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浙江工业大学硕士学位论文 膜式水冷壁对称单元多焊道g m a w 群焊规范与变形分析 摘要 膜式水冷壁管屏对称单元是锅炉炉墙的重要结构件，由光管和鳍片( 扁钢) 焊接而成。其焊后变形降低了膜式壁的强度和刚度，影响下面的焊接和装配，必 需大量的时间进行矫正和铲割。因此，研究减小和控制膜式水冷壁焊接变形的方 法，对于实际生产具有重要的意义。 本文结合实际生产过程中的g m a w 焊接规范，利用a n s y s 的热弹塑性有 限元法对管屏对称单元进行了热弹塑性分析。采用双椭球热源模型和生死单元技 术相结合的移动热源，解决了大型结构热弹塑性分析时焊缝熔池和填充的模拟不 能兼顾、计算量大以及收敛困难等重大难题。本文分别从温度场、应力场以及变 形三个方面分析其焊接过程，并研究了多焊道群焊规范与变形的关系，得到如下 结论： ( 1 ) 对称单元温度场的分布是对称的；冷却时两侧的散热率高于中心区域。 ( 2 ) 对称单元的等效残余应力随到起弧端面距离的增大而增大，但随着线能 量增加而降低。 ( 3 ) 平焊焊道中单一焊道的输入线能量不一致，对单元的总变形影响不敏 感，但线能量的整体变化，对单元总变形影响较大，并随着输入线能量的增加 而增加，反之亦然；在平焊焊道输入线能量一定的前提下，存在可使单元总变形 下降的仰焊焊道输入线能量的贡献区，在此区域内，仰焊焊道合理的线能量输 入，将促进单元总变形的减小。 基于以上研究，本文以变形量最小为目标，提出了控制单元焊接变形的方法 和输入线能量的计算模型，并进行了试验验证，为膜式水冷壁焊接过程中科学的 确定各焊道的线能量提供了理论依据。 关键词：对称单元，多焊道群焊，温度场，应力场，变形，计算模型 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo nd e f o r m a t i o na n dg r o u pw e l d i n g c o n d i t i o n st og m a wm u l 月i p a s sw e l d i n g0 f t h es y m m e t l u cu n i t so fm e m b r a n ew a l l a b s t r a c t t h es y m m e t r i cu n i t so fm e m b r a n ew a l lm a d eu po fl i g h tp i p ea n df i ni st h ek e y s t r u c t u r a lp a r t so fb o i l e rw a l l t h ec o r r e c t i o no fw e l d i n gd e f o r m a t i o nn e e d sal o to f t i m e ，b e c a u s et h ew e l d i n gd e f o r m a t i o nd e c r e a s e si t ss t r e n g t hc a p a b i l i t ya n dm a k e st h e a s s e m b l ya n dw e l d i n go fn e x ts t e pb e c o m em o r ed i f f i c u l t t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n ga m e t h o dt op r e d i c ta n dc o n t r o lt h ed e f o r m a t i o ni se s s e n t i a l i nt h i sp a p e r , t h eh e a t i n g - e l a s t i c - - p l a s t i cf e mo fa n s y si su s e dt os i m u l a t et h e w e l d i n gp r o c e s so ft h es y m m e t r i cu n i t so fm e m b r a n e ，w i t ht h eg m a ww e l d i n g c o n d i t i o n st ot h ea c t u a lp r o d u c t i o np r o c e s s h e a t i n g - e l a s t i c p l a s t i ca n a l y s i so fl a r g e s t r u c t u r e ，w h i c hf a c e sw i t ht h ep r o b l e m sa ss i m u l a t i o nt ow e l dp o o la n df i l l i n g n o - b a l a n c e d ，l a r g es c a l ec o m p u t i n gt i m ea n dc o n v e r g e n c ed i f f i c u l t y , c a nb es