（材料加工工程专业论文）考虑相变的焊接接头残余应力有限元计算分析.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 考虑相变的焊接接头残余应力有限元计算分析 摘要 疲劳失效是焊接结构破坏的主要形式之一，残余拉伸应力降低焊接 结构的疲劳性能，而残余压缩应力有利于提高疲劳性能。利用焊缝金属 组织转变的方法可以在焊接过程中直接降低焊接残余拉伸应力，甚至产 生残余压缩应力，有效地提高焊接结构的使用寿命。 本文运用a n s y s 软件计算分析了考虑相变的焊接接头残余应力。探 讨了相变作用机理和对残余应力的影响因素、影响规律及应力分布规律， 并与实验数据进行了对比。 以刚性拘束直杆为研究对象对相变残余应力机理分析得出：相变应 力可以降低热收缩引起的残余拉伸应力，在一定条件下可使残余拉伸应 力转变为残余压缩应力。相变开始温度大于6 0 0 左右，残余应力均为拉 伸应力，其数值达到材料的屈服强度；相变开始温度在6 0 0 3 5 0 左右 之间，残余应力也为拉伸应力，但随着相变开始温度的降低，拉伸应力 数值在下降：相变开始温度在3 5 0 9 0 之间，残余应力为压缩应力； 相变开始温度在9 0 左右室温之间时，残余应力又回复为拉伸应力，但 随着相变开始温度的降低，拉伸应力数值在上升。相变温度为1 7 0 左右 时，残余压缩应力值最大。计算结果与试验数据得到较好的吻合。 采用普通e 5 0 1 5 焊条和相变焊条对平板堆焊的残余应力分布进行有 限元计算，组织转变有效地降低了焊缝处的残余拉伸应力，并且产生了 残余压缩应力。e 5 0 1 5 焊接接头沿着焊缝方向的横向残余应力为 2 0 0 3 0 0 m p a 左右的拉伸应力，纵向残余应力为2 0 0 3 0 0 m p a 左右的拉伸 应力。相变焊条焊接接头沿着焊缝方向的横向残余应力为一2 0 0 一3 0 0 m p a 左右的压缩应力，纵向残余应力为2 0 0 - 3 0 0 m p a 左右的压缩应力。e 5 0 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 焊接接头沿着垂直焊缝方向，在焊缝上及焊趾处的横向残余应力、纵向 残余应力均为拉伸应力，随着与焊缝中心距离的增加拉伸应力数值逐渐 下降。而相变焊条焊接接头沿着垂直焊缝方向，在焊缝上及焊趾处的横 向残余应力、纵向残余应力均为压缩应力，随着与焊缝中心距离的增加 压缩应力数值逐渐趋于零。计算结果与实验数据基本吻合。 采用普通e 5 0 1 5 焊条和相变焊条对十字接头的残余应力分布进行有 限元计算。e 5 0 1 5 焊条十字接头角焊缝沿着焊接方向焊缝处的横向残余应 力与纵向残余应力均为拉伸应力，相变焊条十字接头角焊缝沿着焊接方 向焊缝处的横向残余应力与纵向残余应力均转变为压缩应力。 由上所述，组织转变有效地降低了焊接接头的残余拉伸应力，并且 在一定的条件下产生焊接残余压缩应力，从而证实利用焊缝金属组织转 变的方法可以在焊接过程中直接产生压缩残余应力，有效地提高焊接结 构的疲劳强度，延长结构的使用寿命。 关键词：焊接接头，组织转变，残余应力，有限元分析，相变焊接材料 i i 奎垦堡三奎堂堡主婴塞笙堂垡堡壅 s t u d y o nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o r c o n s i d e r i n gt r a n s f o rm a t l 0 nr e s i d u a l s t r e s so fw e l d e dj o i n t a b s t r a c t i ti so n eo ft h em a i nf o r m st h a tn t i g u ef a i l u r ed e s t r o y sw e l d i n gs t r u c t u r e t e n s i l es t r e s sr e d u c e st h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo fw e l d i n gs t r u c t u r ea n d c o m p r e s s i v e s t r e s sh e l p st o i m p r o v ef a t i g u ep e r f o r m a n c e u t i l i z ) n g t h e t r a n s f o r m a t i o no fb e a dm e t a lc a nr e d u c et e n s i l es t r e s sd i r e c t l yi nt h ec o u r s eo f w e l d i n g ，e v e np r o d u c e sc o m p r e s s i v es t r e s s ，t oi m p r o v et h e s e r v i c e 。