元分析( f e a ) 的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求 解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对某一单 元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件 ( 如结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。把物理结构分割成不同大小、不 同类型的区域，这些区域就称为单元。 本文中是采用a n s y s 软件进行堆焊温度场和应力场的模拟。有限元法 作为一种高度有效的分析方法，在传热学等许多领域得到了发展。近年来， 有限元法已成为计算机辅助设计的一个重要组成部分。这样，有限元法就 从一种单纯的分析工具转变成了一种设计手段。有限元程序从分析模型的 建立、网格的描述、分析约束条件及施加载荷、结果的整理等以成为计算 模拟的基本思路。 在实际工作中，上述有限元分析只是在计算机软件处理中的步骤( 有限 元程序) ，要完成工程分析，还需要更多的前处理和后处理，完整的有限元 分析程序如图1 2 所示。 第1 章绪论 决定分析选项 决定分析的几何结构、 边界条件、外力 获取材料性质 图1 - 2 有限元分析流程示意图【2 6 】 f i g 1 2 f o l l o wc h a r to f f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o c e s s 【2 6 a n s y s 软件融结构、热、流体、电磁、声学于一体，以有限元分析为 基础的大型通用c a e 软件。可以对焊接温度场、焊接力学场进行模拟，但 对存在流体动力学、相变动力学、蠕变及粘弹塑性相结合的复杂焊接过程 进行了很多简化假设，有很大的局限性，不能保证高度非线性和大变形焊 接问题解的收敛性和精度。因此，很多学者都致力于焊接模拟专用软件的 9 燕山大学t 学硕士学位论文 研究与开发，国际上较有影响的有m a g s l m 和s y s w e l d f 2 7 1 。 1 3 2a n s y s 软件主要特点 本文中是采用a n s y s 软件进行堆焊温度场和应力场的模拟。有限元 法作为一种高度有效的分析方法。a n s y s 的如下特点使得其在有限元分析 软件中具有领先地位。 ( 1 ) 唯一能实现多场及多场藕合分析功能的软件。用户不但可用其进行 诸如结构、热、流体流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些类型的相 互影响研究。例如：热一结构藕合，磁一结构藕合以及电一磁一流体一热藕合等。 ( 2 ) 唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型f e a 软件。 r 3 ) 唯一具有多物理场优化功能的f e a 软件。 f 4 1 强大的非线性分析功能。 1 3 3 数值模拟在焊接领域中的应用 1 9 6 2 年丹麦人首次用计算机有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算 进入7 0 年代更多的国家加入到这个研究行列并从铸造逐步扩展到锻压、热 处理、焊接。我国焊接界数值模拟研究起步8 0 年代切近年来很多的科研单 位和个人投入到了这项研究中并取得了积极的进展。对焊接过程的有限元 模拟主要分成两个方面： 1 3 3 1 焊接热过程分析焊接热过程分析包括焊接热源的大小和分布形 式分析；热物理性能随温度变化的影响分析；焊接熔池中的流体动力学和 传热分析；焊接电弧的传热传质分析以及各种实际焊接接头形式、焊接程 序、焊接工艺方法的边界条件处理等。