o l v e db y u s i n gm o v i n gh e a ts o u r c ew h i c hc o m b i n e sd o u b l ee l l i p s o i d a ls h a p e dm o d e lw i t ht h e l i f e d e a t he l e m e n tt e c h n i q u e a tf i r s t ，t h ew e l d i n gp r o c e s sw a ss t u d i e df r o mt h 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 a n dd e f o r m a t i o ni nt h r e ea r e a s t h e n ，t h er e l a t i o n b e t w e e nt h eg r o u pw e l d i n gc o n d i t i o n st om u l t i - - w e l d i n g p a s sa n dt h ed e f o r m a t i o ni s r e s e a r c h e d c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni ss y m m e t r i c a l ；t h ec o o l i n gr a t eo fb o t hs i d e si s h i g h e rt h a nt h ec e n t r a lr e g i o n ( 2 ) r e s i d u a ls t r e s si n c r e a s e sw i t ht h ef u r t h e rd i s t a n c eb e t w e e nn o d e st ot h e a r c s t a r t i n gf a c e ，b u td e c r e a s e sw i t ht h eh i g h e rh e a t - i n p u t i i i 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) t h eh e a ti n p u ti n c o n s i s t e n to ft h es i n g l ef l a tw e l d i n gp a s si si n s e n s i t i v et o t h et o t a ld e f o r m a t i o n t h e r ea r es o m ec o n t r i b u t i v es e c t i o n sw h i c hc a u s et h e d e c r e a s et ot h et o t a ld e f o r m a t i o ni nt h eh e a ti n p u to fo v e r h e a dw e l d i n gp a s s ， w h e nt h ef l a tw e l d i n gp a s sh e a ti n p u ti sac e r t a i ns e c t i o n o nt h eb a s e ，t h em e t h o do fc o n t r o l l i n gt h eu n i t sd e f o r m a t i o na n dc o m p u t a t i o n m o d e lo ft h e h e a t - i n p u t t oe a c hw e l d i n gp a s sa r eb r o u g h tu p a l o n gw i t h t h e e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n k e yw o r d s ：s y m m e t r i cu n i t s ，g r o u pw e l d i n gc o n d i t i o n st om u l t i - p a s sw e l d i n g ， 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 ，d e f o r m a t i o n ，c o m p u t a t i o nm o d e l i v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 0l 课题背景和研究意义 膜式水冷壁管屏( 见图1 1 ) 是锅炉的主要受压部件，也是炉墙的重要结构件，它 由光管和鳍片( 扁钢) 焊接而成，焊接时先焊接小单元，然后通过拼排工艺将两片小单元 焊接组成较宽的管屏。膜式水冷壁的发明保证了炉膛良好的气密封性，不但降低了炉墙 漏风，而且微正压的燃烧方式大大提高了引风效率。 睡 图1 1散装锅炉膜式水冷壁产品 蠢瀵 采用膜式水冷壁作为锅炉炉墙，不需要用耐火材料，只需轻型的绝缘材料，具有 可以提高炉膛密封性，从而提高燃料热利用率，减少炉墙重量，安装快速方便等优点【l 】。 