l i f eo f w e l d i n gs t r u c t u r ee f f e c t i v e l y t h i ss t u d yu s e sa n s y ss o f t w a r et oa n a l y z er e s i d u a ls t r e s sc o n s i d e r i n g t r a n s f o r m a t i o ni n w e l d i n gj o i n t h a v i n g d i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo f t r a n s f o r m a t i o na n dt h ed i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s s ，r e s e a r c h e di n f l u e n c e f a c t o r sa n di n f l u e n c el a w so fr e s i d u a ls t r e s s a n d ，c o m p a r e dc o m p u t er e s u l t s w i t he x p e r i m e n t a ld a t e t h o u g hr e s e a r c h i n gt r a n s f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fr e s i d u a ls t r e s so fr i g i d c o n s t r a i n e d s t r a i g h tp o l e ，f o l l o w i n g c o n c l u s i o n c a nb eo b t a i n e d ： t r a n s f o r m a t i o ns t r e s sr e d u c e st e n s i l e s t r e s sw h i c hc a u s e d b y t h e r m a l c o n t r a c t i o n ，a n dt u r n st e n s i l es t r e s si n t oc o m p r e s s i v es t r e s si ns o m ec o n d i t i o n s w h e nt h et r a n s f o r m a t i o ns t a r t i n gt e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a n6 0 0 。c ，r e s i d u a l s t r e s si si ns t a t eo ft e n s i l es t r e s sc o n d i t i o n ，a n dt h ev a l u eo fs t r e s sr e a c h e st h e y i e l ds t r e n g t ho ft h em a t e r i a l w h e nt h et r a n s f o r m a t i o ns t a r t i n gt e m p e r a t u r ei s i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 b e t w e e n6 0 0 a n d3 5 0 ，r e s i d u a ls t r e s si si ns t a t eo f t e n s i l es t r e s sc o n d i t i o n ， a n dt h ev a l u eo fs t r e s sr e d u c e sw i t hd e c l i n eo ft h et r a n s f o r m a t i o ns t a r t i n g t e m p e r a t u r e w h e nt h et r a n s f o r m a t i o ns t a r t i n gt e m p e r a t u r ei sb e t w e e n3 5 0 。c a n d9 0 。c ，r e s i d u a ls t r e s si si ns t a t eo fc o m p r e s s i v es t r e s sc o n d i t i o n w h e nt h e t r a n s f o r m a t i o ns t a r t i n gt e m p e r a t u r ei sb e t w e e n9 0 。