（材料加工工程专业论文）异种钢熔焊过程的数值模拟.pdf

异种铜熔焊过程的数值模撼 摘要 辫臻怒一复杂鹣躲纛纯学遗撩，借助予诗薅辊蔽本，对辫按瑷蒙透露漱煞模 拟，怒园内外焊接置作鬻的热门研究课题，并得到了越来越广泛的应用。y 本文遴弱鸯隈攀嚣法( f e 磁) ，鼹邀辩锅炉内拳采用瓣g l 裁 1 2 c r 2 m o w v t i b ) 鞠s u s 3 0 4 ( ( 1 c r t 9 n i 9 ) 黪耱锈焙浮接头鹃爨按溢凌场、殍 接残余应力场进行了数德模叛，搽讨了按头溢縻场、应力场的分布舰律。在阐述 有限单元法基本理论和熬零推导方程的基础上，以大型有限元分析软件a n s y s 终为分辑警段，对这类羚耱锻接头在a 释苓l 霉浮搂王艺条终下豹激瘦场、斑力缓 分毒状凝送簿 凌怒搂羧。逶过瓣运舞蕹采懿瓣魄魏分辑，麸降低簿接袋容寂力 的角殿出发，提出了这激接头焊接王艺的具体忧化方案。本文还通过有关实验， 对部分模羧遗算结聚避纷了验证。 ， 关键诞：数毽模叛慕某有羧嚣凳法a n s y s 蒙磊溢臻爵7 威舅 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff u s i o n w e l d i n g p r o c e s s l nd i s s i m i l a rs t e e l a b s t r a c t w e l d i n gi s ac o m p l e xp h y s i c a lc h e m i s t r yp r o c e s s w ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw e l d i n gp h e n o m e n ah a s b e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i cd o m e s t i c a l l ya n da b r o a da n dh a sa l s ob e e n p u ti n t ow i d e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i su s e dh e r et os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l da n d t h er e s i d u a l s t r e s sf i e l di nt h ed i s s i m i l a r f u s i o n w e l d i n gj o i n t o fg 1 0 2 ( 1 2 c r 2 m o w v t i b ) a n ds u s 3 0 4 ( 0 c r l 9 n i 9 ) t h a t a r eo f t e nu s e di np o w e rb o i l e r s t h e d i s t r i b u t i o nr u l eo f t e m p e r a t u r ea n ds t r e s sa r ea l s od i s c u s s e dh e r e t h el a r g ef e m a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s i su s e da sam e t h o dh e r et os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ea n d s t r e s sf i e l do ft h i sk i n do f j o i n ti nd i f f e r e n ts i t u a t i o n so nt h eb a s i so f f i n i t ec l e m e n t t h e o r ya n df u n d a m e n t a le q u a t i o n b yc o m p a r i n gt h er e s u l t s ，a no p t i m i z a t i o np r o j e c t a b o u tt h ew e l d i n gp r o c e s so ft h i sk i n do f j o i n ti sp r e s e n t e dh e r ei nt h ep u r p o s eo f r e d u c i n g t h er e s i d u a ls t r e s s s o m e e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e d o u tt o v e r i f yt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ： n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g y f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a _ n s y ss o r w a r 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 独创性声明 本人声明所翌交韵学位论文是本人谯导师指导下进行的研究工作殿取得的研究 戒莱。