这样可保证锅炉炉膛的密封性，可降低排烟热损失，使得热效率大大提高：因为蓄热能 力有限，燃烧室温度可快速升高也可快速降低，就能缩短开动时间和关炉停火时间【2 】。 膜式水冷壁的制造工艺比较复杂，两临近钢管的温度差不能超过5 0 ；要把膜式壁制成 整体的悬吊框式结构，则设计时确保足够的膨胀延伸自由是必然条件；还应保证人孔、 1 绪论 检查孔和管子横穿管屏等处有良好的密封性等【3 】。 作为锅炉四周炉墙的膜式壁管屏是锅炉的主要受热面之一，其中钢管作为主受热面 需要吸收热量，扁钢作为扩展受热面也吸收了大量的热量，这些热量都需要通过钢管传 递给流动的介质，并由流动的介质将热量带走，达到冷却钢管与扁钢并汽化介质的目的 【4 】；为了防止锅炉爆炸，水冷壁的炉墙还的有足够的强度和刚度，因为大型锅炉的火室 在燃烧煤粉时，完全处于微正压的情况。因此钢管与扁钢之间的焊接质量一定得达到牢 固、紧密，尽量避免咬边、气孔、夹渣、烧穿等不良缺陷，还要有尽量小的变形来保证 膜式壁管屏的刚度和强度。 目前国内外焊制锅炉膜式壁管屏的方法主要有埋弧焊和熔化极气体保护焊 ( g m a w ) 两种。埋弧焊的焊接速度较高，但需要苛刻的条件来处理和保存焊剂，而且 焊接位置受到一定的限制，给生产工艺带来很大的不便。而且埋弧焊技术只能进行单面 焊接，在膜式壁的生产过程中需要翻身焊接，由此产生的焊接变形较大，给焊后带来大 量矫正工作，导致综合生产效率较低。g m a w 焊接可以实现焊接上下两面同时焊接， 使得焊件受热均匀，减小了管屏变形，省去了翻身工序，降低了焊件焊后的变形矫正工 作量，提高了生产效率，已经得到生产企业的重视和认可。g m a w 焊接包括仰焊和平 焊，分别对应上焊道和下焊道，但仰焊焊接规范的局限性是焊接速度不可能有较大的提 高，如何在保证焊接质量的前提下，提高焊接过程中对焊接变形的控制问题仍困扰着许 多生产企业吲j 在膜式壁整个生产过程中最重要的问题就是如何控制膜式壁管屏的焊接变形。一般 在新产品制造时，焊件的焊接变形超出了设计尺寸要求，必须利用热处理、机械等方法 对焊后变形矫正。结果不仅改变了焊件结构残余应力的分布情况，因为残余应力会降低 膜式水冷壁的使用寿命，焊后处理工序增加了成本，加长了生产制造周期1 6 】。因此，研究 膜式水冷壁的焊接过程，最终得到控制膜式水冷壁管屏焊接变形的方法和策略，可以指 导实际生产过程，同时也为其它实际大型工件焊接的数值模拟提供可靠的参考。 本课题由天津宝成机械集团有限公司委托项目“膜式水冷壁宽屏焊接与相关生产技 术开发”支撑，研究实验平台基于浙江工业大学自主研制成功的31 2 2 型膜式水冷壁自 动混合气体保护焊机( 图1 2 ) 。 2 浙江工业大学硕士学位论文 图1 23 2 1 2 型膜式水冷壁自动混合气体保护焊机 1 2焊接变形预测的研究方法 利用有限元法和数值方法，借助计算机的强大功能，可以对焊接变形进行预测。为 得到准确的预测结果，在焊接过程中可以采用复杂的理论和数学模型，并考虑多种过程 的耦合效应，涉及的参数尽量接近实际生产的状况。通过阅读大量文献，主要的焊接变 形预测理论方法如下： ( 1 ) 热弹塑性有限元分析 热弹塑性分析过程是个典型的非线性过程，计算量非常庞大，因为计算过程中存在 奇异性较大、收敛困难的矩阵方程，要达到必要的收敛精度需要经过多次迭代，但是热 弹塑性法可以跟踪整个焊接及冷却过程中的温度场、应力场及应变场。热弹塑性有限元 分析分为两步，首先进行焊接的传热分析，记录焊接及冷却阶段各时刻的温度，得到焊 件结构的温度场；然后将温度场计算结果作为载荷，加载到应力场的数据库中，进行焊 接变形和残余应力分析。 热弹塑性有限元理论已经广泛应用于焊接的各个领域，包括各种焊接方法、不同的 焊接材料以及焊接接头形式，既可以对焊接变形进行分析，也可分析焊接残余应力、焊 接裂纹，以及焊接的断裂及疲劳特征等。 ( 2 ) 粘弹塑性有限元分析 3 绪论 为了解决焊件焊后热处理效果的评价，有关学者发展了粘弹塑性有限元分析。该方 法利用粘塑性以及相应的粘塑性理论建立有限元模型，进行精确计算，最终得到焊件的 变形。c h i d i a c 根据普朗特路埃斯流动法则和米塞斯屈服条件创建了粘弹塑性有限元方 程，对奥氏体钢的焊接热应力和变形进行计算，所得结果与实验吻合很好的验证相符【7 1 。 j w a n g 考虑蠕变现象的情况下，采用热粘弹塑性有限元方法，研究了焊后局部热处理时 的热应力受到蠕变行为的重要影响。还研究了应力释放过程，最终获得了加热宽度的判 断依据【引。 ( 3 ) 考虑相变与各种耦合效应的有限元分析 一般金属发生了相变，体积变化的同时产生了额外的相变应力和应变，这种反应大 大影响了焊接整个的应力场和应变场的分布。因此考虑在焊接应变场分析时，为了建立 更准确的有限元模型，应该把相变应变率加入焊件的总应变率，还要考虑其它一些过程 的影响，最关键是它们之间相互作用时的耦合效应。 ( 4 ) 残余塑性应变有限元方法 焊接时焊缝区材料的热膨胀受到附近低温材料的刚性拘束，从而产生了压缩性塑性 应变，待冷却后就成为残余塑性应变，而焊后的残余应力和变形恰好由其大小和分布来 决定。因此只要能确定残余塑形应变的分布和大小，只利用一次弹性分析就可求得焊件的 焊接残余应力和变形。 ( 5 ) 相似理论 相似理论的优势在于能把数值模拟方法和模型试验相结合，根据相似关系对焊件进 行一定的转换，把数值模拟的繁杂性优化后，再进行数值模拟计算。但是在实际焊接时 受到条件和工艺的限制，焊接模型与实物之间的相似准则同时满足很难实现，二者之间 准确的对应关系还缺乏足够的研究，因此应用受到很大限制。 ( 6 ) 人工神经网络 采用b p 神经网络模型可以快速地预测焊接过程中产生的变形量，是研究焊接结构 变形的一种有效途径【9 1 因为具有非线性特性的人工神经网络能够自我学习、自我适应、 自我组织，比较适合非线性系统的建模和性能预报。 建模时首先根据焊接过程与焊接规范的特点，输入相关参数来确定中间层的数量和 各层神经元数量，然后对已测得的试验数据进行训练，为了得到稳定的神经网络，要根 据情况要适当调整各层之间的训练函数和传递函数。最后，利用稳定的焊接神经网络模 4 浙江工业大学硕士学位论文 型，进行焊接预测即可。刘黎明【1 0 】等采用b p 神经网络，研究了军用船舶高强钢手工焊 接过程中焊接变形的变化规律，经过大量的实验数据和训练次数，使得神经网络趋于稳 定。张宪、赵章风1 等将模糊理论与神经网络相结合，并应用于多焊接电源的群控，完 成了基于t - s ( t a n a k i s u g e n o ) 模型的自适应模糊神经推理控制器设计。利用该控制模型 在s i m u l i n k 搭建的焊接电源群控模型上进行仿真，结果反映了调整时间短和良好的动态 特性。 ( 7 ) 固有应变法 为了避免计算量巨大的热弹塑性，建立可以模拟焊接变形的较为省时、合理计算方 法，因此学者创立了固有应变理论固有应变是残余应变与相变应变的残余量之和。如 果焊件焊接过程的固有应变通过一定的于段预先得到，可使用线弹性有限元直接求解焊 接变形和焊后残余应力，这样计算时间可以减少。一般的焊件的变形预测时，利用焊件 的固有应变理论和模型，通过线弹性有限元分析求得焊后残余应力和焊接变形。 然而，固有应变法中也有一定的局限性，因为平均应变是在一定实验条件下测得， 不可能完全替代实际焊件中的未知应变，其中必然存在一定的误差。b r o w ns t 1 2 1 和 j a g o l d a k t l 3 1 等人研究发现，实际焊件中远离焊缝的弹性体对焊接变形有着重要的协调作 用，不能只是用平均应变来取代，即使相同结构在不同的焊接顺序下也会产生明显的不 同。任何不同焊接构件其固有应变均不相同。 ( 8 ) 优化设计理论 焊接变形控制技术的一种方法是基于有限元的优化设计，一般将焊接变形作为目标 函数进行优化，研究各种设计变量对焊接变形的影响。m i c h a l e r i sp 【1 4 】采用系统优化设计 方法、非线性程序设计和解析灵敏性分析实现了瞬态焊接热过程的优化设计。在焊缝两 边添加了可随热源移动的加热区域优化了热区域的尺寸，使焊接变形最小。t s a icl t l 5 1 利用有限元优化设计法研究了薄壁铝板结构的焊接变形机理及热力行为，研究了焊接顺 序对薄壁面板结构变形的影响，提出优化焊接顺序的方法接头刚度法。 1 3 数值模拟在焊接领域的研究动态与进展 焊接数值模拟，是以实验为基础，采用一组控制方程来描述一个焊接过程或一个焊 接过程的某一个方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识( 如焊接温度 场、焊接应力场等) 【1 6 l 。提炼和推导出研究对象的物理模型及其控制方程是焊接数值模 5 绪论 拟技术的关键所在，所谓的焊接物理模型，将实物的几何模型按照一定比例缩小，也可 简化某些条件( 去掉圆角、倒角等) 的模拟件来代替原实物的尺寸形状。经过几代学者 的探索和发展，数值模拟技术比较成熟的研究方法主要有三种：差分法、蒙特卡洛法、 有限元法。 ( 1 ) 差分法 差分法就是把微分方程转变为差分方程来求解，其前提是利用差商来代替微商，因 此首先必须对求解区域离散化。这样，边界条件和微分方程的求解就转变为求解一个线 性代数方程组，得到数值解即可。 ( 2 ) 蒙特卡洛法 把研究对象看作一个适当的随机过程，通过随机样本计算后的随机过程的参数用统 计量的值来表示，再经这个参数找出研究对象中的未知量，这就是蒙特卡洛澍1 7 】。在多 重积分计算中，如果研究目标的现象是随机过程，对目标就可进行数值化模拟。蒙特卡 洛法也称为随机模拟，随机抽样技术或统计实验。 ( 3 ) 有限元法 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 是一种离散化的数值方法，离散后的单元与 单元间通过节点相联系，所有力和位移都通过节点进行计算。对每个单元，选取适当的 插值函数，把一定的条件赋予给函数，让其子域的内部、子域边界面上以及子域与子域 的外界分界面上都得到满足即可，再组合所有单元的方程，得到整个结构的方程，求解 就能得到近似解。离散化是有限元方法的基础。 1 3 1 焊接温度场的研究进展 在整个焊接过程中，焊接热过程始终贯穿着焊接的化学或者物理变化过程，焊接温 度场决定了焊接应力和应变场，其与结晶、冶金、相变过程有着紧密的联系。 在2 0 世纪3 0 年代，建立了初步的移动热源模型和焊接传热学的理论基础。