对于焊接热过程的研究在4 0 年代就 已经开始【2 8 】。八十年代以前，焊接传热的研究按导热模式进行，即所谓的 导热控制机制。这方面的经典代表作是r o s e n t h a l 2 9 1 的移动热源固体导热模 型和前苏联的雷卡林院士【3 0 】建立的焊接传热学的理论基础，进而进行的一 整套解析求解工作。但是由于焊接传热过程十分复杂，要解一个非线形的 第1 章绪论 解析解很困难，至今所解析的数学分析结果，几乎都是在材料热物理性能 不随温度变化的假设条件下研究得到的。a d a m s 、木原博和稻恒道夫等人 p 。”1 根据传热微分方程从另一途径进行了大量的研究工作。以大量实验为 基础，积累了不同焊接条件下有关温度材料数据，经过整理、归纳和验证。 建立不同情况下的传热计算公式。5 0 年代起开始用数值法解决弹性力学中 的应力分布和传热学中的温度分布问题。由于手工计算量过大，这一方法 在使用上受到了限制。随着计算机的出现，繁重的计算工作可以由计算机 来代替，使数值法求解热传导微分方程向2 个方向发展，即差分法和有限 元法。 焊接热过程的有限元分析开始于2 0 世纪7 0 年代i ”0 6 1 。1 9 8 5 年樊丁和 m u s h i o 在假定电流为高斯分布的条件下，计算了电弧的压力场分布规律 建立了较完善的电弧传热传质数值模型 3 ”。l o w k e 采用了一个统一的电弧 一电极处理系统对c t a w 和c m a 焊接时电极的温度进行了数值预测该二 维模型可在任何给定电流焊接气体和电极形状下进行分析【3 引。在焊接数值 模拟方面也有很多人针对平面内环焊缝进行了研究和分析p 9 4 2 。此外，苏 联b n n a p u o h o b l 4 那用差分法计算了薄板的焊接热场。目前，有限元方法已 经在温度场分析方面得到广泛应用1 4 4 ，4 5 4 q 。 国内这方面的研究开始于8 0 年代。其中西安交大的唐慕尧教授用有限 元的方法计算了薄板准稳态温度场，计算中未考虑材料热物性的菲线性和 工件表面热损失。之后，上海交通大学的陈楚等1 4 7 , 4 8 1 对二维非线性稳态及 瞬态温度场进行了有限元分析。国内首先考虑流体流动的是武传松【4 ”“， 他们建立了三维t i g 焊熔池的流体流动及传热模型，同时考虑了熔池内部 液态金属对流的影响，扩展了电弧固定的二维熔池模型。武传松 5 1 , 5 2 1 ，孙 俊生【5 3 】提出了m i g m a g 焊接电流在变形熔池表面上的分布模型，并以此 为基础建立了电弧热流密度在变形熔池表面上的分布模式，模拟了 m i g m a g 焊接熔池的温度场。 文献e 5 4 首次将电弧看作辐射状并呈高斯分布的二维热流作用于工 件表面解决了电弧产热问题。通过淬液法测试金属的固相分数随温度变化 率，得到凝固潜热释放率，采用增大热传导系数的方法并考虑熔池内流体 燕山大学工学硕士学位论文 流动对整个温度场的影响，建立了二维焊接凝裂纹温度场计算模型。文献 5 5 在a d i n a t 的基础上建立了包括网格划分、材料性能参数输入和 焊接参数输入的输入模块，实现了参数的输入、预览等基本功能，同时编 制了时间函数自动生成模块，实现了用时间函数来描述焊接工程中的电弧 热输入，设计了单元死活时间自动计算模块，成功的实现了单元活一死一 活过程，最终形成了可以引导技术人员完成复杂的凝固裂纹数值模拟的自 动前处理系统。文献 5 6 以a d i n a t 为中心计算软件，利用v b 6 0 为 主要编程语言，借助m a t l a b 及m a t r i x v b 矩阵运算函数库，建立了温度 场数值模拟后处理系统，该系统通过位置和时间步设置，实现了任意位置 和时刻温度场的三维等高线、横截面、纵截面和循环线的显示。 1 3 3 2 焊接应立场分析焊接应力与应变数值分析的研究：包括焊接动态 的应力应变过程、焊接残余应力和残余变形；拘束度和拘束应力以及消除 应力处理等。