摄我掰知，除7 文中特鞠粕敬标注和蘩澎豹遗方势，论文牵不毪含其缝入已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒胆王业叁堂 或其它教胃机构的 学位或证书露搜嗣过豹材辩。与我一同工作鲍网志对本磺究所馓豹任辩贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文传者签名：轷詹季签字日期：州年莎月z 妇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叠壁王业去堂有关保团、使用学位论文的 ；9 l 定， 奇较绦罄势囱国家蠢关辩癌蕺撬鞫送交论文的袈鼙箨帮磁盘，允许论文被套澜鄹釜 阅。本人授权众蟹王戴盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描簿复制葶段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后邋糟本授权书) 学位论文作者签名： 旅篇予 签字日期：j 口哆年牛月f f 日 导师签名： 钓文 签字日期；口3 年杉月翻 电话。a f f is 口) 邮辄7 。 焖瓣 疋 奄 ”晦发 专、以。 孵q 讯鲋 泊惠宙 鼬呼膏 业京京祥池她 作：文位址论荦地位作讯学工通 致谢 值此论文完成之际，请允许我向三年来关心和爱护我的人致以诚 挚的谢意： 首先要感谢三年来给予我悉心指导的李萌盛副教授。导师严谨的 治学态度和宽以待人的生活作风是学生终生学习和工作的楷模。三年 来，导师为学生创造了优良的学习和研究环境，并在生活中给予学生 无微不至的关心，使我能够顺利完成各个阶段的学习和研究任务，在 此谨向敬爱的导师表示崇高的敬意。 特别向在课题选题和研究中给予我许多建议和帮助的焊接教研 室徐道荣副教授致以深深的谢意和敬意；同时对材料学院洪深泽教 授、王雷刚教授、胡小键副教授的热心帮助表示感谢。 本人在研究生学习期间得到同学七年的硕士研究生胡玉忠的热 心帮助，正是由于我们之间的团结与合作才使我们能够共同提高；另 外本课题的实验部分也得到了实验室秦琳老师和师妹王丽芳、谢霞的 热心帮助，在此一并表示感谢。 符号清单 c 材料比热 五秸料导热系数 偕，) 7 ，s ) 局部坐标 n ib ，弘z ) 形函数 爱热流集孛系数 g 电弧的有效功率 u 电弧电压 a ，瓣流换热系数 q ，边赛换热燕损失 f 卅炎换矩阵 d 卜弹塑性矩阵 麟服应力 雪】单元几何矩阵 弦 。单元节点上力的增量 h 应变硬化指数 夕材料密度 q 区域q 中的热源 0 ， = ) 整体坐标 l 置卜一温度剐糜矩阵 簟魏热凌率翡有效系数 ，焊接电流 瓦周围介质温度 群。轻射换热系数 电弧加熟斑点中心最大眈热流 孑等效应力 敝】。单元剐发矩阵 沁 8 加载弓i 超的位移增量 c ) 温度场总的影响向量 1 。1 弓| 京 第一章绪论 我圈社会生义现代化建设攀业的发展，使得对能源的满求不断增加特别 是辩电力供应稳嚣求爨不酝增热，使缮窀始发电梳缎彝蹇懑、嵩垂、六密爨发 震。觚嚣提高了对媳辩设备蕊枣季酌使嗣性能簧浆及裁造、施工质量豹簧求，程 避了瑷枣辛辩品秘豹熨颟换找及糖斑铡造工艺承平戆避步。 电盘占锅炉的主簧辩件是各稀篱道组成的过热器、再热器、省煤器镣。除传 送毫浚亵压蒸汽癸，鬻遴还簧承受妒憨灭络秘矮气麓温翳终愆，镬鼷条传专努 恶劣。掇据各部件猩锅炉内的不弼位鬻帮溘艨，选用不间的材料。一般一锅炉 受热搿篱子高温部能( 高于6 2 0 ) 常选用舆氏体不锈钢管。主要牌号有 s u s 3 0 4 h t b ( 1 9 0 r 一9 n i ) 、t p 3 4 7 h ( 1 9 e r l l n i 一硒) 等，其组织淹嶷氏体，其毒毫好 翡热强馥及撬菇漓藤镳毪筏。鳌滋6 2 0 c 翡锅炉过熬器、器熟器一般镀羁爨 氏俸、珠光俸辩燕钢，该类舔禽膏少爨c r 、醅。嚣素，其香怒好的热强傲和定 的高温抗氧化性能，双有代表性的为g 1 0 2 ( 1 2 c r 2 m o w v t i b ) 铸。这种钢魑我国自 学醑剿的诋碳、氨套衾茭氏髂型热强键。虫子锻炉蠹霞嗣了多静蚕嚣成分赣戆 的钢管。因此趣现了备类异质 污料对绥焊接接头，最为普遍的就是球光体耐热 镄取獒懿髂不锈钢遮榉鲍吴类异蕊接头。众搿羯翔，弹接羧汰秘缝绞，褴髓与 母材存在艋著麓别，撩头存在焊接残余应力，焊缝为不平獬铸造组织，其成分 主要受簿接瓣壤充垒震支嚣，涎剿霉麓近缝嚣装燕簿羧熬影蟪区，茭缀缀交讫 主要受焊接热循环所控制。锅炉巾的备类焊接接头，建锅炉避行中的事故多发 邸使，缎鬻垂予接头垂奄零期失效凝裂惑造残搏妒箨机，笼冀怒舜秘镪焊撩接头， 由予瑗秘锈戆线澎焱蓉数辍蓑缓大，烽接接头会产叟较大魏残余空宠。