从5 0 年代开始，不少学者试着修正和改进焊接传热学的理论和公式，但由于多种因素，都没 有太大的进展。直到6 0 年代中期，日本学者通过大量的实验数据，建立了不同情况下 的焊接传导公式。7 0 年代出现了利用有限元法来研究焊接温度场。8 0 年代中期，提出 了基于三维的双椭球热源模型。同时大批学者开始研究瞬态温度场的模型。具体内容见 表1 1 。 6 浙江工业大学硕士学位论文 表1 1 焊接温度场分析的国内外研究情况 相关学者研究成果 d r o s e n t h a l i l 8 】 a d a m s 、稻埂道 夫【1 9 1 等 w i l s o n 【2 0 1 p o l e y 2 1 1 g o l d a k 【2 2 、2 3 1 s u b o d h k u r m a r e t a l 【2 4 1 b a t h e f 2 5 】 南非开普顿大 学j r o n d a 【2 6 】 上海交大汪建 华等【2 7 2 8 】 孙俊生、武传松 熊【2 9 】 1 r 哈尔滨焊接研 究所f 3 0 】 首先建立了移动热源模型，分析了移动热源在固体中的热传导。 根据热传导微分方程，以大量的实验为数据，然后从传导理论的有关 规律出发，建立了不同情况f 的焊接传导公式。 首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。 编制了焊接温度场计算程序，可以分析非矩形截面以及常见的单层、 双层( u 、v ) 犁坡口。 提出种基于维的双椭球焊接热源模犁，考虑了熔池内液体的流动 和在电磁力作用f 内部的磁流体动力学情况，描绘出熔化焊时能量密度分 布的结果。 建立了气体保护焊i 维的有限元模型，并且运用熔滴状态力平衡理论 和过渡不稳定收缩理论研究了熔深特性。 在非线性热传输分析中，综合考虑了熔池表面的辐射传热边界条件、 热传导对流和固态熔化时产生的潜热影响，得到了比较全面的热平衡方 程。 利用统。方法研究了相变规律，建立了t m m 模型，研究了温度场和 应力应变场对相变的影响。 研究了j 维焊接温度场的特点和提高仿真精度的一些方法，同时利用 热传导的有限元分析对一些实际焊接问题进行研究。 发现g m a w 焊熔池表面发生较大变形时，电弧热流的分布会呈现一定模 式，定量分析了相关的焊接工艺参数。 对不锈钢焊接凝固裂纹的产生过程中的温度场进行了数值模拟和分 析。 1 3 2 焊接应力场与变形的研究进展 焊接过程中应力和变形关系的研究从其发展历程来看主要分为三个阶段：1 9 2 0 1 9 5 0 年代，焊接应力和变形的研究从刚开始的定性和定测性逐渐发展到定量性。1 9 6 0 1 9 8 0 年代，随着计算机的推广和应用，焊接应力和变形的数值模拟技术开始迅速发展，主要 体现在热应力的二维有限元程序和热弹塑性理论的形成。1 9 9 0 年以后，随着有限元技术 的4 、= 断成熟，人们对焊接应力和变形过程及残余应力的分布规律的认识小断深入，学者 开始研究三维加热模型和耦合问题。这个历程中，研究对象从简单的平板堆焊、普通的 对接焊到角焊缝，再到多道焊；研究内容从焊件的横向和纵向收缩变形到角变形，再到 大型复杂结构的焊件的整体变形。国内外具有代表意义的成果具体内容如表1 2 所示。 7 绪论 表1 2 焊接应力和变形数值模拟分析的国内外研究情况 相关学名研究成果 前苏联学者 t a l l 等人【3 l 】 1 w a k i 等 3 2 1 _ k m 幸雄等例 h d h i b b e it 3 4 】 j b i e b l o n d t 3 5 】 k m a s u b u c h i 等 【3 6 】 西安交大楼志 文等3 7 】 上海交大焊接 教研型3 8 】 天津大学【3 9 1 上海交大和大 阪大学1 4 0 1 上海交通大学 魏建武【4 2 】 清华大学梁陈 剑等【4 3 】 运用图解法，分析了一维条件卜热弹颦性性质及其动态过程对焊接应 力和变形的影响。 对沿板条中线进行堆焊的焊接热应力利用计算机进行计算，编制了关 于热应力的一维分析程序。 编制了堆焊热应力的二维有限元程序，并且进行了改进和扩大，可用 于对接焊和平板堆焊过程的分析。 使用与温度密切相关的材料物理性能的热弹塑性理论，推导了分析焊 接热应力所需的各项表达式。 进行了焊接变形的预测和控制方面的研究。 对相变钢的擎性、相变、热应力者之间的耦合效应进行了研究，在 考虑耦合效应的前提f ，提出了本构方程的般形式，并且发展了 s y s w e l d 专用软件。 在焊接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作，包含 了瞬时温度场、焊接残余应力和变形、在上述现象基础上的焊接结构强度， 焊接缺陷和疲劳断裂力学。 编制了热弹塑性的有限元分析程序对焊接温度场和应力场进行分析。 提出了变步长外推法，可用来求解非线性热传导方程，计算了平板对 接焊时，应力和变形的发展过程以及残余应力分布。 利用局部残余应力分布的数值分析结果，评定焊接接头疲劳强度等。 利用成功的应用实例快速推动了二维焊接分析程序的发展，并提出了 改善收敛性和计算精度的一些途径。 研究了轿车的液力变矩器的焊接过程中的温度场、应力场和焊后变 形。 