（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）厚板对接焊残余应力分布研究.pdf

摘要 中文摘要 大型钢结构和管道工程项目中的厚板连接往往采用焊接方式，由于焊接过 程中高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将会产生相当大的残余应力 和残余变形。焊接残余应力会严重影响结构的使用性能，同时由于厚板焊接残 余应力场的影响因素众多，变化复杂，因此，对厚板焊接残余应力的研究具有 很重要的现实意义。 本文研究对象为两块厚度为1 0 0 m m 的厚板，材质为a 1 0 5 阀门用钢，采用 埋弧自动焊进行多层多道焊接。焊接坡口为窄间隙u 型坡口，焊接形式为对接 焊。 本文首先使用x 3 5 0 a l 型x 射线应力测量仪，平面双向非等间距布置测点， 对厚板焊接后的表面残余应力场进行了测量。然后分析实验数据，给出残余应 力分布曲线，根据应力分布状体总结出残余应力的分布规律。 接着使用通用有限元计算软件m s c m r a c 2 0 0 7 中新增的w e l dp a t h 功能 来定义焊接路径，对焊接过程进行建模计算。焊接残余应力计算结果和测量结 果表明，两者基本吻合，证明了该模拟方法的有效性。在验证了表面残余应力 后，厚度方向的残余应力值可以从计算结果中得出，解决了厚度方向应力难得 出的问题。 最后，对于表面残余应力沿焊缝方向、焊缝垂直方向以及厚度方向应力盯 的分布规律，采用了基于l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 法和通用全局优化算法拟合分布 曲线，给出拟合方程。并进一步分析了表面焊缝区域的二维分布曲面，提出残 余应力的二维分布模型。 本文中建立的有限元模型和提出的残余应力分布公式可为实际焊接工作提 供指导依据，为以后的焊接残余应力分布研究提供参考。 关键词：厚板对接焊，焊接应力，m s c m a r c ，焊接数值模拟，残余应力分布模 型 摘要 a b s t r a c t t h i c kp l a t e si nl a r g e - s c a l es t e e ls t r u c t u r e sa n dp i p i n ge n g i n e e r i n gp r o j e c t sa r e o f t e nc o n n e c t e db yw e l d i n g ，d u et ot h eh i g hc o n c e n t r a t i o no ft r a n s i e n th e a ti n p u ti n t h ew e l d i n gp r o c e s s ，s ot h e r ew i l lp r o d u c eal a r g er e s i d u a ls t r e s sa n dr e s i d u a l d e f o r m a t i o nd u r i n ga n da f t e rt h ew e l d i n g t h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sw i l ls e r i o u s l y a f f e c tt h eu s i n gp e r f o r m a n c eo ft h es t r u c t u r e s ，a n dm e a n w h i l e ，i ti sa f f e c t e db ym a n y f a c t o r sa n dv a r i e dc o m p l i c a t e d l y , t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h i c kp l a t e sw e l d i n g r e s i d u a ls t r e s sh a sav e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t w op l a t e sw i t ht h i c k n e s so f10 0 m mw e r ep r e s e n t e d ，w h i c ha r e m a d eo fa 10 5s t e e l ，s u b j e c t e dt oan a r r o w g a pu - g r o o v ea n dm u l t i - p a s sw e l dw i t h s u b m e r g e da u t o m a t i ca r cw e l d i n gt e c h n o l o g y t h i sp a p e rb e g a nw i t ht h ee x p e r i m e n ta tf i r s t u s i n gx - 35 0 a lx - r a ys t r e s s m e a s u r i n gi n s t r u m e n