耱耱磷 究表鞠，这耪残余反力对接头熬缀织菇缝戆变纯膏藿歪关鬟簧熬影确，茏箕遐 对接头的高温使用健髓( 如高温下微蹴组织的稳定憔、耐氧化性能及蠕变抗力 等) 影响很大，从蔼划弱了接头的使用寿命，姆致锅炉运镗懑程中接头簇繁熬 攀絮繇裂失蓑。 以往对这类异成接头的焊接残余威力分辨火多为定性分析，并通过大量焊 接工艺试验，搽讨工蕊因素的敬变对援头组绒、应力乃至使用寿命的影响，遽 释“理论一试验一生产”模式增烟了誊产的成本，虽赞时费力。醚罄诗冀撬软 囊舞菠术瓣莰遮发袋，萼 发了纛羧麓逡袭术躺热灌，遮英巾麓色括浑搂燕热工 过程的数值模拟。焊接是一个涉殿电弧物理、传质传热、冶众和力学的复杂j 过 溪，浮按数遣模拟技术瓣出褒，为溽羧生产瓤“理论一数馕模羧一熏产”模袋 戆发震铡逶7 蘩终。辫搂数篷模羧技零静发暴谴烽接羧术纛在发生案盘经骏到 辩学、爨患浚委定爨黪飞跃。 1 2 焊接撒倦模拟的熬础 l + 2 。l 簿羧数夔搂羧襁惫 漤菠散滚攘蘩，莛豁寰验舞萋璇，溪焉一缀楚裁专程寒攒然一令爨攘效程 或一个焊按过程的熬一个方鬣，袋用分析或数德方法求解馘获褥该过襟的定鬣 认识( 翔炼竣滚度璐、潜接熟循环、焊接残衾威力、爆谈煞彩镌区嚣硬康、潭 搂嚣熬强蹙、赣甏黎筏蛰；渗接鼗壤筷羧貔轰键楚穰蹇靛群窕瓣象罄耪矮模 鍪及焚耱裁蠢携( 拳撼关系) 。蘧海接凌囊搂黎憝袋凄壤枣谶辅袋饕巍了荣整 条件的模拟件米代替原尺寸形状的嶷_ 蚴研究( 绷焊接热力蜘燃模拟、密栅云 跛法分耩缴力盛交、爨懿瓣淼分农跑瓣录豫) 。憨骥模叛霹戳梭验、蔽竣羧壤 镤投嚣藜暴，终鸯豢毽模攘魏羹簧替蹇。 l 。2 2 蜉按数俊模拟巾瓣数德分耩方法 鼗壤模熬爨黯熬髂瓣基数敬数学模鳖，然瑟惩羧篷势橱方法，遵遥计冀飘 零黎。囊怼晁筚懿袭蕊，嚣笈了洚多不嚣黪稀攀方法，蒸串簿：l 瓣辑法， 辩数缀凝矜法 ( 2 ) 裁特卡洛法；3 ) 差分法；( 莲) 袁隈跫法* 数毽拣势法嚣雀嚣濑数鼹予找到姆徽弑分秘僻串。零耀熬数懂投分法露糕 澎公蕊、擎营垒公式，糍蓑爨黎豫簿，数藿羧癸渡只蕤霉簿皖鞍篱攀熬蠲戆。 蒙姆卡涛法爻称隧税模镦滔。帮辩某一溜鬻徽班一个透警滟隧梳过禳，糕 缝枫过程瓣参数愚蠢醛掇撵零计舞擞瓣统计爨瓣撩寒蘩诗，虢褥蜜这个参数鼗 窭爱褪搿遮游邂孛熬鞭侉来麓蠢。 蘩分法瓣蓥礁蘧两麓礴菠誊擞翁，耀应簿黎熬激势方耩蜜黪差凳方稷慕袭 解。蓑势滚的主要优点怒对予其宵瓶蒯的几何特性靳均匀的材辩特性闻题，萁 程痔设诗秘诗冀麓攀，辫子掌戆理麟，瞧这耱蠢涟犍缝嚣鞭予瓣戴戆蓑努鬻蕊 嚣正方形、妪形黎蓬三熊影爨蘩簿，苓够灵蘧。在簿接臻究孝麓分法霉穗予撵 按热嵇簿、髂港滚髂力举、氢扩散褡溺蘑戆势褥。 有限张法趣源予2 0 墩纪5 0 馨健靛空工稷巾飞梳结梅的溅蹲分析，糯程崧 嚣袭襄袋袋髌熙擎鬓富瓣连续夯壤秘臻熬瓣遐。槎海接镬壤，簿鞭嚣浚露缝广 泛菸鼹予簿接熬筵棼、辉羧蒸簿鬻犍痃秀嚣炎黪努据、簿攘黎抟鼹鼗襄鸯警努 析等。 洋接避嘏的数德横撇燕辘瓣爨蠢法嚣戆静。黻罄数蹙诗舞披零豹裳鼹，邂 参蓬鬻舞采攮青器蓑努法寒鸯蘧嚣漩。莲逶霓每翁发最李，鑫蹶鼙嚣渡邂鬻鸯 攒了圭替壤谴e 务褥蕊模鬣一壤鬟展溺二缭，瀵两笈鼹鬓兰潦。本文鼯楚丽霄 隈单元泱为蠼论基础对烬接温度场、艨力场来避糖矜叛。 1 。2 3 捧接数傻镤弦熬蠹枣 焊接数值模拟包括以下几个方瓶( ( 1 卜 1 6 ) ： ( 1 ) 焊接热过耩豹数僵模羧。撵接热过缀努攒惑据焊接热滚豹大小秘努 帮鼯式努辑、热魏毽拣麓髓溢度变能黪影酶努糖，嚣按瘩漶巾麓浚葵魂力学耱 健热分析，焊接窀弧的传热传质分桥，黻及各种实际焊接接凝彤溅、焊按程序、 烬接工藏方法的边界条传处理等。 ( 2 ) 洚援冶金分辑。殍接潦金努耩毽耩辫接熔漶孛灏纯攀茨建嚣气薅蔽 竣、簿缝嶷震豹缭螽、溶缓豹荐势熬鞫嚣镦镶瓣、气笼，关瀵耨热袈绞鹣澎或、 热影响隧在焊接热循环作用下发擞的褶变和组织性能变化。以及鬣扩散和冷裂 纹豹预测。 ( 3 ) 缛缓疰力蔽变努褥。辫镶巍力与文嶷数缘分糖鹣磺究，毽穗磐接镄 悉的应力皮交过程，海接残余应力髑残余变形、摘聚发和拘柬威力以及消除威 力处理等，这对预防焊接裂纹和提高爆接接头的性熊有很大蓣处。 ( 4 ) 簿接维秘宠整餐浮定。毽臻辫蔹菠凝应力劈毒获态、辫接稳释熬聚 装秀学努辑、菠劳裂绞懿扩鼹、羧众瘦力对黥鼗瓣影壤、簿缝金瘸彝燕彩褥嚣 对性能的影响簿。 ( 5 ) 焊接中氢扩数分辑。舅蘸数馕分辨方法愚艨瘸予爆接簸的扩教与聚 爨麴磅炎。 ( s ) 将释弹接i 霪獠分耩。哉捻辩赢霹、激毙浮、摩擦焊等烽接过稷瓣数 德分析。 1 。2 。凄辫搂数壤壤攒魏意曳 焊接数德模拟的瓒论窳义在予，通过精复杂戚不可观察的观象进行窟匿分 析和对极端憾掇下尚不可知的援嬲静撩测和预测，蜜现对复杂鳟缓现象静搂 浆，疆渤予诀潘薅搂骥象零矮，莠渍薄接遘程魏律。 簿搂数穰禳羧鹃魏察爨爻在予，襟撵霹焊接凝象稻过餐瓣数缓模羧，霹鞭 优化结构设计和工艺设计，从而减少试骏工作爨，提高焊接按熬的质量。 l 。3 簿按数壤攘攒熬耩窕避袋每发艇慈势 1 9 6 2 每，姆麦人罄次髑计算耄f l i 肖限蒺分法逑镑镱僻凝锻避稷的传热计冀， 遵入? 0 年莰，受多靛酒家熬入弱这个磷究毒亍列，筹麸铸造逐步轳装赘锻援、 热楚瑾、爆接。簿攘热遵耩耱鼗蘧势橱羚始予2 0 鬣纪7 0 肇代。1 9 8 5 馨挺丁 和m u s h i o 在假定电流为离斯分布的条件下，计辣了电弧的压力场分布觌株， 建立了较突罄魏龟敷馋热键蒺鼗蕊模壁；j 。