这对预防焊接裂纹和提高接头的性能有很大益处。2 0 世纪7 0 年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元为基础，提出了考虑材料力学性 能与强度有关的热弹塑性分析理论，从而使复杂的动态焊接应力应变过程 的分析成为可能。近年来用有限元法计算残余应力的计算技术有了显著发 展，理论预测和实测结果的吻合程度不断改善。法国的j b l e b l o n 对相变 时钢的塑性行为进行了理论和数值研究。在研究基础上发展了s y s w e l d 软件，研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相变、热应力三者之间的 耦合效应。m u r t h y t 5 7 1 提出了采用有限元法对由焊接和冷却过程所产生的残 余应力分析的综合方法，在热和热弹塑性方程中，考虑了由于材料性能变化 和与温度相关的热传导系数的非线性以及辐射边界条件和固态相变的影响， 一些板的对接焊，管的环焊，板的多层焊以及随后的冷却情况在计算机程 序编制时进行了实验，并且这些分析中获得的温度和应力分布与测量值进 行了比较。a r a i t 5 8 1 进行了残余应力对由焊接引起的裂纹扩展的试验与理论 研究，把测量的残余应力加入到模拟稳态裂纹的有限元程序中，对远应力 场参数和近应力场参数进行了验证，同时也对恒定氢致残余应力分布在电 子束焊接时对疲劳裂纹的扩展进行了研究。裂纹尖端前后残余应力分前i 与 塑性区尺寸关系的重要性进行了鉴定。z a c h a r i a 5 9 1 对由热载荷和机械载荷所 第1 章绪论 引起的过程应力对焊接金属热裂纹的影响进行了研究。这一研究试图解决 试样过程应力，特别是熔池末端位置，与在溶化极惰性气体保护电弧焊试 样获得的裂纹特征之间的关系。试验采用3 1 6 不锈钢试样，对由机械载荷 和热载荷所产生的过程应力进行了计算。结果表明，产生热裂纹，在能够 影响焊接条件和机械约束的冶金因素和机械因素之间存在着动力联系。 文献 5 5 ，6 0 】通过采用单元再生、单元死活方案。消除了焊接构件中熔 池变形对熔池尾部应力应变场的影响，通过加大材料线膨胀系数的方法， 考虑凝固收缩对熔池尾部应力应变场的影响。通过采用热弹，塑性力学方 法处理了固相区的应力应变本构关系，从而建立了一种计算凝固裂纹驱动 力的有效方法。文献 6 1 ，6 2 针对实际结构应力和变形的数值模拟，研究了 焊接移动热源；动态可逆的自适应网格技术；焊缝熔敷会属填充的处理； 并行计算，材料性能在高温时的处理，降阶积分等关键性问题，提出了相 似理论，快速焊接变形实时测量在焊接数值模拟中的应用。 近年来国内对于焊接应力场的模拟也做了一些研究，1 9 9 9 年天津大学 对管道结构环焊缝焊接残余应力计算模拟。在考虑了与焊接热源、焊接顺 序、焊接接头形式、材料性能等多种因素的条件下。计算并实测了管道环 焊缝多层( 三层) 焊的残余应力，分析了焊缝强度匹配对计算结果的影响。 为了模拟焊缝多层焊情况，焊缝单元分为三组，每组对应于每层焊道，以 便使用程序中的“死”、“活”选择，即在焊接开始时，第二层和第三层焊 缝单元处于“死”状态，此时它们对应力的计算不起作用；第二层焊缝开始 旌焊后，第二层焊缝所处单元被“激活”，对传热和应力均起作用，但第三 层焊缝单元仍处于“死”状态，直到第三层焊缝施焊，全部单元都将起作用。 可见，a di n a 程序中的“死”和“活”选择可以很好地模拟多层焊的焊 接过程。得到结论： ( 1 ) 建立了管道多层环焊缝残余应力有限元计算模型，计算结果与实测 结果基本一致，说明所建模型和测试结果是可靠的。 ( 2 ) 管道内表面焊缝和近缝区的轴向和环向拉伸残余应力均达到焊缝 材料的屈服强度，因而从残余应力对结构强度影响的观点考虑，它们是危 险点。 