（材料加工工程专业论文）dh40高强钢大厚板焊接及焊接残余应力有限元分析.pdf

摘 要 i 摘 要 dh40 船用钢具有强度高、低温韧性好、耐腐蚀、抗疲劳等特性，主要用于建造 大型船舶及海上石油、钻井平台等，然而厚板焊接加工会引起接头局部不均匀的热塑 性变形和相变，从而产生焊接残余应力。焊接残余应力会导致船体结构使用过程中的 变形，早期开裂，脆性断裂等，因此，开展对 dh40 船用钢大厚板材料的研究，对于 提高船舶重要受力结构的使用可靠性将具有十分重要的意义。 本课题采用 fcaw、saw 的焊接方法，使用多层多道焊接技术条件下，以 dh40 船用钢（t=60mm）为研究对象，将在不同的焊接工艺参数条件下得到的焊接接头，使 用光学显微镜和 sem 扫描电镜，观察了接头中的 m- a 组织微观结构，统计了 m- a 岛 的面积百分数， 测试了焊件焊缝熔敷金属和焊缝热影区金属冲击韧性和 m- a 组元及附 近基体的显微硬度，分析了金相微观组织对焊缝接头力学性能影响的内在规律。研究 结果表明：一定数量的大块状的硬而脆的 m- a 组织，产生应力集中，在较高的拉伸残 余应力的作用下，使得熔合线外 5mm处冲击韧性值明显降低。 此外，利用 ansys 有限元分析软件，采用 apdl 参数化语言，建立 dh40 高强 钢厚板（板厚 60mm）x 形坡口焊缝的有限元模型，分别对典型平板对接接头的温度 场、应力场进行分析，得到了厚板焊接残余应力的分布规律。 模拟结果表明：纵向残余应力沿焊缝中心线呈对称分布，在焊缝附近区域产生较 高的纵向残余拉应力，最大值约为 390mpa，接近屈服极限，在达到峰值后在一定的 范围内保持不变，形成稳定区；在远离焊缝区则过渡为压应力，最大压应力值为 296mpa；横向残余应力在焊缝中心出现拉应力但很小，一般在 0mpa- 35mpa 之间，在 远离焊缝区域出现压应力，压应力的峰值处于 130mpa- 200mpa，分布曲线趋于抛物线 分布，压应力峰值随 x 轴方向而递减；厚度方向上以纵向残余应力和横向残余应力为 主，厚度中间区域的纵向和横向残余应力均小于焊缝上下表面处的纵向和横向残余应 力。下表面的纵向和横向残余应力大于上表面的纵向和横向残余应力。垂直应力既有 压应力，也有拉应力，变化幅度较小，多在零点附近变动。 关键字： dh40 高强钢；厚板；m- a 组织；残余应力；数值模拟 abstract ii abstract with high strength, low- temperature flexibility, corrosion resistance and anti- fatigue properties, dh40 steel is mainly applied to construction of large ships and offshore oil drilling platforms. because of the nonuniform thermoplastic deformation and phase transformation by welding process, there are residual stresses in the joint which result in deformation, early cracking and brittle fracture. therefore, weldability study on large thick dh40 steel is of importance to improve the operational reliability of the ship structure. in this paper, we consider dh40 high- strength steel (t=60mm) as the research object, and use multi- pass welding technology. in the different welding process parameters of welding joints, the microstructure of the m- a and the area percentage of m- a island which by fcaw, saw welding methods are confirmed with the optical microscope and sem. to analyze the inherent relation between the metallurgical microstructure and mechanical properties of weld joint, impact ductility and micro- hardness are tested in