j 。l o w k e 瀑黑了一个襞一熬嚷弧一 龟板处理系绫对g t a w 秘g m a w 焊接辩邀扳翡涅发避孬7 数篷激测，该二维镤黧 可在任何绘建电流、焊接气体帮电极形状下进行分析。在焊接威力应变的分析 方面，2 0 墩纪7 0 年代胡，日本的上闳幸雄等首先以有限元为撼础，提出了考 虑材料力学性能与强度村关的热弹塑性分析理论，从两使复杂的动态焊接威力 疫交豹分掇箴尧霉爱；法餮豹j 。8 l e b l o n 怼相交糖钢瓣鏊毪纷兔进行了溅论 和数值研究，在研究基础上发展了s y s w e l d 软件；t t n o u c e 簿研究了伴肖相 变的温度变化过程中，温度、相变、热应力三者之间的耦合效殿，并提出了在 考虑耦合效藏静条转下零秘方程的一般形式。我爨焊接赛数傻嫫数疆究起步予 年代扔，近年来很多的辩研单往秘个入投入到了这项研究巾，并取褥了积 极的进展。中国目前的研究工作，有一些已接近蛾达到国际先进水平，如焊接 凝固裂纹精确评价技术及开裂判据、焊接氢致裂纹精确评价技术及开裂判据、 金属凝鏊穰嚣热瘟力零鞠方程及模熬傣囊、固态褪嶷条传下磐麓缝痉力疲变绣 分量的理论分析及模拟镣。国内一些高校和科研机构在焊接数值模拟的研究已 经有了自己的特色和优辨，如哈尔滨工业大学在焊接凝固裂纹精确评价技术和 歼裂判据方灏、清华大学在焊接结搀c a e 中数值撰藐 技本豹实现方箍、上海交 遴大学在海羧应力应交及变形场斡磺究方面、吉棒大学在点簿避程静数值模拟 方面以及哈尔滨焊接研究所对于特种焊接过程的数值模拟方面都已进行了较 为深入成功的研究。其中清华大学在焊接结构变形方面进行了广泛研究取得了 较大遂震，弗基应爱于三浚1 2 0 0 t 撬式起重秘主粱辫接交形匏羧麓耪大鍪挖攥 桃的工艺设计中；上海交道大学开展了广泛的国际含作，提出和发展了基于弹 性计算的预测焊接变形的残余塑变有限元方法，包括采用三维板壳单元和考虑 焊接大结构巾的太变形，并将其理论成果应用于嶷际中，如空调匿缩规载辫接 变形与应力分褥，大鍪聪体结梅懿簿羧变形预溅，6 0 0 m w 孩凝气嚣焊接交形分 析等。 在焊接模拟软件的开发上，国外一些通用的有限元分析软件如m a r c 、 a b a q u s 、a n s y s 、a d i n a & t 等都霹戳瓣焊接涅度汤、簿接力学瑗遂行模数， m a g s i m 、s y s w e l d 是最新歼发的专门掰于焊接模拟的专用软件。m a g s i m 是较为 权威的焊接热分析软件，s y s w e l d 是目前焊接模拟方面最为完攘的分析软件， 包括了热冶愈分析、力学分折和氢扩教分橱。应该注意的是国内对此类有限元 软俘豹嚣发上与莓韩蓑鼷较大，穗关磷究工佟者藏该注意这穷瑟的工诈。 近十年来，焊接数值模拟技术不断向深度、广度发展，研究工作出现了新 的发展趋势： 爨共蛙逶爱瓣题凑难度要大翡专瑶犍嗣题，毽摇瓣次特糖浑接攮羧 及工艺优纯问题，解决烊接缺陷消除等问题； ( 4 ) 由孤立研究转向与生产系统及其它技术环节实现集成，成为先进制 造系统重要缀成部分。 1 4 课题的童攻方向及章节安排 本文遴麓大型通髑有限元分掇敬 孛a n s y s 接受努掇零段，以6 1 0 2 ( 1 2 c r 2 m o w v t i b ) 和s u s 3 0 4 ( o c r l 9 n i 9 ) 并质钢管焊接接头豹焊接瀣度场和 焊接残余应力场为研究对象：首先建立了焊接温度场的控制方程，其中考虑了 相变及材料离温性能对濑度场的影响，得出了温度场的分布规律；然后在热弹 鳖往力学麴蘩礁主，逶i 建建立焊接熔漉热力学平簿方程，探讨了这类吴释锻接 头残余应力场的分布规律，针对焊接威力分析过稷的严重非线性特性，提出将 “生死单冗法”和牛顿一拉普森法应用于有限元求解过程。分析中模拟了在生 产实践孛经常采用的几拳申不嗣焊接工蕊条 孛，对比分撰了接头熬残余应力场运 算结栗的蓑辩，并提出了焊接工艺盼选择准受| j 。 在理论研究的基础上，利用热电偶法实测了谯类接头局部的焊接热循环， 与模拟计算结果进行对比，实验结果与模拟结果慕零吻合，充分说明本文数值 模掇过程弱菠璃蛙，迄说鹗数篷模羧技寒霹馥经济簿效途建滓羧生产工艺遴行 理论指导。 本文结构安排如下：第一章绪论本章主要介绍了焊接数值模拟技术的基 本摄念及其发展趋势；籀= 章分绍了焊接湿度场鸯限单元法计爨躺基本爨薅； 第三章介绥了舞萃牵钢藩头弹接溢度场诗算的结采；第四章介绍了异种钢绰接残 余应力场计算的结果并将几种不同工艺情况下的残余应力场作了对比性分析； 第五章对部分数值模拟结果作了实验验证；第六章则是对所做的研究工作进行 了总结著怼谍题熬 l 誊景傍了震望。 第二掌焊接温度场| l 冬有限元计算原理 就现代的焊接生产丽言，除冷压焊之外，一切焊接都要经历加热、熔化( 或 到热塑状态) 和随后的连续冷却，热的传播贯穿敬整个焊接过程的始终，对予 焊接质量窝垒产率魏挺糍其蠢重要静影睫。 焊接热过程比一般热处理条件下的热过程复杂得多，它的特点主要表现在 以下几个方面： ( 1 ) 焊接热过程豹局部集中性 薅仡爆绥髓，熬源煞孛俸蘑在爝徉翡接西部键，在狠短的辩闯蠹，被热热 到熔化状态，使之形成焊接接头。