ca n dr o o mt e m p e r a t u r e ， r e s i d u a ls t r e s si si ns t a t eo ft e n s i l es t r e s sc o n d i t i o n ，a n dt h ev a l u eo fs t r e s s a s c e n d sw i t hd e c l i n eo ft h et r a n s f o r m a t i o ns t a r t i n gt e m p e r a t u r e w h e nt h e t r a n s f o r m a t i o ns t a r t i n gt e m p e r a t u r ei sa b o u t17 0 c ，t h ev a l u eo fc o m p r e s s i v e s t r e s sr e a c h e si t sm a x i m u m t h er e s u l to fc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t e c o r r e s p o n dw i t he a c ho t h e r c a l c u l a t i n gd i s t r i b u t i o n o fr e s i d u a ls t r e s so ft h eb u i l d i n gu pi nt h e p l a t f o r m w i t he 5 0 1 5e l e c t r o d e a n dt r a n s f o r m a t i o ne l e c t r o d e t h e t r a n s f o r m a t i o nd e c r e a s e st e n s i l es t r e s si n w e l d i n gb e a d ，a n d c r e a t e s c o m p r e s s i v es t r e s s t r a n s v e r s es t r e s so f e 5 0 15w e l d e dj o i n ta l o n gd i r e c t i o no f w e l d i n gi si ns t a t eo ft e n s i l es t r e s s ( a b o u t2 0 0 - 3 0 0 m p a ) l o n g i t u d i n a ls t r e s s o f e 5 0 15w e l d e dj o i n ta l o n gd i r e c t i o no fw e l d i n gi si ns t a t eo ft e n s i l es t r e s s ( a b o u t2 0 0 3 0 0 m p a ) t r a n s v e r s es t r e s so ft r a n s f o r m a t i o nw e l d e dj o i n ta l o n g d i r e c t i o no fw e l d i n gi si ns t a t eo fc o m p r e s s i v es t r e s s ( a b o u t 一2 0 0 一3 0 0 m p a ) l o n g i t u d i n a ls t r e s so ft r a n s f o r m a t i o nw e l d e djo i n ta l o n gd i r e c t i o no fw e l d i n g i si ns t a t eo fc o m p r e s s i v es t r e s s ( a b o u t 一2 0 0 - 一3 0 0 m p a ) b o t ht h et r a n s v e r s e s t r e s sa n dl o n g i t u d i n a ls t r e s so fe 5 015w e l d e di o i n ti nw e l d e dt o ea n db e a d a l o n gt h ed i r e c t i o nw h i c hi sv e r t i c a lw i t hd i r e c t i o no fw e l d i n ga r ei ns t a t eo f t e n s i l es t r e s s ，w h i c hv a l u ed e m e a s e sw i t ht h ed i s t a n c ea w a yf r o ma x i so fw e l d h o w e v e r b o t ht h et r a n s v e r s es t r e s sa n dl o n g i t u d i n a ls t r e s so ft r a n s f o r m a t i o n w e l d e di o i n ti nw e l d e dt o ea n db e a da l o n gt h ed i r e c t i o nw h i c hi sv e r t i c a lw i t h d i r e c t i o no fw e l d i n ga r ei ns t a t eo fc o m p r e s s i v es t r e s s ，w h i c hv a l u ed e c r e a s e s t oz e r og r a d u a l l yw i t ht h ed i s t a n c ea w a yf r o ma x i so fw e l d t h er e s u l to f c a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t ec o r r e s p o n dw