研究了焊接数值模拟的参数化和网络化，实现了数值模拟的远程化和 智能化，消除了焊接数值模拟在空问和技术上的限制。 1 3 3 膜式水冷壁焊接数值模拟的研究进展 膜式水冷壁的数值模拟研究起步比较晚，主要分为两个部分，一是对于膜式水冷壁 的温度场的研究，另外是对膜式水冷壁的焊接变形的研究，主要区别在于单焊道和多焊 道，单焊道又分为单道焊和多道焊，此外还有不同的焊接方法和工艺，例如埋弧焊和熔 化极气体保护焊。具体内容如表1 3 所示。 8 浙江工业大学硕士学位论文 表1 3 膜式水冷壁焊接数值模拟的国内外研究情况 相关学者研究成果 j a nt a l e r 等、4 5 】 李志宏等【舶】 张志正蒈【4 7 】 曾豪锋【4 8 1 七禹华掣4 9 5 0 l 张宪等5 1 5 2 】 针对膜式壁的单焊道焊接，发现膜式水冷壁的厚度和焊接顺序会 对焊后变形产生不小的影响。 利用区域扩充法考虑鳍片结构对数值传热的影响以及有限差分的 方法，对传热模型进行了离散，编制了二维、稳态膜式水冷擘传热的 计算程序。 利用“背火侧点法”来实现对膜式水冷壁向火侧危险点肇温的在 线监测。 对膜式鼙堆焊工艺下的应力应变场做了研究，认为热输入和工装 参数是影响焊后变形的主要因素 提出基于重复控制和双闭环控制相结合的复合控制弧焊数字化逆 变电源控制方案，使得焊接成犁良好 对基于g m a w 焊接的多焊道膜式擘进行了研究，认为焊后变形与 焊接电流的大小有关，设计了基于t - s 模型和模糊神经网络的自适应模 糊神经推理控制器，采用多焊接电源群控技术来控制膜式水冷肇的焊 接变形。 李志宏等人采用数学建模的方法只研究了膜式壁的传热规律，曾豪研究的是堆焊工 艺下的变形，文献 5 l 】中虽然采用热弹塑性的有限元法研究了膜式壁多焊道的焊接，但 末考虑所选热源模型对电弧热流密度的不对称性和电弧压力的存在对研究的影响，也没 有提出控制焊后变形的具体办法。 1 4 研究方法和研究内容 1 4 1 研究方法 1 2 节介绍了八种焊接变形预测方法。通过参阅大量的参考文献发现，人工神经网络 法与利用相似理论法，需要大量的实验数据与经验作为预测基础，当前的试验条件和数 据积累量不能达到其要求。考虑了相变以及粘弹塑性有限元分析一般应用在精确计算 下。通常采用固有应变法对大型结构焊接残余变形进行预测，但它忽略了同一焊缝先焊 部分对后焊部分的影响，忽略了远离焊缝的弹性体对焊缝应变的影响，这样势必造成不 容忽略的误差。 因此，本文采用热弹塑性有限元法对膜式壁管屏的对称单元进行热弹塑性分析。热 9 绪论 弹塑性有限元法不仅引入随温度变化的材料力学性能参数，而且考虑了不同阶段材料采 用不同的本构方程，动态跟踪应力应变过程以及焊后的残余应力与变形，因而可以更准 确地模拟整个焊接过程。本文通过有限元软件a n s y s 建立有限元模型，考虑材料的非 线性、应力应变关系、应变位移关系、平衡条件与边界条件等因素，进行计算。 1 4 2 研究内容 图1 - 3 技术路线 本文基于数值模拟的热弹塑性理论，结合膜式水冷壁在实际生产过程中的g m a w 焊接规范，利用a n s y s 数值模拟和试验相结合的方法，采用双椭球热源模型和生死单 元技术相结合的移动热源，以膜式水冷壁中的典型对称单元( 由四根钢管和三根扁钢组 成) 为对象，研究了膜式水冷壁多焊道群焊过程中对称单元的焊接温度场和应力场，以 及各焊道不同的线能量对对称单元焊接变形的影响规律，在此基础上提出控制单元焊接 变形的方法和输入线能量的计算模型，为膜式水冷壁焊接过程中科学的确定各焊道的线 l o 浙江工业大学硕士学位论文 能量提供了理论依据。本文的研究对象为膜式水冷壁管屏的对称单元，下面均简称为对 称单元。本文的技术路线如图1 3 所示。 本文采取g m a w ( 熔化极气体保护焊) 的焊接方法，主要研究内容如下： ( 1 ) 详细阐述了焊接热力理论和热弹塑性有限元理论，有关基本的焊接热源模型也 做了一一分析，为后文仿真与分析奠定坚实的理论基础。 ( 2 ) 针对“四生”管屏对称单元焊接过程，基于双椭球热源和生死单元技术，建立 了有限元仿真模型并进行计算，对其温度场进行了研究。 ( 3 ) 针对“四身管屏对称单元焊接过程，基于热力耦合分析和生死单元技术， 对其应力场和变形进行了分析研究。 ( 4 ) 以减小膜式水冷壁对称单元g m a w 群焊过程中产生的总变形为目标，对变形 产生的机理及焊接过程中各焊道焊接规范对变形的影响规律展开研究，通过对焊接过程 的数值模拟，并进行了试验验证。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章焊接热力理论和热弹塑性有限元理论 2 1焊接热变形与热应力 焊接过程的热力行为很大程度上影响了焊件的焊接结构性能。为了方便清楚 的研究焊接热应力的行为，先分析物体的热变形与热应力。 当物体的尺寸和形状会随着温度的变化而发生变化，这就是热变形。物体体 积变化率为 譬：r一= ，f ，、， 圪 ( 2 一1 ) 其中，为初始体积；a v 为由于温度改变r 而产生的体积变化量；嘶为 体膨胀系数。 线膨胀量 f 2 0 c 龋 ( 2 2 ) 其中，口为金属材料的线膨胀系数( 即热膨胀系数) ，其为材料本身的固有 属性，因材料的种类和温度而不同。 所谓自由变形是指金属的热变形不受外界的任何约束而自由的进行。