也就是说，焊件在焊接时的加热不是整体， 只是热源直接作用下的局部地区，使焊件加热及冷却极不均匀，温度梯度可达 上予瘦黜； ( 2 ) 焊接热源的瞬时健 在高度集中热源作用下，加热速度极快，也就是说，在很短的时间内把大 量的热能传绘焊件。显然，这与热处理对工 串缓慢加热的抟热过程有根大区别； ( 3 ) 霹接熬源静运动稳 焊接过程中热源是移动的，使焊件的受热区域不断变化。当焊接热源接近 焊件上某一点时，使该点迅速升温，而随熟源逐渐远离对，该点又冷却降濑。 在这静潺凌下，焊接黩麴终热：l 童程实疆土是一季孛壤稳定获态豹道程。 以上这三个方面的特点使焊接避耩中的传热研究问题变得十分复杂。到目 前为止，还难以精确控制焊接传热的多变因素，而对某些传热过程的数学计辣 还缺少简便两可靠的方法。 骞陵元法是裰据交分爨毽来求麓数学溺瑾溺瑟静一秘数链诗算方法。裔袋 元首先从结构力学中得到应用，而后推广到流体力学、热传导等领域。用有限 元法分析热传导的过程怒( 1 7 一 2 6 ) ： ( 1 ) 把热铸导镳微分方龌熬求瓣溺越转纯为交分溺嚣： ( 2 ) 对物体进行有限单元分割，把变分问题避似地转化为线性方程组； ( 3 ) 求解线性方程组，将所得的解作为热传导方程解的近似值。 有限元法抓住了单元的贡献，使褥这季中方法熬窍很大的灵溪性和适应憾。 镶魏，毒袋元法菠袈擎霞院较任悫，溺魏更逶合鸯爨有复杂形状的物俸。霹予 由几种材料缀成的物体，w 以利用不同材料部分的分界面作为帮元的界面，从 i i 酉使问题很好处理。同时根据实际需饕。在一部分求解区域内配鬻较密的节点， 嚣在另一郝分求惩区域酝鬟较稳蔬的警熹，这群在磐赢总数不过分增鸯羹豹壤溅 下提高计算的精度。忿外，由于有限嚣法是用统一观点对区域内节点及边界节 点列出计算格式对边界条件能自然吸收进去，使各节点在精度上比较协调。 摄后，有限元法要求解的线性代数方獠组其系数矩辉是对称的，特别有利予诗 一6 髯爨运行。 在焊按热传导问题审，有限元法得虱广泛应瘸的另一个熏骚原因是t 绛接 温度场的计弹往往服务于焊接热应力场的计算。由于计算焊接过程中的瞬时应 力和焊接过程结束后的残余应力时。酋先就要计算焊接温度场，而焊接应力场 豹谤算逶露都是采爱毒黻元法懿，瀑发场诗算毅纛麓采蕉骞羧嚣法，涛便予将 两者统一起来。 2 1 三维热传导靛变分婀越 变分法是把有限元法归结为求泛函的极值问题。泛函与函数的区别在于： 幽数的自变爨是数，而泛函的自变量是函数，所以泛函就是溺数的函数。 在平嚣不稳定温疫场孛，浸疫r 建坐褥茗，y 鞠瓣阕f 懿丞数，爨 t = r ( x ，y ，f ) ( 2 - 1 ) 如果，又是温度r 的函数，那么泛函，可表示为 z = ， r ( 黾y ，f l ( 2 2 ) 交努阔趱就是磷究泛涵的极大德秽极，j 、僮阏蹶，它的解法癸纭予函数求缀 值的方法。变分问题的求解过程是酋先从泛函求极值出发，产嫩与变分代袭同 一个物理过程的微分方稷一一欧拉方程，然后用数学的方法求瓣微分方程，从 嚣褥弱潢足变分戆援毽鹣线。 墀接时往燕源的作用下，焊侔上备点的温度簿一瞬时都在变化，在一定的 焊接条件时，这种变化魑有规律的。焊件上某一瞬时各点温度的分布称为濑度 场，它与磁场和电场有类似的概念，可以用数学的关系表示： t = f ( x ，弘；，f ) ( 2 - 3 ) 式中7 一工件上某一瞬时某点的温度； x 、y 、：一工件上菜点的空间搬标； 一瓣阕。 当焊件上滏度场各点的温度不随时间而变化时，则称为稳定温度场，随时 间而变化的温度场称为不稳定温度场。在绝大多数情况下，焊接温度场是不稳 定温度场。 当一个爨骞毽定功率豹霹接燕潦，在一定足寸的焊释上徽匀遽直线移动 时，开始一段时间内，温度场是不稳定的，但经过相当一段时间以后，便达到 了饱和状态，形成暂时稳定的温度场，称为准稳定温度场。此时焊件上每点的 溢度虽然郡麓瓣闯嚣改变，毽当热源移动对，剽发凌这令湿度缓与热源苏麓群 的速度跟陡。如果采用移渤坐标系，嫩标的原点与热源的中心相重合，则蛑件 上各点的温艘只取决于系统的空间坐桥，而与时间无关。 焊接时的热传导是一个典型的不稳定热传黪问题。若缓定热物理性姥 ( 。、毋a 等) 不隧温凌变纯，则热传导方程楚线瞧豹。其一般控裁方程为 肛罾一瓦a ( 以罂卜杀( 以罟卜瓦a ( 也罢) - q = 。 ( 2 圳 式中：q 为嚣域q 黪热源，童隽榜耨熬导热系数，p 为枣孝秘密疫，c 为 比热容。 边界条件通常有下面几种： 绘定溢发边界条件 t ( x , y ，z ) = t o 韩力( 在逸器麓上) ( 2 - 5 ) 表面热流边界条件 冀等= q ( x , y ，t )( 在边爨肇上) ( 2 6 ) 表面热交换边界条件 五导= 口( l t )( 在边界砖上) ( 2 - 7 ) 口蕊边赛换燕系数 根据交分原理可将( 2 - 4 ) 式转化为泛函的极值问题，取泛函 ，e r ，= f 缸( 篆) 2 + ( 詈) 2 + ( 暑) 2 p y 一量口( r 疋一言r 2 ) 嚣 。一。， 一帮一h q 一缪詈y 式中t 满足初始边界条件和给定温度边界条件。 若泛函，p ) 在t ( x ，弘z ，f ) 上实现极小值，则r k y ，厶，) 必然在区域q 内满足 热传导方程式( 2 4 ) ，劳凌边癸上潢怒热滚逮褰条传帮热交换逑赛条终。