tt os u r v e yt h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s so nt h es u r f a c e t h e m e a s u r i n gp o i n t sw e r ea r r a n g e do nt h en o n - e q u i d i s t a n tl i n e si nb i a x i a lp l a n e a n d t h e ns o m ed i s t r i b u t i o nc u r v e so fr e s i d u a ls t r e s sw e r es u b m i t t e da f t e ra n a l y z i n gt h e m e a s u r i n gd a t a , f r o mw h i c h ，s o m ed i s t r i b u t i o nr u l e sw e r eg i v e na tt h es a m et i m e f o l l o w e db yt h a t ，w e l dp a t hi nt h e g e n e r a l - p u r p o s e f i n i t ee l e m e n t c a l c u l a t i o ns o f t w a r em s c m a r c 2 0 0 7w a su s e dt od e f i n et h ew e l d i n gp a t h ，t o s i m u l a t et h ew e l d i n gp r o c e s sa n dt oc a l c u l a t e t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa n dm e a s u r i n g r e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tb e t w e e nt h et w o ，p r o v i n gt h ev a l i d i t yo ft h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d n er e s i d u a ls t r e s si nt h i c k n e s sd i r e c t i o nc a nb ed e r i v e df r o mt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sa f t e rt h ev e r i f i c a t i o no ft h es u r f a c er e s i d u a ls t r e s s ，w h i c hc a n s o l v et h ep r o b l e mo fg e t t i n gs t r e s sv a l u e si nt h i c kd i r e c t i o ne a s i l y f i n a l l y , f o rt h ed i s t r i b u t i o nr u l eo fr e s i d u a ls t r e s sa l o n gt h ew e l dd i r e c t i o n ，t h e w e l dv e r t i c a ld i r e c t i o na n d o - ：a l o n gt h et h i c k n e s sd i r e c t i o n ，s o m ed i s t r i b u t i o nc u r v e s w e r ef i t t e db a s e do nt h el e v e n b e r g - m a r q u a r d tm e t h o da n dg e n e r a l g l o b a l o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，a n dt h e ns o m ef i t t i n ge q u a t i o n sw e r eg i v e n f u r t h e r m o r e ， a f t e rt h e a n a l y s i s o ft h ed i s t r i b u t i o no ft w o d i m e n s i o n a lc u r v e d s u r f a c e ， t w o - d i m e n s i o n a ld i s t r i b u t i o nm o d e lf o rr e s i d u a ls t r e s sw a so f f e r e d t h ee s t a b l i s h e df i n i t ee l e m e n tm o d e la n dt h e p r o p o