i t he a c ho t h e rb a s i c a l l y i v c a l c u l a t i n gd i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s so fc r u c i f o r mj o i n tw i t he 5 0 1 5 e l e c t r o d ea n dt r a n s f o r m a t i o ne l e c t r o d e e i t h e rt h et r a n s v e r s es t r e s so r l o n g i t u d i n a l s t r e s so fe 5 0 15c r u c i f o r mj o i n ti nf i l l e t a l o n g d i r e c t i o no f w e l d i n gi si ns t a t eo ft e n s i l es t r e s s e i t h e rt h et r a n s v e r s es t r e s so rl o n g i t u d i n a l s t r e s so f t r a n s f o r m a t i o nc r u c i f o r mj o i n ti nf i l l e ta l o n gd i r e c t i o no fw e l d i n gi s i ns t a t eo fc o m p r e s s i v es t r e s s t h er e s u l to fc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ld a t e c o r r e s p o n dw i t he a c ho t h e rb a s i c a l l y a c c o r d i n gt oa b o v es t a t e m e n t ，t h et r a n s f c l r m a t i o nr e d u c e st e n s i l es t r e s s o fw e l d e dj o i n t ，e v e np r o d u c e sc o m p r e s s i v es t r e s si ns o m ec o n d i t i o n s s ot o s a y i tp r o v e st h a tu t i l i z i n gt h et r a n s f o r m a t i o no fb e a dm e t a lc a n r e d u c et e n s i l e s t r e s sd i r e c t l yi nt h ec o u r s eo fw e l d i n gt oi m p r o v et h ef a t i g u es t r e n g t ha n d s e r v i c el i f eo fw e l d i n gs t r u c t u r ee f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：w e l d e dj o i n t ，t r a n s f o r m a t i o n ，r e s i d u a ls t r e s s ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，t r a n s f o r m a t i o nw e l d i n gm a t e r i a l v 声明 y9 7 9 4 4 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：至蓬日期： 关于学位论文使用权的说明 0 蕊jc 。诞 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：至蒸日期： 例；r ，西 导师签名：匕叁兰型日期：建型：兰! 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 自从2 0 世纪初涂药焊条发明至今一百年来，焊接已经成为应用最为广泛的工艺 方法，当代许多最重要的金属构件必需采用焊接方法刁能连接完成1 ，例如：造船、 铁路、汽车、航空、航天、桥梁、锅炉、大型厂房和高层建筑等都离不丌焊接技术。 与其它连接技术相比，焊接可以说是在工程生产中最主要的连接方法。据国际钢铁协 会( i i s i ) 称，2 0 0 4 年世界钢产量已经达到1 1 2 9 4 亿吨口1 ，而我国钢产量达到2 7 2 5 亿吨i j l 。其中，我国焊接结构的重量已占钢铁总产量的5 0 以上，工业发达国家的这 一比例已经接近7 0 【4 j ，焊接结构的应用在一定程度上促进了现代化工业的发展。 然而，疲劳是焊接结构失效的一种主要形式。大量统计资料表明，由疲劳裂纹引 起的焊接结构失效断裂事故占总断裂事故的7 0 8 0 以上，约有5 0 9 0 的机械结构 的破坏属于疲劳破坏口1 。 