joint and haz. the results of the study indicate that: a certain number of big lump of hard and brittle m- a organization produce the stress concentration. under the high tensile residual stress, impact toughness values of 5mm outside fusion line are decreased obviously. additionally, based on ansys software, the finite element model (fem) of dh40 high- strength steel plate x- shaped groove weld which thickness is 60mm is established by apdl. the welding residual stress distribution in thick plate is obtained by the temperature field and stress field analysis. the results show that: for the multi- layer multi- pass welding, the longitudinal residual stress in the joint and heat affected zone are the tensile stress, which the maximum value is 390mpa. after the peak, the longitudinal residual stress remains unchanged within a certain range. oppositely, the longitudinal residual stress away from the joint is the compressive stress, and the maximum value is 296mpa. the transverse residual stress which along the welding line is usually the compressive stress, and in the middle of the joint, the maximum value is from 0mpa to 35mpa; at both ends of weldments, the maximum value is from 130mpa to 200mpa. the distribution curve tends to the parabolic distribution, the stress transits compressive stress gradually with the x- axis direction. in thickness direction, the stress are mainly the longitudinal and transverse residual stress, which inner weldments are less than surfaces, and then the longitudinal and transverse residual stresses on the upper abstract iii surface are less than the lower surface. the through- thickness residual stress often fluctuates near zero along the thickness along the thickness direction. keywords: dh40 high- strength steel; heavy plate; m- a organization; residual stress; numerical simulation 江苏科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的作品成果。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 江苏科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 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 权江苏科技大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： (1)保密，在 年解密后适用本授权书。 (2)不保密。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 第 1 章 绪 论 1 第1章 绪 论 1.1 引言 随着科学技术的进步，现代船舶工业高速发展，人们在追求船舶经济性指标的时 候，将注意力集中在考虑船体构件材料的经济性，使得船体结构用钢板成为船舶制造 不可缺少的原材料，主要用于远洋、沿海和内河航运船舶的船体、甲板。随着船舶吨 位不断提高，人们已逐渐感到普通强度船体钢强度不足的缺点。因为强度低，就必须 增加船板的厚度，这样既造成了制造中加工的难度，又增加了船舶的自重，减少了装 载量，因此对船体用结构钢板的强度和质量等级要求也不断提高，不仅要求有高的屈 服强度和良好的抗层状撕裂性能，同时还要求较好的低温冲击韧性1。 由于现代船舶日益向大型化、超大型化发展，船舶主尺寸的不断增大，使各种厚 板高强度钢的使用越来越广泛。厚板高强度钢由于其强度高、韧性好，为节约钢材和 减轻焊接结构自重创造了条件。并且，其可以节约能源、提高运载能力和工作效率， 因此近年来得到了迅速发展。采用性能优良的低合金高强度钢可以促进船舶结构向大 型化、轻量化和高效能方向发展2,3。 dh40 高强度船板钢，实质上属于 400mpa 级的低合金结构钢，它作为一种质量 等级较高的钢种之一，主要用于建造大型船舶及海上石油、钻井平台等，其构件具有 使用环境恶劣、巨大的设计载荷和极高的应力集中、维护和修理难度大、破坏造成的 损失严重等问题，因此，要求 dh40 高强度船板钢不仅强度高、低温韧性好，且具有 一定的抗腐蚀性、耐疲劳性，以及碳当量低、良好的焊接和加工成型的性能，能够满 足船舶工业的需要，越来越多的应用于船舶制造。 1.2 dh40 低合金高强钢焊接性分析 钢的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接的影响，尤其碳是影响低 合金钢裂纹敏感性最显著的元素，因此常用碳当量来评估钢的裂纹敏感性。碳当量是 把钢中合金元素按其对淬硬(冷裂、脆化等)的影响程度折合成碳的相当含量，常用国 际焊接学会(iiw)推荐的公式和日本提出的焊接冷裂纹敏感性当量pcm来判断钢的焊接 性优劣。 按照国际焊接学会（iiw）提出的碳当量计算公式及日本提出的焊接冷裂纹敏感 性当量进行计算： 江苏科技大学工学硕士论文 2 ceq=c+mn/6+(ni+cu)/15+(cr+mo+v)/5 pcm=c+(mn+cu+cr)/20+si/30+ni/60+mo/15+v/10+5b 根据材料生产厂家提供的质保书数据，板厚60mm取c=0.12%，si=0.27%， mn=1.45%， ni=0.01%， cu=0.04%， cr=0.02%， mo=0.005%， v=0.003%， 则ceq=0.3719%， pcm=0.205%。 板厚150mm取c=0.172%， si=0.39%， mn=1.461%， ni=0.269%， cu=0.01%， cr=0.1%，mo=0.057%，v=0.057%，则ceq=0.4769%，pcm=0.2775%。 在graville4焊接性评价图上，dh40高强钢板厚60mm的碳当量（ceq）小于0.4%， 即处于第区，焊接性较好。日本焊接协会规定pcm0.20%作为评定焊接冷裂纹敏感 性高强钢焊接性的指标之一。dh40高强钢板厚60mm的pcm为0.205%，具有一定的冷裂 纹敏感性。冷裂敏感性取决于焊接工艺细节，如输入的线能量、钢材的有效厚度、预 热温度等。在结构板厚较大，焊接过程中冷却速度较快时，材料有一定的淬硬倾向， 焊接过程中需采取一定的工艺措施以防止焊接接头出现冷裂纹。dh40高强钢板厚 150mm的碳当量（ceq）大于0.4%，即在graville焊接性评价图中处于第区，焊接性 一般。pcm为0.2775%，具有一定的冷裂纹敏感性。因此对于dh40高强钢板厚150mm材 料的焊接，需进一步考虑焊前预热和焊后缓冷等特殊的工艺手段，以确保焊接接头不 出现冷裂纹。 dh40 低合金高强钢为了获得较高的强度和良好的塑性、韧性，添加了不同含量的 合金成分，如 mn、cr、ni、mo、v、nb 等（其中 nb、v、ti的含量还应符合 nb+v+ti 0.12%）1,2。镍是高强度船体钢中的重要元素。钢中加入镍主要用于韧化基体，提 高钢的韧性，特别是钢的低温韧性。铬是钢中的另一个重要元素，它主要用于提高钢 的耐腐蚀性能和淬透性。采用 nb 微合金元素固溶强化、沉淀强化和细化晶粒，可以 提高强度，保证钢的塑性和焊接性能。钼是提高钢的强度、淬透性和回火稳定性的重 要元素，钒是提高钢的强度和回火稳定性的重要元素。