s e dm a t h e m a t i c a l d i i t r i b u t i o nm o d e lo fr e s i d u a ls t r e s si nt h i sa r t i c l ew i l lp r o v i d eg u i d a n c ef o rt h e a c t u a lw e l d i n ga n do f f e rr e f e r e n c ef o rt h ef u t u r er e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：1 1 1 i c kp l a t eb u t tw e l d i n g ，w e l d i n gs t r e s s ，m s c m a r c ，w e l d i n g 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 sd i s t r i b u t i o nm o d e l n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：宣垄整日期：型! ：! 1 2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权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。本人授权武汉理工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、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：雷如静导师( 签名) 嬲日期：彦l | 。l f d 、r 、工。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题研究背景 第1 章绪论 厚度为2 5 0 1 0 0 o m m 的板材称为厚板，厚板是焊接结构生产中不可缺少的 重要材料，被广泛用于国防、交通运输工程、能源和建筑工业等各种重要的国 民经济部门，尤其是在水利、火电、造船等行业的大型焊接结构中得到了广泛 应用i lj 。然而由于焊接残余应力的存在，焊接构件中复杂的残余应力分布状态 会直接或者间接地降低构件的承载能力，特别是焊缝区域附近较高的拉伸应力 促使结构脆性断裂，也可能导致疲劳强度恶化和减少结构的稳定性【2 】。 焊接残余应力和焊接变形产生的根本原因是焊接过程中由于局部的加热而 导致不均匀的温度场。焊接温度场通过热变形和显微组织变化引起晶粒相变， 从而产生焊接残余应力。其分布比较复杂，而且影响因素众多，焊接热源、焊 接速度、试件尺寸、外部拘束度、试件材料化学成分、焊后热处理以及焊接顺 序等都会对焊接残余应力产生一定影响。正是由于焊接残余应力的复杂多样性， 因此国内外许多学者都在这方面作了大量的研究工作，也取得了一定成就。但 是这些成就往往集中于薄板和中厚板，对厚板焊接残余应力的研究，还缺乏一 定的实验样本。同时，由于测量技术的限制，准确获得厚度方向上的残余应力 仍然很困难，因此，研究厚板焊接残余应力，尤其是厚度方向的残余应力具有 重要意义。 本文研究的课题是基于大型管道工程开展的，管道工程项目中往往用到厚 板，其连接处必然涉及到厚板焊接问题。本文研究对象为l o o m m 的钢结构厚板， 材质为a 1 0 5 阀门用钢，采用埋弧自动焊进行多层多道焊接。焊接完毕后，接 着使用x 射线应力测量仪对焊接表面进行实际测量，并给出分布曲线和分布规 律。然后用m s c m a r c 2 0 0 7 有限元软件对厚板焊接的温度场和应力场进行数值 模拟，在实验数据和计算数据吻合较好的情况下，继而得出厚度方向的残余应 力值。最后采用基于l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 法和通用全局优化算法拟合所得的分 布曲线和分布曲面，给出拟合公式。本文得出的厚板焊接残余应力分布曲线和 提出的拟合公式，将为实际焊接工作提供指导依据，为以后的焊接残余应力分 布研究提供参考。 武汉理 人学硕七学位论文 1 2 焊接残余应力概述 1 2 1 焊接残余应力产生的原理 焊接应力是焊接构件在焊接过程中而产生的内应力，我们可以将其按作用 时问来划分为两类：焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中某一瞬时的应 力称为焊接瞬时应力，它是随时间变化而变化的。焊后充分冷却时残留在焊件 内部的应力则称之为焊接残余应力p 4 j 。 板材在焊接过程中，焊缝区域以远远高于周边区域的温度被急剧加热并且 熔化。加热过程中，焊接区因受热而膨胀，热膨胀受到周围较冷区域的约束限 制，从而使焊接区形成了塑性的热压缩；冷却过程中，焊接区域的冷却收缩同 样受到周边区域的约束限制，最终，焊接区域出现拉伸残余应力，相邻区域则 呈现压缩残余应力。冷却过程中的显微组织转变( 如y 奥氏体q 铁素体转变) 会引起材料体积的增加，如果这种情况发生在较低的温度下，而此时材料的屈 服极限又足够高，则会导致焊接区域的残余拉应力降低，甚至会产生压缩残余 应力，而周边区域则可能呈现拉伸残余应力。 