疲劳破坏一直被认为是船舶及海洋工程结构的一种主要破坏形式，自钢质海船诞 生至今，因结构中疲劳裂纹的生成、扩展，最后导致船舶破坏的事例屡有报道。荚国 海岸警卫队船舶结构委员会( s h i ps t r u c t u r ec o m m i t t e e ，u sc o a s tg u a r d ) 曾组织力 量对6 种不同类型的7 7 艘民用船舶及9 艘军舰中6 0 多万个结构细部进行了调查研究 和统计分析，结果表明，有约九分之一的破坏与疲劳有关。历史上海洋平台的几次重 大事故，如1 9 6 5 年日本为美国建造的s e d c o 型半潜式平台在交货途中破损沉没，造 成1 3 人死亡：1 9 8 0 年a l e x a n d e r k e y l a n d 号半潜式平台在北海翻沉，使1 0 0 余人葬 身海底。调查分析的结果表明，结构的疲劳是造成事故的重要原因之一| 6j 。在我国焊 接结构因疲劳问题而失效的工程事例也屡有报道。例如，9 0 年代末高速客车转向架 中焊接接头的疲劳断裂【7 1 ，水轮机叶片根部的疲劳断裂，都给国家和企业造成了巨大 的经济损失。 疲劳事故的频繁发生在一定程度上制约了焊接结构的进一步广泛应用，使一些场 合不得不放弃使用焊接结构。因而，研究如何提高焊接结构疲劳强度显得尤为重要， 为此人们进行了大量的试验研究工作。这些研究表明：影响焊接构件疲劳强度的主要 因素有以下四点1 8 1 ： l 、应力集中的影响； 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、焊接残余应力的影响； 3 、焊接缺陷的影响； 4 、近缝区金属性能变化的影响。 作为对材料承受动载性能的影响而言，残余应力对材料疲劳强度的影响是非常重 要的。就一般关系而论，当受到交变应力的构件存在残余压缩应力时，该构件的疲劳 强度就会提高，而存在残余拉伸应力时其疲劳强度就会降低 9 j o l 。 焊接结构一个很明显的特点就是有较大的残余应力。在构件表面，尤其是一些疲 劳裂纹容易起裂的关键部位降低焊接残余拉伸应力，甚至产生焊接残余压缩应力是提 高焊接结构疲劳强度的有效途径之- - 1 。 目前，常用的减小、调整和消除焊接残余应力的方法有日 ： l 、采用合理的焊接顺序和方向； 2 、锤击或辗压焊缝； 3 、整体或局部高温回火处理： 4 、机械拉伸法： 5 、温差拉伸法： 6 、振动法。 以上方法是已经成熟且有效的降低或调整焊接残余应力的方法，但是以上方法都 具有一些局限性，尤其对于大型构件实施具有困难，同时大大提高了工作量和工作成 本。如果能够找出一些方法在焊接过程中直接降低焊接残余拉伸应力，甚至产生残余 压缩应力，将大大提高工作效率，并且可以有效地提高构件的使用寿命。本文中就是 采用组织转变的方法，利用相变焊条技术来降低焊接残余拉伸应力。 在试验中测量焊接接头的残余应力是非常复杂而困难的，热应力的测量更是难以 实现，而且影响焊接残余应力的因素很多，如：焊接热源、试件尺寸、外部拘束度、 焊后热处理、焊接材料化学成分及焊接顺序等都会对焊接残余应力产生影响。单纯的 试验难以全面了解残余应力分布复杂而多样的特点，同时对焊接过程中温度及应力的 变化情况更是无法掌握。测量残余应力的方法主要有盲孔法、x 射线衍射法、磁性测 量法等 1 2 1 1 3 l ，这些方法都需要专门的试验设备，制作专门的试件，若要利用这些方法 了解焊接接头区域的残余应力变化情况，不但费时费力费钱，而且所得试验数据也比 较分散。 随着焊接温度场、应力场的深入研究，有限元技术的发展与应用，以及近年来计 算机技术发展的突飞猛进，焊接数值模拟技术的地位变得越来越重要，它不仅能够节 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 省大量的试验时削，节约研究经费，而且可以方便地了解试件上残余应力的连续分粕 规律，优化焊接工艺，掌握焊接过程中温度场、应力场的连续变化规律。 1 2 组织转变对残余应力的影响 马氏体是由o s m o n d ，m f 于1 8 9 5 年提出，用于命名高碳钢在淬火过程中得到的 高硬度的显微组织【l 。以后人们就以这类组织的形态( 针叶状) 及其性质( 高硬度、 具铁磁性) 来描述马氏体，把形成这类组织过程以及其晶体结构改变( 面心立方一四 角( 正方) ) 过程称为马氏体相变。 马氏体相变属于低温区域的转变，由于转变温度低，碳原子的扩散变得极为困难， 因此奥氏体向马氏体转变进行方式，没有成分的改变，仅原子做定向短距离移动，于 是引起点阵的重新排列，由面心立方点阵向c a 略大于1 的体心正方点阵进行无扩散 的同素异形转变。 典型的低碳钢淬火组织为马氏体及条间残余奥氏体，条状马氏体组织具有较好的 韧性，主要是存在有条间残余奥氏体，虽然它的数量甚微，而对韧性的作用不可忽视。 1 1 2 1 组织转变影响残余应力的研究现状 在从高温到室温的冷却过程中，钢铁材料要发生一系列的组织转变( 相变) ，分 别为高温转变、中温转变和低温转变，相对应的组织为铁素体( f ) 、珠光体( p ) 、贝 氏体( b ) 和马氏体( m ) 【l ”。这些组织的转变机制和形态不同，造成他们的比容也 不尽相同，总的来说：转变温度越低，转变组织的比容越大。如果按含碳量为01 的碳钢计算，在室温下，单一组织的珠光体、贝氏体和马氏体分别比奥氏体体积膨胀 4 6 2 、4 7 l 、4 8 0 ，即线膨胀1 5 4 、1 5 7 矛f i1 6 0 ，其中奥氏体马氏体转变 的相变线膨胀最大。