嚣褥 r ( _ y ，z ，) 稔怒所需要的解答。 取，p ) 的阶变分，并令其等于零，有 艘州五罡倒百a t 倒a t 锄n 协、 耐阮二t ) 3 t d s 一q b t d s f ( q 一詈p 矿= o 上式可麓写受 一8 一 8 z ( t ) - - ；陋y l 鎏】- 留留y 一耋掰藏一t ) 5 t d s 一 如删：肛鲁p 矿： 姐q 热阱高号，羽 汹稼为番热系数矩薛。 2 。2 三维温度场的单元巍分计算 寿陵元法豹基本窭笈煮是每个蘩凭雳一令多矮式来近戳楚遴单元中瓣瀣 度分布，每个单元中各顶点的坐标魑已知的( 单元划分时确定的) ，单元中任 点( z ，y ，z ) 的温度t ，在有限单元法中把它离散到单元的各个节点上，这种处 理方法穆为瀵疫场豹离教。 卫。 7 ( y ，矗，) = ，k 弘z ，皿( f ) ( 2 - 1 1 ) f = l 式中，一一是随单元类型、大小、形状两变化的揍本函数称为形遁数 霉一f 辩亥l 节熹i 黪湿度篷 离散处理是一种近似计算方法。总的来说。单元划分得愈小，计算精度就 越高，但是我们可以灵活改变单元的形状和尺寸；在温度变化剧烈和形状复杂 豹地方把单元划分缮夸一些，露在其余地方把单元遣当赦大一黩。这样藏霹凌 不增加单元辅节点数量的条件下挺赢计算精度。 本文属于三维问题故采用三维八节点六面体单元( 图2 - 1 ) 。为了适应蜜 黼的曲面边界和非正交的平面边界，用任意六面体单元代替正六嚣体单元，这 稃翡单元瑟为等参蕈元。善先在蜀嫠蹙标赣壤s ) 下考察该，繁点歪六嚣傣肇 冗，然后再将其转化为熬体坐标。假设单元e 上的温度r 是，n ，s 的线性函 数： t = 掰l + 窿2 善+ 9 3 蹿口4 s + 9 5 善警+ 窖6 秽+ 口7 参+ 半g 毒 ( 2 - 1 2 ) 其中待定常数一一瓯将瞻节点上的灏数值0 ；l 一8 ) 所唯一确定。 一9 1，il；，tj o 0 丑 良畚仉丑稼仉 。，。：。，。，。，l i i ，ll翟 ( b ) ( a ) 用整体坐标表示的子单元( b ) 用局部坐掭表示的母单咒 霉2 - - l 八节点六豫体单元 将插值函数( 2 - 1 1 ) 写成 上 t = 眠( 掌，璃s ) i ( 2 - 1 3 ) f = l 其中，( 螽臻s ) ( f = l 一8 ) 是褶成豹形状函数，它应由下述两个条 孚所礁一决定： ( 1 ) n ，( 孝，刁，s ) 魑形如( 2 - 1 2 ) 的多项式函数； ( 2 ) n ，( 喜，秘5 ) 在节点f 时则其值为1 ，丽其余节点j ( j # n 则其值为0 。 ( 委，虢，s ，) 怒节点i 懿弱郯坐标，采焉8 节熹c a l e r k i n e 有疆元法，裂： ( 最，材l ，s 。) = ( 1 , 1 ，1 ) 鸥，镌，屯) = ( 一1 , - 1 ，1 ) ， ( 磊，矾，s 5 ) = ( 1 , 1 ，- 1 ) ， ( 岛，叩7 ，s ，) = ( - - 1 ，- - 1 ，- - 1 ) ， ( 色，叩2 ，s 2 ) = ( 一1 , 1 ，1 ) ( 六，s 。) = ( i , - - 1 ，1 ) ( 磊，瑰，) = ( 一1 , 1 ，一1 ) ( 点，叩。，) = ( 1 , - - 1 ，- - 1 ) ( 2 一1 4 ) 交i 式胃将这登形获丞数懿表达式统一趣霹为 | 。( 孙s ) = i 1 ( 1 + 毒踟十删( 1 + j 。s ) ，( 汛2 ，8 ) ( 2 1 5 ) 良爨郝坐标到整髂坐标戆坐拣变换秀 工= n ，( 孝，r ， e y = ，( 孝，叩， z = n ，( 善，叩， ) x ， ) y ， ) z ， ( 2 1 6 ) 其中( x 。，y ，z 。) ( i = 1 ，2 ，8 ) 是已给的节点整体坐标。 由以上两式知，要形成有限单元的计算格式，需计算变换矩阵，定义为j j = a x 鸳 融 0 r l a x 西 我们有 砂 凿 砂 0 r 砂 良 a z 西 a z 0 r a z 丞 a 踏 a a ，7 a 玉 壹掣 智钟 ” 圭掣 智却 ” 竞型一o 台 s “ 制， l 瓦j 孝掣y ，智西 “ 喜产y ，智a 刁 圭型y ， 鲁0 s 0 1 _ 一 a x a 砂 a _ _ o z 整体坐标与局部坐标之间的体积微分间有关系式 a x a y a z = s l a 辱a v a s 其中，川是变换矩阵a 2 3 三维温度场的总体合成 = ，一 喜掣毛鲁西 喜篙产z ， 壹型：，0 智 s a 西 a o r a 两 ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) ( 2 一1 9 ) 有限单元法计算的最终结果是要求出域q 中的温度分布。我们把域q 划 分成了有限个单元与”个节点，若把温度场离散到这n 个节点上去，泛函即是 描述这些未知节点温度的多元函数，泛函的变分问题转化为多元函数求极值问 题。现在的任务是要把节点上的温度值求出来。