1 2 2 焊接残余应力场 在没有外力作用下，焊件中焊接残余应力为自身相互平衡分布的内应力场， 我们常常称为焊接残余应力场。 焊缝纵向残余应力是根据焊缝纵向收缩受约束的机理产生的。纵向应力残 余拉应力只局限于接近焊缝的一个较窄区域，在无低温相变发生时，其最大值 达到或高于母材的屈服极限。距离焊缝越远残余应力值越小，在周围区域有相 对较低的压应力。 由于焊接过程中焊缝横向收缩和纵向收缩都能产生板材平面内的焊接横向 应力，特别是在板材横向受约束的条件下更为严重。焊接横向残余应力不仅仅 局限于接近焊缝的狭窄区域，还包括其周边区域。它们和拘束的方式相关，假 如拘束有足够的弹性，它们将维持在屈服极限以下。如果板材厚度足够大就可 能产生板材厚度方向的焊接残余应力。在足够大的板材内，点焊周围的残余应 力状态将根据点焊快速收缩的机理，以轴对称的形式生产；若点焊很靠近板材 边缘，其轴对称性将受到限制。 2 武汉理一 大学硕十学位论文 在铁素体钢的情况下，上面描述的焊接残余应力将受到显微组织丫吨相变 的影响而变化，即焊接残余应力由于奥氏体向珠光体、贝氏体或马氏体转变的 影响而发生变化。低温下7 - a 相变的一种特别的形态是马氏体的形成，它可造 成中碳钢和低合金钢熔化区和热影响区的硬化，焊缝中心残余应力的最大值由 于低温相变而降低，甚至可能逆转为压缩残余应力。奥氏体钢材在所研究的温 度范围内不经任何相变，因此在焊接区经常有较高的残余拉应力出现。 热应力 相变应力 宏观应力 微观应力 超微观应力 单向应力 双向应力 三向应力 纵向应力 横向应力 厚度方向应力 径向应力 切向应力 轴向应力 图1 1 焊接残余应力的分类 1 2 3 焊接残余应力的分类 焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接 应力按其产生机理、分布区域、作用方向和与焊缝位置可进行如下详细分类： 1 ) 按产生机理 可以将焊接应力分为热应力和相变应力：热应力又称为温度应力，它是由 于构件受热不均匀而存在温度差异，各处膨胀变形或收缩变形不一致，相互约 束而产生的内应力。相变应力简单的理解就是由显微组织相变造成的比容变化 而产生的应力。 2 ) 按分布区域 可分为宏观应力、微观应力和超微观应力三类。宏观应力是跨越多个晶粒 的平均应力，也称作第一类残余应力。微观应力是作用于晶粒或亚晶粒之间( 大 3 武汉理+ t ：大学硕： ：学位论文 约在l 一0 0 1 m m 尺寸范围内) 的平均应力，也叫第二类残余应力。超微观应力是 作用于晶粒内部原子范围内( 1 0 a - 1 0 6 m m ) 的平均应力，通常我们称为第三类残 余应力。 3 ) 按作用方向 可将焊接应力分为单向应力( 一维应力或单轴应力) 、双向应力( 二维应力或 平面应力) 、三向应力( 三维应力) 。 4 ) 按与焊缝位置 对于方形平板，根据焊缝位置，可将焊接应力分为平行焊缝方向的纵向应 力，垂直焊缝方向的横向应力和沿厚度方向的厚度应力；对于圆筒形板材，可 将焊接应力分为沿直径方向的径向应力，沿焊缝方向的轴向应力和沿圆筒切线 方向的切向应力。 焊接残余应力的分类可参见上图1 1 所示的情况进行。 1 3 焊接残余应力研究现状 对焊接过程中的残余应力的研究工作始于二十世纪三十年代，但是受限于 当时的知识水平和测量计算技术的发展，研究工作只是定性的和实测性的。二 十世纪六十年代，由于计算机的迅速推广使用，才慢慢开始了焊接残余应力的 数值模拟和计算。从最初一维分析的f o r t r a n 程序，n - - 维和三维的有限元计算 模型，这期间有不少国内外学者作出了艰辛的研究。 1 3 1 国外对焊接残余应力的研究 弹塑性热应力分析的前提是温度场的准确计算或测量。1 9 3 5 年d 罗森赛尔 运用热传导微分方程，分析了移动热源在固体中的热传导。之后，1 9 4 1 年苏联 的h 。h 雷卡林等又进行了大量的工作，用解析的方法形成了一整套计算公式【5 】。 二十世纪五十年代，前苏联学者奥凯尔布洛母等人用图解的形式分析了焊接过 程的热弹塑性性质及其动态过程，并且分析了一维条件下对焊接应力应变的影 响【4 j 。1 9 6 0 年前后，由于计算机技术的迅速发展和推广使用，对焊接应力进行 计算机的数值模拟分析才慢慢的开始发展起来。1 9 6 1 年，t a l l 等人首先利用计 算机对焊接热应力进行分析计算，编制了一套一维分析的f o r t r a n 语言程序，该 程序可简单分析沿板条中线进行堆焊时的热应力。1 9 6 8 年，巴特尔研究所以t a l l 的分析为基础，编制了焊接过程中一维分析的f o r t r a n 程序。1 9 7 0 年国际焊接 4 武汉理1 ：人学硕士学位论文 学会专门设立了“焊接应力、应变和其他影响的数值分析 工作组，负责专门 收集编制关于世界各国各研究所进行的研究工作报告。1 9 7 5 年，m u r a k i 等人将 平板堆焊时的热应力分析二维有限元程序做了重大改进，使之可适用于分析对 接焊和板材堆焊过程中的热应力1 6 】。