这一数值实际上是组织完全转变情况下的相变膨胀应变，如果考 虑到组织转变是在不同的温度下进行和转变不完全的原因，实际的组织转变膨胀应变 要小于上述理论计算值i l “。 在无拘束的冷却情况下，材料组织转变体积膨胀可以自由变形，这并不会引起相 变应力的产生。但是在有约束的冷却情况下，材料组织转变体积膨胀受到约束，即膨 胀变形受到阻碍，材料内部则会产生相变应力，相变应力属于压缩应力【l “。 相变应力与热收缩应力产生的拉伸应力不同，它会引起压缩应力。室温下的残余 应力由热收缩拉伸应力和相变压缩应力共同决定。可以运用以下经验方法来判别残余 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 应力的情况：当构件最后冷却的区域以热应力为主时，构件中呈现拉伸应力；而以相 变应力为主时，构件中呈现压缩应力。 金属表面的马氏体相变能够提高构件疲劳强度 i ，这早已在金属热处理研究中出 现。其采用的主要工艺方法有： 1 表面淬火 进行表面淬火的钢件在加热到超过临界温度以后便奥氏体化，此时以大于临界值 的冷却速度将其快冷到马氏体点m ，以下，就发生了马氏体转变。表面层出奥氏体相 变为马氏体以后，体积增大4 ，从而在表面层中建立了较大的残余压缩应力，使其 疲劳强度提高。 2 渗氮 钢材表面渗氮也是一种相变提高疲劳强度的方法。将零件放入含氮介质中，在 5 0 0 。c 6 0 0 下加热1 0 m i n 1 0 0 h ，介质中的氮原子渗入零件表面，与钢中的合金元素 如：a l 、c r 、m o 、v 、w 、t i 等形成了弥散分布的氮化物表层( 硬度达6 5 0 h v 1 0 0 0 h v ) ， 并使其体积膨胀，在表层内建立有利的残余压缩应力，从而提高了表层的疲劳强度i l 。 3 渗碳 渗碳是在高温下使碳元素渗入低含碳量零件表层的工艺。渗碳提高疲劳强度的作 用有：1 ) 不均匀冷却产生的表面残余压缩应力；2 ) 相变产生的表面残余压缩应力： 3 ) 渗碳使表面的强度提高。 单一渗碳和渗氮都可以提高试件的疲劳强度，试验证明，碳氮共渗可以更好地提 高1 6 m n 钢试件疲劳性能，碳氮共渗能显著地延长钢件的疲劳寿命，单一渗碳虽能延 长钢件的疲劳寿命，但不如碳氮共渗者显著1 2 。 近年来，许多国家的科学家f 在研究利用组织转变使焊缝金属在较低温度下获得 马氏体相变，依靠马氏体相变体积膨胀在焊缝金属及其周围母材金属获得残余压缩应 力，以达到提高焊接接头疲劳强度的目的。 虽然同本对此进行了一些研究，但是从力学性能方面还有许多问题没有解决，例 如冲击韧性仍然偏低。从2 0 0 2 年第5 5 届国际焊接年会得知，他们仍然在寻求提高冲 击韧性的途径，试图利用提高相变开始温度来改善熔敷金属的冲击韧性。利用组织转 变来提高焊接接头疲劳强度的研究在国际上刚刚起步，而在我国还属于空白领域。 1 2 2 相变焊条的研制与应用前景 由上面的文献综述看来，在构件表面，尤其是一些疲劳裂纹容易起裂的关键部位 造成残余压缩应力是提高构件疲劳强度的有效途径之一。通过一定的工艺方法，可以 使构件表面形成马氏体相变，造成残余压缩应力从而提高疲劳强度，这已有许多成功 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的事例。但是如何把这一方法引入焊接过程，用以提高焊接接头的疲劳强度是焊接专 家所青睐的。 实际上这一行为早已在高强钢材料的焊接过程中有所体现，即相变应力可以降低 焊接接头的残余拉伸应力2 忸】，也有产生残余压缩应力的可能性【1 0 1 ，并理论上分析了 相变应力产生压缩应力的应力分布j ，只是没有考虑把这些结果应用于提高焊接接头 疲劳强度方面。 早在6 0 年代，前苏联焊接专家就提出了利用相变膨胀产生压缩应力来提高焊接 结构疲劳强度的设想【2 ”，所研制的焊条被称为特殊焊条，主要是依靠碳含量和2 4 的m n 含量来降低相变温度，实现低温下的冶金相变。文献指出，对小试件进行疲劳 试验时，用这些焊条堆焊之后的疲劳强度要高于未堆焊试件7 5 ，然而用低碳钢焊条 堆焊的同样试件的强度只是未堆焊试件的4 5 。可见利用组织转变降低焊接接头残余 拉伸应力，从而达到提高焊接构件疲劳强度是非常有效的。遗憾的是由于存在焊缝会 属脆化、焊接性差以及卫生方面的问题，这种方法没有得到足够的重视和发展。 最早报道相变焊接材料研究成果的是f 1 本国家金属研究所 2 4 3 6 i a k i h i k oo h t a 教 授等人，他们在1 9 9 8 年国际焊接学会年会上提出一篇有关低相变点焊丝的报告，其 主要化学成分为1 0 c r 1 0 n i 。报告中把低相变点焊丝用于改善高强钢h t 5 8 0 和h t 7 8 0 纵向箱型焊缝焊接接头的疲劳强度，试板尺寸8 0 0 m m x 2 4 0 m m x 2 0 m m ，角接板尺寸 1 5 0 m m x 5 0 m m ，按照特定的焊接顺序进行焊接，所用保护气体为含有2 氧的氩气。 试验结果证明：普通焊丝焊接接头疲劳强度为6 5 m p a ，而低相变点焊丝的焊接接头 的疲劳强度为13 0 m p a ，疲劳强度提高1 0 0 。 目前，我国在该领域仍属于空白，展丌相变焊接材料的研究仍非常具有研究意义。 