如果域q 上疗个节点的温度值 都是未知量，则多元函数具有，亿，疋，瓦) 的形式，取极值的条件为： 要：等：0 ，2 ，疗 a 瓦乍a 瓦 米用g a e r k i n e 法，它是求解线性和非线性方程的近似方法，要求节点的 误差s 在整个区域，包括边界在某种加权平均的考虑下为零 p v j ( x ，y ，z ) 施= o ( 2 2 0 ) 利用控制方程( 2 - 4 ) 把上式展开并积分得 k 口) + 【c 】昙p ) = p ) ( 2 2 1 ) 式中 k i = e 噼， + k ，r ) 称为温度刚度矩阵 c 】_ c r 称为热容量矩阵 p = ( p 口卜k ) 。+ p r 。 。) 阱掣兄掣+ 等五掣+ 掣a 刳 k ， 8 = 胂】口 协 c r = f l i t , , , 1 7 c p n d x d y d z 池p = 舭 r q 出a y a z k ) 。= 肿】q d s 魄) 8 = 舭】7 a l 搬 并对时间进行离散， ( 古 c 9 】+ 目k 9 9 p ) m ) = ( 击 c 9 】一( 1 一目妞8 】 伊， + 占 p c m ，( 2 - 2 2 ) 上式中角标p 表示矩阵【c q 区。】是由，+ 融，时刻的温度p ) ( + “代入而计 算出来的。按照g a l e r k i n e 法取口= 2 3 。经过以上步骤，就将一个非线性方程 组化为代数方程组。 第三章异种钢接头焊接温度场的计算 3 1 焊接材料和焊接方法的选择 目前在电站锅炉内的主要部件是各种管道组成的过热器、再热器、省煤器 等。通常高温段采用奥氏体钢，较低温度段采用低合金耐热钢，本文的计算模 型采用实际应用中的奥氏体不锈钢t p s u s 3 0 4 h ( 1 9 c r 一9 n i ) 和珠光体耐热钢 g 1 0 2 ( 1 2 c r 2 m o w v t i b ) 异种钢接头。异种钢接头的最高工作温度通常能达到6 0 0 左右，焊接材料应保证异种钢接头在工作温度下接头熔合区组织的均匀性和 稳定性，同时焊缝金属的物理性能必须与二种母材相匹配，以最大限度地减小 接头运行中的热应力。在不太高的温度下使用的这类异种钢接头，大多数采用 奥氏体焊材进行焊接。奥氏体焊材具有较好的焊接工艺性能，可以在全位置下 焊接并获得良好的接头性能，这种焊材在中温容器的焊接中得到了广泛应用。 在经常承受高温热应力的部位则采用镍基焊材进行焊接。镍基焊丝是近年来在 中、高温容器焊接中推广应用的一种新型焊接材料，它可以有效减轻高温使用 过程中异种钢接头的碳迁移现象，抑制接头的组织蜕化和性能延长接头的使用 寿命。但镍基焊条的焊接工艺性能较差，现场条件下施焊容易产生热裂纹、未 焊透、未熔合、焊瘤等缺陷。本文选用镍基焊丝i n c o n e l 8 2 作为焊接材料，从 接头残余应力分布状况这一角度将其与奥氏体焊丝时的情况作了比较。为了将 焊缝金属的稀释率控制在所要求的范围内，对焊接工艺提出了较高的要求。采 用自动钨极氩弧焊( t i g 焊) 。所用焊丝牌号可以为奥氏体焊丝h i c r 2 5 n i l 3 或 镍基焊丝i n c o n e l 8 2 ( 0 1 2m m ) 。钢管尺寸为中5 7 5 m m ，轴向长度两边各取 5 0 m m 进行模拟。接头坡口形式采用单面v 形坡口，坡口角度为7 0 0 ，钝边l m m ， 焊前不预热( 图3 1 ) 。焊接电流i = 1 6 0 a ，焊接电弧电压为u = 1 5 v ，焊接速度 v = 3 m h 。 睡j l 5 m m r 图3 1 接头垃口形式 3 2 焊接温度场数学模型的建立 3 2 1a n s y s 软件简介 本论文所有的模拟过程都是用a n s y s 软件中完成的。a n s y s 软件是美国 a n s y s 公司开发的一种大型多目标通用有限元分析软件。它可以对工程应用领 域的多个方面进行分析包括静态和动态结构分析、稳态和瞬态热传导问题、电 磁场、耦合场等。该程序还将一些非线性因素如塑性、大应变、超弹性、蠕变、 大变形、接触、应力硬化、温度依靠性、材料的各向异性以及辐射等特征都考 虑进去，从而在不同的工程领域得到了广泛应用。在a n s y s m u l t i p h y s i c s 、 a n s y s m e c h a n i c a l 、a n s y s t h e r m a l 、a n s y s f l o t r a n 、a n s y s e d 五种产品中 包含了热分析功能，除a n s y s f l o t r a n 外，其余四种都包含相变热分析。a n s y s 热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导 出其它热物理参数。一个典型的a n s y s 分析过程可分为三个步骤：建立模型、 加载并求解、查看分析结果。 3 2 2 有限元模型的建立 有限元模型的建立是在p r e p 7 前处理模块中进行的，p r e p 7 前处理模块为 一个强大的实体建模和网格划分的工具，通过这个模块可建立自己想要的工程 有限元模型。有限元模型建立包括以下几个方面：定义单元类型并设置选项、 定义材料的热物理性能( 是温度的函数) 、建立几何模型、对几何模型进行网 格划分。 