2 0 世纪7 0 年代后期，r 本学者上田幸雄等 首先以有限元分析为理论基础，提出了考虑材料机械性能与温度有关的热弹性 分析的相关理论，从而使复杂的焊接应力应变过程的分析计算成为可能【7 】。1 9 7 9 年，e f r y b i c h i 与r b s t o n e s i f e r 利用有限元方法建立了管道系统环形对接焊多 道焊接的残余应力计算分析模型，该计算模型分为温度分析模型和热应力分析 模型两个部分，为后来的有限元分析提供了很好的指导作用。1 9 8 6 年法国学者 j b l e b l o n d 对相变钢的塑性、相变以及热应力三者之问的耦合效应进行了详细 研究，提出了在考虑耦合效应的前提下本构方程( 应力一应变方程) 的一般形式， 并在上述研究的基础上发展了s y s w e l d 专用计算软件。同年，瑞士的j w o o d t l i 等人研究了低合金钢中残余应力对疲劳裂纹扩展的影响，结果表明，板厚越大， 裂纹扩展越快，并且在残余应力场中形成二阶疲劳裂纹【8 】。1 9 9 2 年y s h i m 和 e f e n g 等开发了在厚板上多道焊焊接过程的残余应力沿厚度上分布的模型。 1 9 9 8 年印度的s m u r u g a n 等人研究了不同厚度的板材多道焊接后的温度分布， 指出不同焊道下，底板不同点处得到的最大温度值是可以估算的【9 1 。1 9 9 9 年瑞 典的l a r s e f i kl i n d g r e n 等人使用有限元程序s i m p l e 对厚板多道焊进行了模拟， 对比讨论了q u i e t 和i n a c t i v e 两种单元模拟多道焊的结果【l o 】。2 0 0 2 年丹麦的l a r s f u 百s a n ga n d e r s e n 采用了基于增量钻孔技术的实验方法，对中厚板残余应力沿 厚度方向的估算做了实验研究，并给出沿板厚方向残余应力的估算公式，并对 估算误差作了分析l l 。2 0 0 3 年葡萄牙c v e i g a 等人研究了补焊中残余应力的演 变，结果表明，在补焊长度内的测点处，补焊使焊后初始纵向残余应力下降， 使横向残余应力增加【l2 1 。2 0 0 4 年韩国的j r c h o 等人采用了有限元模拟和实验 相结合的方法，对多道焊的残余应力场和焊后热处理进行了研究，结果表明， 经过焊后热处理，残余应力显著减岁1 3 】。2 0 0 5 年澳大利亚a n n ap a r a d o w s k a 等人利用中子衍射技术，研究和比较分析了焊接残余应力在不同约束下和相同 约束下不同焊道数的分布状况【l 引。同年，美国的s h a m a c h a r ys m h i s h 等人用聚 焦声波法测量焊接残余应力，并与x 射线衍射法的测量结果直接对比【”】。2 0 0 6 年英国的t b b r o w n 等人对5 0 r a m 和1 0 0 m m 的厚板补焊残余应力进行实验测量 和有限元模拟预测，证明其建立的三维焊接模型是可行的【1 6 1 。最近两三年，国 外学者对焊接残余应力的研究更加活跃，采用先进的测量技术和完善的计算技 武汉理工大学硕士学位论文 术，使得残余应力的研究有了一定层次的提高【1 7 之0 1 。 1 3 2 国内对焊接残余应力的研究 国内对焊接残余应力的研究工作始于2 0 世纪8 0 年代初，当时上海交通大 学和西安交通大学的一些学者就开始了关于焊接热弹塑性理论和数值模拟分析 方面的研究工作。1 9 8 3 年，上海交通大学的陈楚等人系统地分析了热弹塑性理 论，推导出了有限元计算公式，并在此基础上编制了相应的计算机程序。9 0 年 代初期，随着计算机技术在我国的稳步发展，使焊接残余应力的数值模拟向着 三维复杂结构的方向发展。1 9 9 1 年，汪建华和陈楚研究了厚板焊接时的残余应 力与应变特征。指出厚板焊接时，不论单层和多层焊，高的三向拉伸应力和较 大的塑性应变常集中在表层下及离中央截面若干距离的地方。多次补焊后，残 余应力分布与第一次补焊后变化甚微，但靠近缝区的等效塑性应变总量随补焊 次数增加而显著增加【2 。1 9 9 5 1 9 9 6 年问，上海交大的汪建华等人采用三维热 弹塑性有限元法对焊接过程中的动态应力及焊后残余应力和变形进行了数值模 拟分析，探讨了关于三维焊接热弹塑性有限元分析精度和收敛性的影响因素【7 】。 1 9 9 7 年熊健民等人通过对厚板焊接构件进行条形切割，实测截面上焊接残余应 力的大小，并根据统计理论，总结出厚板焊接残余应力在截面上的分布规律【2 引。 2 0 0 0 年，姜翠香等人运用条形切割法，对桥梁、建筑等结构设计中常用的厚板 焊接箱形杆件和t 形构件的残余应力分布进行实例测试，得出厚板焊接箱形杆 件和t 形构件截面纵向残余应力的分布情况【2 3 1 。此外，魏艳红等人对不锈钢焊 接凝固裂纹应力应变场进行数值模拟，计算结果表明，熔池内的变形、凝固收 缩等因素对熔池尾部的应力、应变发展变化有较大影响【2 4 l 。2 0 0 1 年，杨庆祥等 人采用6 0 c r m n m o 钢为基体材料，用a s t 型x 射线应力分析仪对堆焊残余应 力场进行测量，然后用a n s y s 计算软件，模拟堆焊过程中温度场和残余应力 场的分布【2 5 1 。