1 3 焊接数值模拟的研究现状 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、焊接热循环、焊接残余应力、焊接热影响区的硬度、焊缝区的强度、断裂韧 性等) 。其关键是确定被研究对象的物理模型及其控制方程( 本构关系) 。 焊接数值模拟分析技术涉及的内容很多，包括电弧物理、焊接传热、流体流动、 焊接冶金、焊接应力和变形。其研究主要集中在以下两个方面的数值模拟与仿真： 1 焊接过程温度场的数值模拟与仿真； 2 焊接过程应力、应变场的数值模拟与仿真。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 国外从7 0 年代开始了焊接温度场和应力应变场的有限元分析，国内8 0 年代也开 始了这方面的工作。随着焊接数值模拟技术的发展，它已经成功地解决了工程领域中 的许多问题，广泛地应用于研究焊接热传导、焊接热弹塑性应力和应变的分析。 焊接过程的有限元分析具有下述特点口7 “o 】： 1 模型是三维的，至少在焊接区域如此，以反映内部和表面的不同冷却条件； 2 由于快速加热和冷却，模拟的过程是高度瞬态的，具有与位置和时问相关的 极不相同的梯度场； 3 材料的热一力行为的模拟过程是高度非线性的，并与温度密切相关； 4 局部材料的瞬态行为取决于局部热的历史和力学的应力应变历史； 5 焊接材料熔敷以及凝固后改变构件的连接状况； 6 模拟材料的状态以及显微组织变化： 7 临界情况下可能发生的缺陷和裂纹，使连续介质的概念受到怀疑。 1 31 焊接温度场的数值模拟研究现状 焊接热过程贯穿整个焊接过程的始终，可以说，一切焊接物理化学过程都是在热 过程中发生和发展的。焊接温度场决定了焊接应力场和应变场，它还与冶金、结晶、 相变过程有着不可分割的联系。焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊 接应力、应变热弹塑性动态分析的前提。然而，焊接过程的传热问题十分复杂，它的 特点主要表现在以下四个方面”l 】： 1 、焊接热过程是局部的，也就是况 源直接作用下的附近区域，加热极不均匀 热复杂得多。 工件在焊接时的加热不是整体的，只是热 这一点要比热处理条件下工件整体均匀受 2 、焊接热过程具有瞬时性，在高度集中热源的作用下，加热速度极快( 在电弧 焊情况下，可达1 5 0 0 c s 以上) ，也就是说，在很短的时间内把大量的热由热源传递 给焊件。 3 、焊接传热过程中，热源相对于工件是运动的。由于焊接时工件受热的区域不 断变化，就使得这种传热过程是不稳定的。 4 、焊接熔池中的液体金属不是静止不动的，而是强烈运动着的，并进行着一系 列的物理化学反应。也就是说，在熔池内部，传热过程以流体对流为主，而在熔池外 部，以固体导热为主。此外，在工件表面上，还有空气的对流换热以及辐射换热。因 此，焊接热过程涉及到各种热传递方式，是复合传热过程。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 以上几个方丽的特点使得焊接传热问题十分复杂，给研究工作带来了许多困难。 然而，由于它对焊接质量具有重要的影响，所以，人们从来没有停止过对焊接热过程 本质的研究和探讨。 1 9 6 6 年w i l s o n 和n i c k e l l 首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。7 0 年 代，有限元法爿逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。1 9 7 5 年，加拿人p o l e y 和h i b b e r t 在发表的文章中，介绍了利用有限元法研究焊接温度场的工作，编制了可以分析非矩 形截面以及常见的单层、双层u 、v 型坡口的焊接温度场的计算程序，证实了有限元 法研究焊接温度场的可行性。 2 0 0 0 年南非开普顿大学的j r o n d a 【4 2 等用统一的方法推导了相变规律和相变塑 性，建立了相容的t m m 模型( t h e r m o m e e h a n o m e t a l l u r g i c a lm o d e l ) ，并形成了系统 理论，这个模型不仅研究了温度变化对相变的影响，而且还研究了应力应变对相变的 影响。r o n d a 等用此模型分析了厚板的对接多道焊( 3 到1 6 道焊) 的温度场、相变规 律和残余应力。 国内西安交通大学唐慕尧等人于1 9 8 1 年编制了有限元热传导分析程序，进行了 薄板焊接准稳态温度场的线性计算，其结果与实验值吻合。随后上海交通大学的陈楚 ”驯等人对非线性的热传导问题进行了有限元分析，建立了焊接温度场的计算模型，编 制了相应的程序。该程序考虑了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情 况，能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳态或非准稳态二维温度场的有限 元分析，并在脉冲t i g 焊接温度场以及局部干法水下焊接温度场等方面进行了实例 分析川。 对于三维问题，国内外也是近十年来才刚开始研究。