该钢具有较低的含碳量，保证 图 1.1 碳含量与碳当量对高强钢 haz 冷裂敏感性的影响 fig.1.1 the effect of carbon content and carbon equivalent on cold cracking sensitivity of high- strength steel on haz zone 第 1 章 绪 论 3 了良好的综合性能和焊接性3。含碳量低，淬火后得到低碳马氏体，脆性小，保证了 良好的焊接性。上述各种合金元素在钢中的作用不是每种元素作用的简单叠加，而应 是每种元素交互作用的综合结果。 综上所述，dh40低合金高强钢具有较好的焊接性。但在大厚板焊接条件下，从焊 接力学的角度来看，易从平面应力向平面应变状态转变，焊接时在厚度方向上产生较 大的拘束应力，由此可能产生层状撕裂和材料性能的脆化。与此同时，大厚板焊接必 然采用多层多道焊接技术，也有可能造成熔敷金属扩散氢含量的升高，从而造成焊缝 金属冷裂纹倾向增加5。另外，在多层多道焊接热循环作用下，热影响区极有可能产 生粗晶脆化和组织脆化。因此，对dh40低合金高强钢大厚板焊接，为了防止焊接过程 中产生各种缺陷，尤其是防止产生焊接冷裂纹和层状撕裂，提高焊接接头热影响区的 韧性，应合理选择焊接方法和优化焊接工艺参数，以获得优质焊接接头。 目前，国内各船厂对于厚度超过40mm的高强度船体结构钢的焊接，通常采用多层 多道焊，因为要满足国产高强钢的低温冲击韧性要求。对板厚30 mm60mm超厚板不 能采用单面焊一次成型的技术，因为如果采用大的线能量焊接，将不能达到低温冲击 韧性的指标。因此，通常采用co2多层多道单面焊技术或采用双面埋弧多层自动焊方 法，实现自动化焊接，来确保超厚板钢的焊缝质量和焊接效率5,6。但无论采用那种焊 接方法，焊前均需预热，并确保层间温度不低于预热温度。 在焊接方法确定的前提下，选择合适的焊接线能量和合理的焊接材料是提高接头 性能，特别是提高接头韧性的重要措施。焊接线能量的变化将改变焊接冷却速度，从 而影响焊缝金属及热影响区的力学性能和抗裂性。因dh40高强度钢含v、nb等微合金 化元素，为了降低热影响区粗晶区的脆化，确保焊接热影响区具有优良的低温韧性， 不宜采用过大的焊接热输入，一般控制在4045j/cm以下7。禁止采用超大电流和过 慢的焊接速度施焊，防止过热引起焊缝及热影响区组织晶粒粗大和合金元素的严重烧 损。 在选择焊接材料方面，首先应保证焊缝金属的强度、塑性、韧性达到所需的技术 要求，同时还应考虑抗裂性及焊接生产效率等。对于大厚板焊接，对焊缝中扩散氢的 含量提出较高的要求，应选用低氢焊接材料，减小冷裂敏感性，从而有利于减小层状 撕裂敏感性。 在焊接工艺方面，合理的焊接程序是改善焊接接头受力状况，降低焊接接头应力 峰值的有效措施，采用多层多道焊，配合适当小的线能量不仅可以有效防止熔敷金属 和热影响区出现脆化现象，而且也有利于降低层状撕裂倾向。但小的线能量必须以防 止产生冷裂为前提8。 江苏科技大学工学硕士论文 4 1.3 焊接残余应力产生原因及影响 由于焊接产生的动态应力应变过程及其随后形成的残余应力，是导致焊接裂纹和 接头强度与性能下降的重要因素。所以了解厚板焊接接头残余应力大小和分布以便调 控和减少残余应力变得十分必要。随着计算机技术和有限元方法的快速发展，引发了 焊接模拟技术的热潮，它不仅可以节省实验时间、节约研究经费，而且可以了解试件 上残余应力的连续分布规律，优化焊接工艺。 焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力，焊接完成后残留在焊件结构件内 部的焊接应力称之为焊接残余应力。焊接残余应力为热应力(主要为冷却应力)，而其 中伴随的相变应力则可再叠加其上。 焊接残余应力产生时的状况，在实际情况下是相当复杂的，其应力的大小与分布 因焊接构件的形状尺寸、焊接方法等不同而不同。就其产生原因及过程关系由文献 9- 12可知有下列三种情况： (1) 焊接热应力是因为焊接时焊接热源是移动的，对金属构件进行局部的不均匀加热 和冷却，在材料内某些部分就会存在温度梯度。在加热过程中，不均匀的焊接温 度场使金属热膨胀受阻，从而在加热区形成了局部的压缩塑性变形区；在冷却过 程中，受压缩的塑性变形区的金属收缩受阻，于是由加热和冷却的温度梯度而产 生了焊接热应力，这是焊接残余应力起主导作用的部分。 (2) 约束应力是焊前加工状况造成的。由于约束不同，不均匀的作用力及构件内部组 织的浓度差或晶粒的位向差等，使各部分显示出不同的屈服行为，而引起构件的 不均匀变形产生了约束应力。 (3) 相变应力是焊接过程对金属构件局部不均匀加热和冷却，导致金属组织变化而引 起体积的变化，产生了相变应力。相变部分的宽度与残余应力产生的状况直接有 关。例如，在压力容器制造过程中反修焊接部位，相变部分加宽，则焊接残余应 力较其它部位大些。 