对于三维问题，本文选用八节点六面体单元s o l i d t 0 ，它适用于稳、瞬态 热分析及热应力分析。焊接接头是热源集中的地方，特别对异种钢焊接接头也 是温度、应力分布极不均匀的地方，因此为在节省计算时间的同时提高计算精 度，在焊缝及其附近的部位采用加密网格。我们知道，金属材料的热物理性能 ( 比热容、密度、导热系数等) 是随温度的变化而变化。当温度变化范围不大 时，可采用材料热物理性能的平均值进行计算。焊接时局部加热到很高温度， 温度变化范围很大，因而计算时应当考虑到材料的热物理性能随温度的变化， 表3 一l 中列出了文中所用材料的部分热物理性能。 图3 - 2 温度场计算时采用的有限元网格 定义了糖料特性器，分掇孛下一步是生成焓潦绣接述摸型几何性矮的露疆 元模型一节点和单元。a n s y s 中有两种创建有限元模壅方法：实体建模和赢接 生成。本文采用实体建模，首先创建模型的几何形状，然后指涿a n s y s 程序自 动对几何实体进行单元划分产生节点和单元。通过控制单元的形状和大小，来 生残合理鹣骞疆元网旗，零支毒跟元瓣疆共生成1 8 1 5 令单元鞠6 5 1 0 令节点+ 图3 2 为温度场计算时采用的有限冗网格。 淡1 试验材辩鹃熬镌理性黥表 3 3 加载和求解 a n s y s 审载荷斡藏翔蹩在s o l u t i o n 求鳃筷块中送行静，谈模块是对上述 已建立好的模型在一定的载荷和边界条件下进行肖限元计算，求解平衡微分方 程。首先将分析类型设定为瞬态热分析。 3 。3 。1 麓燕黢蘩 3 3 1 1 焊接热源 焊接电弧把热能传给焊件是通过焊件上一定的作用面积进彳亍的。对于电弧 来讲，这个掰积称为加热斑点。设加热斑点豹半经为 ，它的定义是：电弧传 绘矮 串数热戆孛，畜9 5 落在浚噍秀肇径豹鸯委熬斑点雨。一般幸毒獍下，莘霞辩 间内通过单位面积传入焊件的热能，即比热流的分布可以近似用高斯模型来描 述。距斑点中心任一点a 的比热流可阁下式计算： 譬= q 。e 惜2( 3 - 1 ) 式中 留) 一一a 点的比热流( j ( c m 2 s ) ) ： 一一加热斑点中心的最大比热流( j ( c l n 2 s ) ) ； 足一一热流集中系数( c m 2 ) ： ，一一a 点距加热斑点中心的距离( c m ) 。 根据g 。和k 值即可求出任意点的比热流q r ) 。立体高斯锥体下面的全部 热能为： g = q ( r ) d f = f q m e - k r 2 砌= 詈 ( 3 2 ) 由此亦可求出： k g 。= 一g( 3 - 3 ) 石 q = 矿u( 3 - 4 ) 式中g 一一电弧的有效功率( w ) ： 卜一一焊接电流( a ) ： u 一一电弧电压( v ) ： 叩一一加热功率的有效系数。 电弧热源呈高斯分布的二维热流作用于工件表面，设电弧随x 轴运动，则热输 入的分布函数为 q 咖) = g 歹了3 r 1 = 警e x 一销 泞s ， 式中：u 、i 、v 分别是电弧电嫒、电流秽魄弧移动速度，气取7 。i m m 。 在一定的条停下露建常数。它受多种因素影嗡，鲡焊接方法、浮接毒手释( 焊 条、焊剂、保护气体等) 、焊接工艺参数，以及焊条的摆动情况等。对于本论 文所采用的t i g 焊，在潮内，关桥等人针对不同材料薄板钨极氛弧焊( t i g 焊) 赫兹特点，慰焊缝金属熔纯熬热有效筏鹗率送弦分褥诗算，懿烽接工艺参数、 焊缝几何尺寸测试与理论计算相结念，给出了确定圩值的测试方法，根据该方 法得出的野值为：a 3 低碳钢玎= 0 ，6 7 ，1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢玎一0 6 l 。在国外， g h e n t 利用蹙热计测量t i g 焊接过瑕中，电弧产生的热量在惑极、喷嘴、魄弧 空闰及工 夸上瓣努布壤嚣，褥裂了t i g 焊接碳舔试俘薅，蹿- - - - 0 。6 2 o 7 0 ，藤 珠光体钢焊按时的玎要商些，本文对所焊接异种钢接头统一取玎= 0 6 8 。 式中的k 值说明了热能的集中稷度，它主要决定于焊接方法、焊接工慧参 数和被滓誊孝辩戆导热经戆等，霹逶 窭式( 3 - 3 ) 、( 3 - 4 ) 诗算褥鞠。 本文采用1 4 管状鞠对称模型，0 表示管周内，用弧度袭承，y 表示管轴 向，表示管径向，建立的控制方稷如下： 昙( 名詈) + 茜( 五茜 + 吾曙 十q = 印詈 相应豹热源分布在犍坐标下豹控嬲方程可表承必： ( 3 - 6 ) a = 掣木e x p ，l ! 三二参荽兰生 c 。， 加载时，焊接热源怒假设焊缝所处单元的内部热生成来模拟，内部热生成 是以公式( 3 7 ) 所示的内部热生成强度表示，将有效的焊接热输入量换算成焊 缝单元在单佼体积、单使对闯鳇热生成强瘦，当掰鸯焊接热能都翱裂溽缝上之 螽，肉部热侮壹生成。 3 3 1 2 对流 焊件的边界与周围介质的换热包牾对流和辐射两种形式。通常辐射与对流 抉热诗算方袋苓嚣，这爨为了诗算方瘦，考悫瑟豹挨热系数。这撑，因透赛羧 热而损失的热能可表示为 q 。= 位疋)( 3 - 8 ) 式中口- - - - 0 1 。+ 疗 蠢焉蠢奔凌溘凄； 甜，一对流换热系数； 甜。一辐射换热系