张建强等人对目前国内外焊接应力与变形预测、控制、数值模拟 技术以及在工业中的应用进行了归纳和总结【z 引。鹿安理等人对厚板试件对接焊 过程中的三维数值模拟进行了初步研究f 27 1 。2 0 0 2 年李冬青等利用热弹塑性理论 建立了焊接过程动态位移场的本构方程，并根据高温区的特点建立了包含材料 非线性、变化环境参数等因素在内的位移场有限元分析模型，并利用激光电子 散斑干涉测量技术测量焊接位移埘2 引。2 0 0 3 年赵学荣采用有限元方法数值模拟 了对接焊缝残余应力大小和分布，并用盲孔法测定残余应力【2 9 1 。2 0 0 4 年刘波等 人采用, j q l 法对接焊残余应力进行了实验研列3 0 】，王勤等人应用有限元方法模 6 武汉理f ：人学硕士学位论文 拟了焊接接头残余应力的大小和分布【3 n 。2 0 0 6 年徐济进等建立了a 1 0 5 钢厚板 单电源双丝埋弧焊对接试验的方案，并使用测量系统分别测量焊接电流、电压、 温度、变形及残余应力1 3 2 1 。2 0 0 7 年朱政强等人通过有限元数值模拟的方法，分 析厚板窄间隙埋弧焊的温度分布，并分别采用热电偶构成的温度测量系统和盲 孔法测得试件指定点上的温度分布和残余应力大小。指出厚度中部的横向压应 力能有效的减小裂纹生成和扩展的风险，表面上的拉应力会随同工作载荷一起 促进裂纹的发生和发剧3 3 j 。最近几年，仍有很多国内学者从事关于焊接残余应 力的研究工作，但大多还是采用实验测量和数值模拟相结合的方法【3 4 - 3 6 1 。对测 量技术的改进和三维有限元模型的完善仍是该领域发展的走向，还需更多人的 努力。 1 3 3 焊接应力数值模拟的难点 焊接过程自身的复杂性，是造成数值模拟与实验实测数据存在差异的主要 方面，形成了焊接应力数值模拟的主要难点【6 】： ( 1 ) 焊接过程中材料的高度非线性造成求解过程中收敛困难，使得分析时 间冗长。在焊接场熔池附近，材料的弹性模量、屈服强度急剧下降，大大影响 了数值模拟的求解效率。 ( 2 ) 为了保证模拟精度，在焊缝处常常划分过小的网格，形成过多的单元 造成焊接结构模型自由度数目过大。在焊缝较长的情况下，将使计算分析难以 计算下去。 ( 3 ) 对于大型的实际焊接构件，为保证精度，在数值模拟中细分的时间增 量步使瞬态分析次数无限增多，致使计算量加大。 ( 4 ) 焊接材料的热物理性能参数和热源分布参数的确定存在难度。实验条 件下难以测得焊材和母材的热物理性能参数( 导热系数、比热、弹性模量、密度、 屈服强度等) 在高温至接近熔融状态时的数据，很多材料仅有室温时的性能曲 线，从而为非线性求解带来困难。另外，目前的电弧热源通常采用高斯分布的 形式，其他的热源模型的电弧有效加热半径、热量分布形式等参数，还缺乏系 统和准确的资料。 1 4 焊接残余应力分布拟合的研究现状 对焊接残余应力的研究，除了实验测量和数值模拟外，对分布曲线和分布 7 武汉理t ：大学硕士学位论文 曲面进行综合分析，提出分布数学模型和规律性的分布公式，也是目前研究的 动态和热点，具有很重要的现实意义。 目前，对残余应力的分布模型和曲线拟合的研究工作还比较少见。国外方 面，1 9 9 9 年澳大利亚的d a s c o t t 和m r f r e w i n 等人就曾对激光脉冲焊接进行 了有限元分析，提出了激光脉冲点焊温度分布的三维计算模型，结果表明温度 分布与焊缝尺寸是激光束能量分布和吸收率的函数1 37 。2 0 0 2 年丹麦的l a r s f u g l s a n ga n d e r s e n 采用了基于增量钻孔技术的实验方法，对中厚板残余应力沿 厚度方向的估算做了实验研究，并给出沿板厚方向残余应力的估算公式，并对 估算误差作了分析【1 1 1 。国内方面，2 0 0 2 年，葛森设计了新型切割释放法测试方 案，对厚度为4 8 m m 、2 4 m m 的焊接板分别进行了测试。然后根据线性假说，给 出了沿厚度三维残余应力分布的计算公式，提出了焊接三维残余应力盯一仃，沿 y 轴和z 轴的拟合公式，同时给出了仃，沿y 轴分布的拟合公式【3 8 】。2 0 0 4 年，唐 万民等人采用a n s y s 通用有限元分析软件对钢板对接焊进行模拟分析，通过 对不同厚度钢板的对接焊缝横向残余应力分布的研究，得出横向焊接残余应力 分布与板厚关系的一些简便的数学公式1 3 9 1 。 由于焊接残余应力自身的复杂性、多变性，使得实验测量所得的分布曲线 也复杂多变，且与数值模拟的计算结果相差甚远，这就给残余应力分布曲线的 拟合带来了困难。此外，分布模型中一些参数的具体意义、待定常数的确定也 存在着不小的困难。因此，对这方面的研究仍然具有很高的科研价值。 1 5 本文的主要工作和研究意义 本文的研究工作主要集中在以下四个方面： 1 厚板对接焊表面残余应力的测定： 采用x 射线应力测定仪测量两块1 0 0 m m 钢结构厚板对接焊件上表面的残 余应力，给出表面横向残余应力和纵向残余应力的分布曲线，找出分布规律。 2 建立厚板焊接模型并进行分析计算： 使用m s c m a r c 2 0 0 7 通用有限元软件建立厚板对接焊的有限元模型并进行 计算，得出各实测点的残余应力计算值，给出各测量直线上残余应力的计算分 布曲线，并与实际测量结果进行比较分析。 