即 0 = 口( 五一r o ) l o ( 2 3 ) 矗为自由变形率，即金属杆件在单位长度上的变形量，公式为 唧：垒 ：口( 五一t o ) ( 2 - 4 ) 铲亏川a 卜 所谓外观变形必，是指在温度变化过程中若物体受到拘束，不能完全自由 变形，只能部分变形且表现出来的部分，外部变形率为 焊接热力理论和热弹塑性有限元理论 乞= 等 仁5 ， 而没有表现出来的那部分变形，即自由变形与外观变形之差为内部变形，则 有 a = 弋屿一必) = 他一址r ( 2 - 6 ) 内部变形率为 弘等 p 7 ， 根据h o o k 定律，应力和应变的关系为 盯= e 6 = 层( 乞一c t ) ( 2 - 8 ) 若金属杆件在加热时受到拘束，其长度不能自由的伸缩，杆件就发生内部变 形，若金属屈服变形率( h 互) ，内部变形率大于屈服变形率( h 乞) ：杆 件发生了压缩塑形变形，由图2 1 中的理想应力应变关系可得 i o i = l 乞一白i q ( 2 - 9 ) 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 若金属杆件两端被完全固定，则杆件在温度的热循环作用下，不能自由的变 形，则外观变形量= 0 ，内部变形为 g = 一鼻= 一口， ( 2 1 0 ) 加热时，杆件受到持久的压缩力。图2 - l 为杆件经受0 。乙0 的热循环过 程中的应变循环过程，为力学熔点。图2 2 中a b 为弹性压缩阶段，温度一旦 高于时就产生了压缩性塑形变形，压缩性塑性应变的温度临界点为。在乙点 以下加热，金属杆只存在弹性变形，因此冷却后杆件可完全恢复原态。如果加热 到石( 正 疋) ，金属杆产生了压缩塑形变形，弹性应变循环的轨迹为么b c l e ， 冷却后的弹性应变为e i a t ，此时存在残余应力，但不存在拉伸塑性变形。当 温度升高到互以上时( 如t = 五) ，弹性应变循环轨迹为a b c 3 d s e ，完全冷却时， 金属杆中拉伸弹性应变和拉伸塑性应变同时存在。 拉伸 图2 - 2 应变循环 故可得到温度下降时可以不断产生塑性变形的下限温度五= z = 2 t ，据公式 ( 2 - 2 ) 可得 乞= 口疋 一- 1 1 2 11 ) s 2 q 1e 1 ) 1 5 氐 e o 电宿 氐圹。 电瞵 焊接热力理论和热弹塑性有限元理论 则 c = 立：拿 ( 2 1 2 ) 口z 口 若乙，则吒= 0 ，e = 0 ，无论乙怎么变化，在冷却过程中，弹性应变 的轨迹应该是g d 4 e 。 当乙 时，吒与e 与温度的关系表达式为 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 其中，吒。，民分别为常温下的屈服应力和弹性模量。图2 - 3 为吒按线性下 降时的应力循环。 一。 卜ci 0 时为加载过程；当2 = 0 时为中性变载； 当五 0 卸时为卸载过程；值得注意的是材料的弹性行为呈现在载荷卸载阶段，其 应力和应变关系可由式( 2 3 3 ) 表采5 8 1 。 ( 3 ) 节点载荷的形成 通过以上的推导分析，下面得到应力和应变的关系： d o = d 】 d s ) 一 c 刀 ( 2 - 3 4 ) 弹性区域有 p 】= 【d l c = f l 【d 】= 【d l c = c b 考虑到焊件的某一节点，在时间f 时温度为t ，节点外力为 f e ，应力为 盯 矩阵，应变为 占) 矩阵，节点位移为 万 矩阵，在时间r + d r 时，分别变为r + 刀， f + d f e ， 万+ d 万 ， 占+ d 占 ， t y + d t r ，根据虚位移原理可以得到： 始y 扩+ 卵) 。= i j a 8 7 陋】7 ( p ) + 【d 胁) 一 c 泗p 矿 浙江工业大学硕士学位论文 斗矿导吲w 小【d 】 嘲- c 刀) d y ( 2 - 3 5 ) 由于在时刻t 物体处于甲衡状态，所以 d f 2 + 积) 。= 【k 】。 k h d d ( 2 - 3 6 ) 此处刚度矩阵转化为 吲8 ：勘矸【d 】 即y ( 2 钟) 若单元处于弹性状态，那么代入 d 】矩阵，若单元处于塑性状态，n z , 代入 c ) 矩阵，形成等效节点载荷及刚度矩阵，然后置入总体刚度矩阵及总体载荷列 向量中，便形成一个代数方程组，用来求得节点位移，如下： 【k 】 d 万 = ) ( 2 3 8 ) 式中 【k - k 】。 ( 2 - 3 9 ) 护 = ( 谚 2 + 椒 。) ( 2 - 4 0 ) 焊接中， 卵 。常常为零，可以得到： d f ) = 护 2 ( 2 - 4 1 ) 式( 2 3 8 ) 的代数方程组，求得节点位移后，就可以根据应力应变关系求出节 点应力 5 8 1 。 2 3 2 求解方程 热弹塑性应力有限元方程的分析求解过程是：首先把对象细分为有限个单 元，然后逐步加载温度增量，再由公式( 2 3 8 ) 可求得各节点的位移增量d 万。单元 节点位移增量d 矿和每个单元内的应变增量d 的关系是： d s = 【b f 扩( 2 - 4 2 ) 再根据应力和应变之间关系式( 2 3 4 ) ，即可求得各单元的应力增量d 6 。最后可求 得焊接过程中动态应力应变的整个变化过程，也可得到最终的残余应力和变形。 