总结焊接残余应力对断裂的影响，可以分对静载强度的影响，对疲劳强度的影响， 对应力腐蚀断裂的影响13- 18： (1) 对静载强度的影响，如果材料是脆性材料，由于材料，不能进行塑性变形，随着 外力的增加，构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加，直至达到材料的 屈服极限，发生局部破坏，最后导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在， 会使承载能力下降，导致断裂。对于塑性材料，在低温环境下存在三向拉伸残余 应力的作用，会阻碍塑性变形的产生，从而也会大大降低构件的承载能力。 (2) 对疲劳强度的影响，残余应力对构件疲劳强度的影响，常与其它一些因素交织在 第 1 章 绪 论 5 一起。试验研究表明对不同的钢种，不同类型的应力集中源，残余应力场对构件 疲劳性能的影响是不同的。同一材料，同样的残余应力场，因作用的疲劳载荷应 力循环特征系数不同会产生不同的影响，应力比越低应力集中系数越大影响越大。 (3) 对应力腐蚀断裂的影响，应力腐蚀断裂是指敏感金属或合金在一定的拉应力和一 定腐蚀介质环境共同作用所引起的腐蚀断裂过程，由于拉应力的作用对金属表面 腐蚀钝化膜不断破坏，从而加速腐蚀断裂过程。拉应力越大，发生应力腐蚀断裂 越快。 焊接残余应力伴随在各种加工制造中，是可不避免的，不仅对断裂有影响，而且 对结构稳定性、对刚度机械加工精度均有影响。因此，对焊接残余应力的调整和松弛 是必然的。 1.4 焊接数值模拟国内外研究现状 1.4.1 焊接数值模拟概况 焊接领域长期以来是以经验来解决实际生产问题，如焊接工艺一般是凭经验来制 定，通常是通过一系列试验或根据经验来获得可靠而经济的焊接结构。但对于新型材 料或新的工程结构，就没有多少经验可以凭借，若只依靠实验方法积累数据将耗时、 耗资，而且任何尝试和失败都有可能造成重大经济损失。另外在焊接热循环过程中， 焊件的温度场、应力与应变场都是与过程相关的，同时伴随着复杂的非线性现象，如 几何非线性，材料非线性和状态非线性，焊接热力过程的影响因素几乎都具有非线性 行为，采用解析法无法解决热力过程的非线性问题。 然而，随着计算机技术和计算方法的发展，数值模拟技术成为解决各种复杂工程 问题的有效工具，在各个学科领域迅速得到了广泛推广与应用，是现代工程学形成和 发展的一个重要推动力。 焊接数值模拟技术的发展使焊接技术正发生着由经验到科学， 由定性到定量的飞跃。从而大大提高焊接技术的科学水平，节约用于试验研究的人力、 财力。 焊接数值模拟，是以物理模型为基础，采用一组控制方程来描述一个焊程或焊接 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(如焊接温度场、焊 接热循环、焊接热影响区的硬度、焊接区的强度、断裂等)。焊接数值模拟的关键是确 定被研究对象的物理模型及其控制方程(本构关系)19。正确的焊接数值模拟有助于我 们对复杂焊接物理现象的本质和规律一步深入的了解，为解决焊接问题带来新思路和 新方法。随着计算机软件与模拟技术的发展，在焊接制造过程预测焊接工艺的可行性， 并与焊接产品的开发与制造实现集成，是焊接从“技艺”走向制造科学的重要标志。 江苏科技大学工学硕士论文 6 数字化的出现也要求设计人员借助于信息技术完成焊接建模以快速开发产品与工少在 实际生产过程中不协调因素的影响。通过数值模拟有助于产品开发人员合适的焊接方 法并更准确地预测焊接性能。将焊接热力模拟过程集成到产品系统，可以减少产品设 计到投入生产所需的时间，降低生产成本，减少返修高生产率，同时可以通过数值模 拟对严重影响产品质量的工艺行为结合经验进行验证，有助于改进焊接产品的质量， 加深对焊接工艺的了解，从而选择的工艺。因此焊接数值模拟技术具有重要的理论意 义和实际应用价值，在精产和并行工程中，焊接数值分析具有巨大的工业发展潜力。 目前，焊接数值模拟技术几乎遍及各个焊接领域，如：焊接热传导分析、焊接熔 池流体力学、电弧物理、焊接冶金和焊接接头组织性能的预测、焊接应力与变形等诸 多领域。近二十几年来，国内外对焊接残余应力的模拟技术进行了许多研究、取得了 不少成果。焊接应力与应变的数值分析研究包括：焊接动态应力应变过程、焊接残余 应力与残余变形、拘束度与拘束应力、控制与消除残余应力等等。但这些研究很多还 处于初步阶段，还有许多工作需要深入研究20- 22。 在计算机模拟焊接现象及焊接参数最优化等的研究中，数值分析方法是最主要的 武器，其数值解法有23：(l)差分法；(2)蒙特卡洛法；(3)数值积分法；(4)有限元法。 差分法的基础是用差商代替微商，相应地就把微分方程变为差分方程来求解。求 解过程必须先对求解区域离散化，这样微分方程和边界条件的求解就归结为求解一个 线性代数方程组，得到数值解。差分法的主要优点是对于具有规则的几何特性和均匀 的材料特性问题，其程序设计和计算过程比较简单，收敛性也较好。