3 厚度方向残余应力，的给出： 分析比较表面残余应力之后，在测量值与计算值拟合较好的情况下，从模 8 武汉理j 二人学硕十学位论文 型的计算结果中直接得出厚度方向的残余应力盯，给出分布曲线，并总结分布 规律。 4 分布曲线和分布曲面的拟合： 最后使用ls t o p t 综合优化软件，采用基于l e v e n b e r g m a r q u a r d t 法( 麦夸特 法) 和通用全局优化算法来拟合分布曲线和分布曲面，提出分布模型，给出拟合 方程，并将拟合计算结果与实际测量结果进行对比分析。 本论文将按下述章节进行：第一章是关于焊接残余应力的文献综述，介绍 残余应力的相关知识和目前国内外的发展状况以及所取得的研究成果；第二章 介绍了x 射线应力测量原理和实验测量过程，同时给出了残余应力的测量分布 曲线；第三章讲述了m a r c 有限元计算软件的基础知识、建模和计算过程、计算 结果和实验结果的对比分析；第四章主要对残余应力测量结果进行拟合计算， 提出分布模型，给出拟合结果；第五章是全文的结论和技术展望。 论文的创新点和研究意义： 本文采用实验测量和模拟计算相结合的研究方法，给出了厚板对接焊残余 应力的分布曲线，找出分布规律，并成功建立了l o o m m 厚板焊接的有限元模型。 随即，对所得的分布曲线和分布曲面进行基于麦夸特法和通用全局优化算法的 拟合计算，提出了残余应力分布模型和分布公式。所得计算模型将为残余应力 理论分析提供参考，所提出的残余应力分布公式将为特定厚度板材的实际焊接 工作提供指导依据，为以后的焊接残余应力分布研究提供参考。 9 武汉理 人学硕+ 学位论文 第2 章焊接残余应力f l , 0n 试 2 1 实验材料 本文所要研究的实验对象为a 1 0 5 阀门用钢，它是苏州纽威阀门公司生产 的。a 1 0 5 钢具有良好的机械性能和焊接性能，其材料化学成分见表2 1 ，物理 力学性能见表2 2 。 表2 1 a 10 5 钢化学成分 元素 cm npss ic u ” 成分( )0 3 5 o 6 1 0 50 0 3 50 0 4 0 1 0 m 3 50 4 0 元素n i ( 1 )c r 1 ) 2 m o 帅 v n b 成分( ) 0 4 00 3 0o 1 20 0 50 0 2 注：( 1 ) c u 、n i 、c r 、m o 元素含量总和不应超过1 0 0 。 ( 2 ) c r 、m o 元素含量总和不应超过0 3 2 。 ( 3 ) 对于最大规定的碳含量( 0 3 5 ) 以下，每降低0 0 1 碳含量，允许在最大规定锰 含量( 1 0 5 ) 上增加0 0 6 锰含量，直到1 3 5 为止。 表2 2a 1 0 5 钢力学性能 i 抗拉强度( m p a )屈服强度( m p a )伸长率( 煳断面收缩率( )硬度h b ( m p a ) - - - 4 8 52 5 02 23 01 8 7 焊接试件的厚度为1 0 0 m m ，试件尺寸见图2 1 所示( 单位：m m ) 。 7 74 c ) o 叫 图2 1 试件尺寸 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 2 2 焊接工艺 试件采用窄间隙带衬底深u 形坡口，平板对接焊接，平板两端用上、下夹 持板固定。焊接坡口形状见图2 2 所示( 单位：m m ) ，焊道顺序见图2 3 所示。 图2 2 坡口形状图2 3 焊道顺序 试件焊接时先使用手工电弧焊( s m a w ) 打底，焊道1 2 层，然后采用埋弧 自动焊( s a w ) ，直流反接进行多道焊接，焊道3 0 3 层，其焊接参数见表2 3 所示。 表2 3 焊接参数 焊接焊接方 极性焊材直径 焊接电焊接电送丝速度焊接速度 层数法 流( a )压( v )( m r a i n ) ( r a m s ) 打底1s m a wd e c pj 5 0 74 0 m m1 5 0 1 8 02 l 2 31 4 0 1 7 0 打底2s m a wd e c p j 5 0 74 0 m m1 5 肚1 8 02 l 2 31 4 0 1 7 0 3 1 2s a wd e c ph 0 8 m 【n a1 6 m m4 2 0 - 4 4 03 20 2 33 5 0 1 3 2 0s a wd e c ph 0 8 m n a1 6 m m4 3 0 - - 4 4 03 3o 2 43 5 0 2 l 4 3s a wd e c ph 0 8 m n a1 6 m m4 5 0 - - 4 7 03 50 2 53 5 0 焊材j 5 0 7 是低氢纳型药皮的碳钢焊条，采用直流反接，可进行全位置焊接。 焊缝金属具有良好的塑性、冲击性能及抗裂性能，x 射线探伤合格级别为i 级。 焊条熔敷金属的化学成分和力学性能分别见表2 4 和表2 5 所示。 表2 4j 5 0 7 熔敷金属化学成分( 质量分数) 元素 cm ns in i c r m osp 保证值 0 1 21 6 0 0 7 5 0 3 0 0 2 0 0 3 0 4 72 7 一般值 5 2 0 - - 5 8 04 1 02 4 3 26 0 2 3 0 5 5 2 0 0 武汉理j i ：入学硕十学位论文 焊材h 0 8 m n a 是镀铜碳素结构钢焊丝，配合焊剂常用于碳钢和强度级别较 低的合金钢如1 6 m n 等的埋弧自动焊，焊缝金属具有优良的力学性能。