燕山大学工学硕士学位论文 2 0 0 2 年华中科技大学的罗金华基于a n s y s ，对中厚板焊接的温度场和 应力应变场进行三维数值动态模拟，并将计算量控制在可接受的范围内。 建模时采用两种单元结合以获得焊缝处细密、远离焊缝处粗略的不均匀网 格，热载荷施加过程中采用余量控制法，应力应变场的分析采取了一系列 非线性措施。计算结果表明在焊接和冷却过程中角变形沿纵向并不总是线 性分布的1 6 3 l 。2 0 0 5 年内蒙古工业大学的陈荚蓉利用三维有限元分析软件，模 拟了b t 2 0 钛合金薄板焊态和焊后电子束局部热处理的实际焊接温度场以 及残余应力的分布。讨论了不同的热处理方式以及热处理工艺参数对焊接 接头残余应力分布的影响。结果表明，在钛合会薄板焊缝的背面进行电子束 局部热处理。可以显著降低焊缝中心处的残余拉应力。并分别比较了加热方 式、加热宽度和加热时间对焊接残余应力的影响i 椒j 。哈尔滨工业大学的方 洪渊、王霄腾等模拟了l f 6 铝合金薄板平面内环焊缝焊接应力与变形。比 较了同一时刻熔合线两侧的温度场和应力分布变化规律1 6 ”。 1 4 本文的研究目的和研究内容 中高碳钢由于其碳当量较大，其堆焊金属的硬度较高、塑性较差。同 时，由于在堆焊快速冷却条件下，还必然会发生低温马氏体相变，使得堆 焊金属焊后易产生开裂，堆焊裂纹不仅在堆焊结束后，在残余应力的作用 下产生，而且在堆焊冷却过程中在动态应力的作用下也可能产生。因此， 分析中高碳钢堆焊冷却过程的动态应力分布，对弄清堆焊裂纹产生机理， 提高堆焊金属的抗开裂性能具有重要的指导意义。 焊接应力产生的根本原因与焊接过程中由于局部的热输入而导致不均 匀的温度场有关。对于普通结构钢的焊接残余应力的测量和计算已经做了 许多工作，但针对中高碳钢堆焊开裂原因又有其不同于普通结构钢的特殊 性，特别是在实际生产过程中大多工件加工前都需要预热，所以对于在不 同预热条件下的温度场和应力场的计算就显得尤为符合实际生产要求。 因此，本文以6 0 c r m n m o 热轧辊钢为研究对象，利用a n s y s 有限元 分析软件进行以下方面的研究： 1 4 第1 章绪论 ( 1 ) 采用a n s y s 有限元分析软件建立6 0 c r m n m o 钢试样中心堆焊温度 场的计算模型，对无预热条件下的堆焊试件温度场进行数值模拟，并与测 量结果进行比较。在此基础上，应用上述模型，对无预热条件下堆焊试样 温度变化过程进行数值模拟。以获得不同时刻整个试样的温度场及试样上 各点的温度变化规律。 f 2 ) n 用上述模型，对2 0 0 、3 0 0 和4 0 0 不同预热温度下的堆焊温 度场进行模拟计算，研究预热温度对堆焊冷却过程温度场的影响。 ( 3 1 在温度场模拟的基础上对其堆焊内应力场进行计算机模拟研究堆焊 过程中试件内部应力场的变化规律。 f 4 ) 模拟2 0 0 、3 0 0 和4 0 0 不同预热温度下的堆焊应力场，对比分 析预热和不同预热温度对应力峰值和应力分布变化趋势的影响。 燕山人学工学硕士学位论文 第2 章实验设备及方法 2 1 试验材料及热处理 试验用母材为6 0 c r m n m o 热轧辊钢，其化学成分参见表2 1 。在试验前 式样经调质处理，调质工艺为：8 2 0 ，3 0 r a i n 油淬+ 5 6 0 ，9 0 r a i n 空冷。 表2 - 1 试验用钢的化学成分( 州峋 t a b l e2 - 1 c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f t e s t e ds t e e l ( 晰) 元素cc rm nm os ip i s 0 含量0 6 41 0 40 8 80 ，2 203 30 0 1 6 l 0 0 3 80 0 0 4 9 堆焊热