但这种方法往往 局限于规则的差分网格，如正方形、矩形和正三角形等，不够灵活。在焊接研究中差 分法常用于焊接热传导、熔池流体力学、氢扩散等问题的分析。 蒙特卡洛法又称随机模拟，随机抽样技术或统计试验。即将某一问题假设为一个 适当的随机过程，把随机过程的参数用由随机样本计算出的统计量的值来估计，再由 这个参数找出最初所述问题中的所含未知量。蒙特卡洛法在多重积分计算中得到重要 的应用。 数值积分法用在原函数难于找到的微积分计算中。 常用的数值积分法有梯形公式、 辛普生公式、高斯求积法等，数值积分法只能求解比较简单的问题。 有限元法起源于 20 世纪 50 年代航空工程中飞机结构的矩阵分析，现在己被广泛 用于求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接领域，有限元法被用于焊接热传导、 焊接热弹塑性应力和变形、焊接结构的断裂力学等方面的数值计算和分析。有限元法 是将连续的物体离散化，分解为由有限个单元组成的模型，即进行网格划分，进而对 离散化模型求数值解。由于这种方法概念清晰，单元网格划分形象、直观，不受物体 几何形状、边界条件和物理特性的限制，适用性强，非常灵活，容易掌握，因此各个 第 1 章 绪 论 7 工程领域得到广泛的应用24。 焊接过程的数值模拟是从解析方法开始的随着数值计算技术的发展逐步过渡到采 用有限差分法和有限元法。在近几年的发展中，有限单元法逐渐占据主导地位。分析 规模从一维发展到二维，进而发展到三维。数值方法在焊接模拟应用中常相互交叉和 渗透。如在瞬态热传导有限元分析中，在空间域采用有限元方法，而在时间域则采用 差分方法，两者结合进行求解。 1.4.2 焊接温度场的数值模拟 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。 从上世纪 50 年代开始， 人们开始用数值法解决传热学中的温度分布问题， 而真正意义上有限元法逐渐在焊接温度场的分析计算中使用始于20世纪70年代， 1975 年加拿大的 z.paley和 h.d.hibbert25用有限差分法编制了可以分析非矩形截面以及常 见的单层、双层 u，v 型坡口的焊接热传导的计算机程序，考虑了材料物理性能与温 度的关系，并将熔化区内的单元作为加热的热源来处理，但忽略了向周围环境的散热 损失， 并假设工件为无限长。 1976 年美国的 g.w.krutzy26建立了二维温度场计算模型， 考虑了动态的导热系数和比热，并将其设为温度的函数，同时考虑相变潜热和辐射、 对流的影响，建立了温度场模拟技术的雏形，为其后的工作奠定了基础。1985 年樊丁 和 mu.shio 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27；魏艳红28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流动 对整个温度场的影响，建立了二维焊接凝固裂纹温度场计算模型。蔡志鹏29在高斯热 源的基础上提出分段移动高斯热源模型。将一条焊缝分成若干段，在第一段内的节点 上同时作用高斯热源，沿焊接的顺序依次加热各段。这种热源模型只需对一段划作为 一个时间步，避免描述点状热源在该段内移动所需的时间步，从而大大减少计算量。 虽然段热源可以大幅缩减计算时间，但该模型具有需要用几何参数来描述的局限性。 文献30对段热源进行改进，将段状热源模型用一组点热源模型取代，形成一“串” 点热源，这就是串热源。对于串热源的描述只需指明在哪些节点上输入热功率的大小 及加热时间，不受节点所在面形状和方向限制，利用串热源代替段热源仍可达到相同 计算效果，虽耗时稍多一些，但更加灵活、方便，更适合于实际焊接构件的数值模拟。 高斯热源模型在用有限元分析方法计算焊接温度场应用较多。 在电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况下，高斯分布的热源应用模式较准确， 但对高能束如激光、 电子束焊接， 高斯分布函数没有考虑电弧的穿透作用。 a.goldak31 江苏科技大学工学硕士论文 8 提出更为实际的热源模式一半球状热源分布函数。在用椭球形热源分布函数计算时， 人们发现，在椭球前半部分温度梯度不像实际中那样陡变，而椭球的后半部分温度梯 度分布较缓。半球状热源分布函数也有一定局限性，为了克服这个缺点，a.goldak32 提出双椭球热源模型。西安交通大学蔡洪能33等引入表面双椭圆热源分布模型，编制 相应程序，用该模型对，tig焊接温度场进行了分析计算，得出了 tig焊接熔池的形 状、尺寸和热影响区的温度分布，计算结果与实验结果吻合较好。但是当采用移动双 椭球热源模型进模拟时，由于热源体积很小，在焊缝部位需要划分相当致密的网格， 并采用细小步长划分很多时间步进行计算，这将导致巨大的计算量。为解决这一问题， 文献34在双椭球热源模型基础上提出分段移动双椭球热源模型。