热弹塑性有限元的基本求解方法分为全量法和增量法两大类。全量法受简单 2 3 焊接热力理论和热弹塑性有限元理论 加载条件的限制，其应用范围不大；增量法不受简单加载条件的限制，理论上比 较完备，与实验结果比较接近，故得到了广泛的应用。增量法又分为两种，即牛 顿拉弗森法和修正牛顿拉弗森法【5 9 】。前者每次迭代需重新形成切线刚度矩阵； 收敛快，适用于高程度的非线性问题；每次形成了刚度矩阵并求解才能完成一次 迭代，计算时间需要较多。后者每次迭代时均使用相同的按弹性计算的刚度矩阵 来计算，收敛慢误差较小，适用于低度非线性问题。如果把二者联合使用，就能 对各自取长避短，达到最优利用。 2 3 3 提高计算精度和稳定性的若干途径 利用热弹塑性有限元法对焊接进行预测变形，由于巨大的计算量和多次的迭 代次数，很难保证高的计算精度和好的收敛性。经过查阅文献，主要有以下改善 计算精度和收敛性的一些方法： l 、选取正确的修正过的弹性到塑性时的加权因子； 2 、材料性能在高温时的处理； 材料的热物理性能参数曲线尽量减少突折点，转折处实现圆滑过渡。材料在 高温时的屈服应力以及弹性模量很难准确估计，故要考虑弹性模量e 改变所引 起的应力变化。 3 、计算步长的设置和网格的划分； 计算时的温度步长t 通常不大于i o 。c ；划分网格时采取优化原则，焊缝区 和焊接区网格细密，远离焊缝区可逐渐稀疏，以提高计算效率，适应温度和应力 计算的梯度。 4 、为了防止“闭锁”现象使用缩减积分法。 2 4焊接热源基本模型 焊接热过程是影响焊接质量和生产率的主要因素之一。对于大部分焊接而 言，焊接热源是实现焊接过程的基本条件。本文接下来研究对称单元的温度场、 应力场和变形有效的前提就是采用合理有效的焊接热源模型。本节介绍一般在数 值模拟中常用的热源模型。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 高斯热源 焊接时，电弧加热斑上的热流分布是不均匀的，中间多而边缘少。由于工件 的导热性，热能在工件上的不同部分传输，热源按高斯函数在一定的范围内分布。 热流密度的高斯函数分布比点热源更加符合实际，距离加热中心任一点0 的热 流密度表达式为， = q e x p ( 一可3 r 2 ) ( 2 - 4 3 ) 其中：q ( r ) 为半径r 处的表面热流( w m 2 ) ；r 为0 点距热源中心的距离；q m 为热 源中心处的最大热流量，r 为有效加热半径。有限元分析常用到高斯的移动热 源，则有： g m2 素q( 2 4 4 ) 高斯热源模型一般用来计算焊接速度不大、电弧冲击力不大的焊接温度场， 对焊接的温度场进行精确的模拟时可以调整焊接热源效率、加载方式、有效加热 半径等。 ( 2 ) 双椭圆热源 由于电弧运动沿着焊接方向，电弧的热流分布对于加热斑点中心并不对称。 其加热斑点是非对称的椭圆形，即电弧前后方有两个不同的椭圆。在不考虑熔池 表面变形时，j g o l a d a k 等人提出了双椭圆热流分布模型，即修正过的高斯热源 模型【6 0 、6 1 1 ，其数学表达式为， 脚时一亿加等唧( _ 半卜一警 弘4 5 ， ( x - u o t ) 0 i 对, 以w r l 删u i 唧( - 华卜一争 c 2 删 式中：为焊接速度；岛、6 2 和a 为热源分布参数，与电弧热流密度分布参 数吒的关系是 口( 6 l + 包) = 1 2 0 r ； ( 2 4 7 ) ( 3 ) 半球状热源模型和椭球型热源模型6 2 l 对于电子束焊、激光焊等高能量束的焊接，其电弧穿透力的作用不能忽略， 焊接热力理论和热弹塑性有限元理论 相关学者推到出了半球状热源模型和椭球型热源模型。分别可表示为： 咖) 2 嚣e x p ( - 3 刍 ( 2 4 8 )g ( ，) = 手j )( 2 ) 万“k “ g ( r ) = z e z 墼2 e x p ( 一3 ( 芸+ 等+ 事) ) (249)abc adc 式中，a 、b 、c 为椭球的半轴长( m m ) 。 ( 4 ) 双椭球型热源模型 以椭球形热源密度函数计算过程中，为了克服单椭球热源后半部分温度梯度 分布较缓的问题，其无法模拟出与前半部分相同这一缺点，双椭球热源分布函数 提了出来。前半部分和后半部分都相当于是1 4 的椭球，假设椭球前半部分椭球 能量分数和椭球后半部分椭球能量分数分别为n 和f 2 ，且f l + f 2 = 2 ，则在前半部分 椭球内热源分布可以用下式表达【6 3 】： g ( ，) = 6 压 = = - i , qc 坝一j 。7 x 2 + 矿y 2 + 7 2 2 ) ) ( 2 5 。) 后半部分椭球内热源分布可以用下式表达： 州一6 x - 3 缸f 2 qe 一3 口x 2 。+ 矿y 2 + 7 2 2 ) ) ( 2 5 1 ) a 、b 、c 在上式中，可以是不同的值，作为椭球的形状参数，而且是相互独 寺。 图2 7 双椭球热源模型 双椭球体热源分布模式模型中添加了深度方向上的参数c ，不但想到电弧热 浙江工业大学硕士学位论文 流沿板厚方向上的分布，而且兼顾了电弧束流的穿透、搅拌与挖掘作用，以内部 体热源的形式施加到焊件上，能够反应热源在深度方向上对焊件加热的特点。这 样看来，它较符合作为熔化极气体保护电