焊条熔 敷金属化学成分见表2 6 ，力学性能见表2 7 。 表2 6h 0 8 m n a 熔敷金属化学成分( ) i元素c m ns ic rn i c u sp 成分 0 1 00 8 1 1 0o 0 70 2 0 o 3 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 3 0 表2 7h 0 8 m n a 熔敷金属力学性能 配合焊剂o b ( m p a )c s ( m p a )6 5 ( ) 0 ak v ( j )2 0 。c ak v ( j ) s j 3 0 14 1 5 5 5 03 3 02 28 03 4 h j 4 3 l4 1 5 5 5 0 3 3 0 2 22 7 2 3 残余应力测量 残余应力的测量方法比较多，有破坏性的机械测量方法，也有无损伤的物 理测量方法。机械测定方法的测量原理是将具有残余应力的部分用一定的方法 进行局部地分离或分割，从而使残余应力被局部释放，接着测定分割前后的变 形，然后利用弹性力学知识来求出残余应力。它是根据应变来求应力的。物理 的无损伤测量方法是根据材料的某些物理性能受应力变化影响而发生相应变化 的基本原理，通过测取材料的某些物理参数的变化来计算残余应力。机械法是 以测宏观残余应力为对象，而物理法则既可以测宏观残余应力也能测微观残余 应力。条形切割法、盲孔法、逐层铣削法等都属于破坏性方法，电磁法、x 射 线衍射法、中子衍射法等都属于无损伤方法。 结合实验室现有的设备，本文采用无损伤的x 射线衍射法来对焊接件表面 的残余应力场进行现场测量。 2 3 1x 射线应力测定原理 利用x 射线入射到物质时的衍射现象来测定残余应力的方法就叫x 射线应 力测定法。测定时根据衍射线的移动可以测定出宏观残余应力，而根据衍射线 的变宽则能测出微观残余应力。 根据在构成材料的晶粒上施加弹性应力时，晶粒内的特定晶面的面间距将 会发生变化，而根据此变化即可求得残余应力，这就是x 射线应力测定的基本 原理。x 射线应力测定的基本原理最早由俄国学者于1 9 2 9 年提出，其基本思路 是：一定应力状态引起材料的晶格应变和宏观应变是一致的。宏观应变可根据 1 2 武汉理工人学硕+ 学位论文 弹性力学求得，晶格应变则可以通过x 射线衍射技术测出，因此可以从测得的 晶格应变推知未知的宏观应力矧。 当一束x 射线( 强度为厶) 以掠射角o o 照射到一个无应力的晶体上时，若相 邻两个原子面( 原子面面间距为或) 散射的x 射线的光程差正好等于x 射线波长 五的整数倍，即满足 2 d os i n o o = n 2 ( 2 一1 ) 则在对称于晶面法向。的相同角度o o 处将会出现一束强度为，的衍射光线，这 就是著名的布拉格方程。 受力后多晶体材料晶面间距的变化将导致布拉格角9 产生角位移。 对布拉格方程两边同时进行微分可得 彩= ( 扔) 绒= ( b d o ) d 0 = 一c o t o o ( d 0 ) ( 2 - 2 ) 式中彰为处于某一方位的晶粒的晶格应变。 当有残余应力时，x 射线应力测定时入射线、晶面法线、衍射线和材料表 面法线间的角度关系如图2 4 所示。 n s ； ： 屯 孙 图2 4 入射线、晶面法线、衍射线和表面法线间的角度关系 图中缈为产生衍射的晶面法线和材料表面法线间的夹角；2 p 为衍射线与入 射线反向延长线之间的夹角。 对宏观均匀、各向同性的材料来说主应力方向与主应变方向一致。在图2 5 所示的坐标系下，某一方向的应变乞与主应变的关系为 ，= qs i n yc o s 2 缈+ 岛s i n 2 u s i n 2 缈+ 毛c o s 。沙 ( 2 3 ) 武汉理1 ：大学硕士学位论文 图2 5 应力状态与应变状态坐标系 利用广义的胡克定律，的白，与主应力之间的关系为 钿= 警( q c o s 2 眇+ 0 - 2s i n 2 缈一吧) s i r l 2 沙一盖( q + c r 2 ) + 詈( 2 - 4 ) 由于x 射线能透入的深度很小，故被射线照到的表面薄层处于平面应力状 态。于是吒可近似地看作0 ，且此时y = 9 0 0 ，故又有： 勺，- 1 is 2 s i n 2 + s t ( q + c r 2 ) ( 2 - 5 ) 式中( 1 2 ) s ：- - 0 + ，) e ，s = - v e ，( q c o s 2t p + a 2s i n 2 缈) = 。 最后根据晶格应变与宏观应变一致的基本思想得到x 射线应力测定的基本 方程。 ，= 一c o t 0 0 ( d o ) 州= ( 1 2 ) s ：s i n 2y + s ( q + 吒) = 勺， ( 2 6 ) 由于主应力之和( q + c r 2 ) 是应力不变量，上式表明：在平径角妒一定的任意 截面内，不同方位角 f ，方向的晶格应变屯与方位角y 的正弦平方s i n 25 f ，成线性 关系。 若将测得的不同方位y