这样，对于较长焊 缝来说，可将其划分成若干段，将此等效段状热源依次施加于各段上，使其按焊接顺 序依次加热各段。研究结果表明，对深熔型焊接过程的焊接热源模拟可以采用分段移 动双椭球热源模型。采用分段移动热源进行模拟，计算效率大幅度提高，计算结果与 移动热源相当接近，与试验值吻合很好。 随着计算机技术的发展和性能的提高以及有限元技术的发展焊接热源模式的处理 也取得很大的进步，生死单元技术是近几年发展起来的一种应用于焊接过程数值模拟 的新技术，生死单元技术可以处理复杂焊接模拟的热输入问题。文献35通过控制焊 缝单元的生死，可以模拟焊缝的形成过程和施加焊接热载荷。由于焊接热载荷被直接 施加在激活的焊缝单元上，无须构造复杂的热流密度函数，简化了计算过程。 对于三维问题，能用有限元模拟电弧焊的温度场最常用的热源有经典高斯表面热 源和双椭圆热源，采用上述表面热源并沿焊接方向连续移动，不考虑板的厚度和焊缝 的形状，但是这些热源形式仅仅是在焊件的表面加上热流密度，对于有坡口的焊缝或 填脚焊缝都难以适用，因本课题的焊缝采用的是多层多道焊，故采用假定热量均匀施 加在焊缝单元上作为内部热源（即体热源）处理36，这样更适用于厚板的多层多道焊 模型。 1.4.3 焊接残余应力的数值模拟 由焊接过程产生的动态热应力、应变及其随后形成的残余应力和变形，是导致焊 接裂纹和接头强度与性能下降的重要因素。迄今为止，焊接应力和变形一直是人们关 注的热点问题，仍是焊接生产领域中迫切需要解决的问题。 焊接过程中应力应变的研究工作始于二十世纪三十年代，但是研究工作只能是定 性的和实测性的。直到六十年代，随着计算机的推广应用，焊接应力应变的数值模拟 才发展起来。20 世纪 70 年代初，日本大阪大学的上田幸雄教授37等人首先以有限元 法为基础，提出考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，推导出分析 第 1 章 绪 论 9 焊接应力应变过程的表达式，从而使复杂的动态焊接应力应变的分析成为可能。1971 年，iwkai.i38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 muraki.m39,40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 h.d.hibbert，e.f.ryblicki，y.iamuk 以及美 国mit的k.masubuchi等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。anderson41,42分析了平板埋弧焊时的热应力，并考虑了相变的影响八十年代后有 限元技术日益成熟， 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。 1985 年 b.l.jonson等人通过大量的数值模拟计算，进一步提高了预测焊缝周围残余应力分 布的精度，同时考虑了定位焊对残余应力分布的影响43。进入九十年代，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。1991 年 mahin44等人在研究中 考虑了藕合的热应力问题，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。上海交通大学焊接教研室 在焊接热传导的数值分析方面做了许多工作，特别是对非线性瞬态温度场进行有限元 分析，开发了二维平面变形和轴对称的焊接热弹塑性有限元分析程序，并在薄板、厚 板和管子等焊接应力分析方面得到成功应用， 此后又引入了蠕变和高温相变的影响45。 美国的 shim46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。焊 接应力应变三维问题的研究也始于九十年代，瑞典的 l.karlsson 等对大板拼装的焊接 应力和变形进行了研究，其模型为三维板壳结合的焊接模型47。 tso- liang tang48采用 有限元法估计 t 型接头的焊接残余应力和变形，利用生死单元技术模拟 t 型接头的焊 缝填充过程， 讨论了凸缘厚度、 焊接熔池深度和约束条件对残余应力的影响。 tso- liang tang49利用生死单元估计单道对接焊、多道对接焊、环形焊接的残余应力，讨论了焊 接残余应力的影响因素。近些年来上海交通大学与日本大阪大学对三维焊接应力和变 形问题进行了共同研究，提出了改善计算精度和收敛性的若干途径，发展了有关的三 维焊接分析程序，并有不少成功的应用实例50,51。清华大学的梁陈剑等人进行了焊接 数值模拟的网络化和参数化方面的研究，实现了焊接数值模拟的远程化和智能化，消 除了焊接数值模拟在空间和技术上的限制52。倪红芳等人53对多道焊三维残余应力场 进行了有限元模拟。