其原因是焊接过程温度梯度 很大，在空间域内，大的温度梯度导致严重的材料非线性，产生求解过程的收敛困难 和解的不稳定性；在时间域内，大的温度梯度决定了必须在瞬念分析时在时间域内的 离散度加大，导致求解时间步的增加。国内上海交通大学汪建华【4 4 】等人和日本大阪大 学合作对三维焊接温度场问题进行了一系列的有限元研究，探讨了焊接温度场的特点 和提高精度的若干途径，并对几个实际焊接问题进行了三维焊接热传导的有限元分 析。蔡洪能等人在建立了运动电弧作用下的表面双椭圆分布模型基础上研制了三维瞬 态非线性热传导问题的有限元程序，程序中利用分析节点热焓的方法对低碳钢( a 3 钢) 板的焊接温度场进行了计算，计算结果和实验值吻合得很好【4 5 , 4 6 1 。 1 3 2 焊接应力和应变场的数值模拟研究现状 焊接过程中应力、应变的研究工作始于2 0 世纪3 0 年代，但是研究工作只能是定 性的和实测性的。而有限元算法和计算机技术的发展，为解决焊接应力与变形这类热 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 物理、冶金与力学耦合的复杂问题，提供了可定量分析的工具，使原先无法用解析方 法求解的焊接热弹塑性应力应变动态过程的分析与计算成为可能。焊接应力场计算是 属于包括相变、塑性和非线性等多方面因素影响的热一弹塑性问题，比一般弹性或弹 塑性问题要复杂得多。 5 0 年代，前苏联学者奥凯尔布洛母等人在考虑材料机械性能与温度之间的相互 依赖关系的情况下，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 分析了一维条件下对焊接应力应变的影响。 6 0 年代，由于计算机的推广应用，对焊接应力应变的数值模拟才发展起来。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计算，编制了一套沿板条中线进行堆 焊的热应力一维分析程序。1 9 7 1 年，1 w a k i i 【47 】编制了可用于分析板平面堆焊热应力 的二维有限元程序，后来m u r a k i m i 4 8 ，49 】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堆焊过程的热应力分析。此后美国的a n d e r s o n 分析 了平板埋弧焊时的热应力，并考虑了相变的影响【5 0 】。 进入8 0 年代，有限元技术目益成熟，人们对焊接应力应变过程及残余应力的分 布规律的认识不断深入，1 9 8 5 年b l j o s e f s o n 5 1 】等人通过大量的数值计算，进一步 提高了预测焊缝周围残余分布的精度，同时考虑了定位焊对残余应力分布的影响。 进入9 0 年代，随着计算机性能的进一步提高，对焊接应力应变的研究更加深入。 1 9 9 1 年m a h i n l 5 2 1 等人在研究中考虑了耦合的热应力问题，其中热源分布采用实验矫 f 的方法进行处理，同时考虑了熔池对流、辐射及传热对温度分布的影响，其残余应 力的计算结果与采用中子衍射测得的结果吻合很好。一i n o u e 等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，并提出了在考虑耦合效应 的条件下本构方程的一般形式。1 9 9 2 年加拿大的c h e n ，d e r j e n 5 3 】等人对厚板表面重 熔时的应力应变进行了有限元计算，其中考虑了熔化潜热及凝固过程中固液相转变过 渡区应力的变化，其残余应力计算值和实验值相当吻合。美国的s h i mj d 【5 州等人利 用平面应变热弹塑性有限元计算了厚板多层焊的残余应力，并对不同坡口形状的焊接 残余应力进行了比较，揭示了厚板残余应力分布的规律。 国内对焊接应力应变数值分析起步于2 0 世纪7 0 年代，首先是西安交通大学的楼 志文等人把数值分析应用到焊接温度场和热弹塑性应力场的分析中，编制了热弹塑性 有限元分析程序并对两个较简单的焊接问题进行了分析。 进入8 0 年代，上海交通大学焊接教研室编制了二维热弹塑性有限元分析程序， 计算了平板对接焊时应力应变发展过程及残余应力分布。关桥等人编制了用于进行平 板轴对称焊接应力应变分析的有限差分和有限元程序，对薄板氩弧点状热源的应力应 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 变过程进行了计算，陔分析仅限于点状热源。孟繁森【5 爿等人利用迭代解法研制了计算 焊接过程应力应变程序和图形显示程序，分析了板条边缘堆焊时的应力应变发展过 程。陈楚等人利用平截面的假设分析了厚板焊接时的瞬态拉应力以及厚板补焊时的残 余应力。刘敏 5 6 , 5 7 1 等人研制了三角差分温度场和轴对称热弹塑性有限元程序，计算了 l c r l 8 n i 9 t i 和2 0 号钢圆管对接多层焊接时的应力应变过程。汪建华把三维问题转化 为二维问题利用平面变形热弹塑性有限元法对厚板的应力问题进行了分析。西安交通 大学的汤小牛等人针对工程中大量壳体部件的热弹塑性问题，编制了稳定温度场和曲 壳单元热弹塑性应力分析程序，计算了异种钢管( 铁素体1 0 2 钢和奥氏体3 0 4 钢) 焊 接残余应力的分斫i 以及焊缝宽度对焊接残余应力的影响。中科院的颜怡霞1 5 8 1 等利用 a n s y s 对球壳焊接瞬态温度场、应力场进行模拟取得较好的结果。清华大学的鹿安 理”“1 等利用m a r