陈丽敏等人54基于 ansys 对焊接工字型截面梁残余应力进行了 有限元研究。黎江55用 ansys 对厚板的单道焊及圆筒焊接进行温度场和热应力场的 分析计算，获得了较好的分析结果。 目前，国内外对于中厚板、大厚板的多道焊焊接温度场以及残余应力模拟的研究 仅有三十多年的历史。ueda等人在20世纪70年代首先以有限元法为基础，成功模拟了 大厚度深坡口的多道焊接头的残余应力分布形态，特别是对极厚板多道焊接接头残余 江苏科技大学工学硕士论文 10 应力的分析表明，最大的残余应力出现在最后一层焊道表面之下； b.l.josefson对c- mn 钢管的多层焊接局部退火后的应力再分布进行了研究；另外，清华大学的鹿安理、史 清宇等人在商用软件的基础上，对厚板试件对接焊接过程温度场、应力场的三维数值 模拟进行了初步研究，开发出专业化接口，使有限元网格自适应技术能够应用于焊接 过程模拟，并为大幅度缩短复杂结构焊接过程有限元计算时间创造了条件。y.shim56 开发了厚板多道焊焊接过程的残余应力沿厚度上分布的模型，结果显示了与实验数据 良好的一致性。s.v. pearce等57,58对厚板对接焊的残余应力进行了分析和研究。杨明等 59,60对厚板焊接残余应力进行了有限元计算。 li yajiang等人61用有限元和试验相结合 的方法进行高强钢残余应力研究。文献62对特厚板对接多道焊温度和应力场进行了 仿真研究。 综上所述，大多数对焊接残余应力的研究都集中在薄板和中厚板上，而对高强钢 大厚板对接接头的焊接残余应力的有限元模拟技术研究较少。 1.4.4 厚板焊接数值模拟的难点问题 根据对目前国内外焊接数值模拟研究现状的分析，如何在保持一定精度的前提下 高效地对大厚板焊接结构进行数值模拟，一直是一个难题。焊接过程自身的复杂性， 是造成数值建模与实际情况差异性的主要原因。针对大厚板结构的数值模拟，总结出 目前存在的几个难点问题41,45,63： (1) 为保证模拟精度，在焊缝处划分网格常常过小，形成的单元过多造成焊接结构模 型中自由度数目过大，在较长焊缝的情况下，容易造成不收敛的情况，使得分析 难以继续进行下去。 (2) 焊接过程中材料力学性能的高度非线性变化，造成求解过程中难以收敛，使分析 时间冗长。尤其在温度场熔池附近，材料的屈服强度、弹性模量等力学指标急剧 下降，大大影响了数值模拟的求解效率，并且由于材料性能的高度非线形变化要 求在每一次瞬态分析中迭代求解非线性方程组，使得求解过程收敛困难。 (3) 庞大的时间增量步反映的焊接温度场、应力应变场随焊接过程的急剧变化，使计 算量巨大到无法承受。对于大型的实际焊接结构，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) 焊接材料的热物性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 材和母材的热物性如比热、导热系数、密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曲线，为非线形求解带来困难。另外，目前的电弧热源通常 采取高斯分布的形式，前人也提出了许多不同的模型如双椭圆形式模型，对于电 弧的有效加热半径、热量分布形式与焊接方式和参数有关，还是缺乏系统和准确 第 1 章 绪 论 11 的资料。 (5) 大厚板焊接往往采用开坡口的多层多道焊方式，根据多层多道焊的特点，针对坡 口形式、电弧潜入深度对焊接热效率的影响；电弧偏位对焊接温度场的影响；对 流辐射动态变化对温度场的影响等一些多层多道焊数值模拟的基本问题上都缺乏 相应的研究。 1.5 本课题的研究内容 本课题采用 fcaw、saw 焊接方法，使用多层多道焊接技术，对 dh40 高强钢大 厚板（板厚 60mm）进行焊接试验，主要对平对接 x 型坡口双面埋弧自动焊（试样编 号 380） 、横对接 x 型坡口药芯焊丝 co2气保焊双面焊（试样编号 378） 、立上行对接 x 型坡口药芯焊丝 co2气保焊双面焊（试样编号 379）进行系列试验研究。重点研究 在不同的焊接方法、焊接工艺参数下，焊接接头力学性能，以及焊接残余应力的分布 规律；建立焊接环境下大厚板的有限元模型，并数值计算焊接残余应力。研究内容主 要包括以下几个方面： (1) 采用单一 co2气体保护焊，以及双面埋弧自动焊的方法，对不同工艺方法得到的 焊接接头，检测焊缝外观的宏观焊接缺陷并对宏观焊接质量进行评价；对接头近 上表面、1/2 板厚处的焊缝中心、熔合线、熔合线外 2mm 和熔合线外 5mm 进行 v 型缺口冲击测试； 对焊缝横截面的微观维氏硬度进行检测； 借助光学显微镜和 sem （扫描电子显微镜）对焊接接头熔敷金属和热影响区的微观组织、形态及分布进 行分析，并结合金相照片探讨微观组织对焊缝接头力学性能影响的内在规律。在 此基础上，重点研究，在不同焊接方法、工艺参数对 dh40 大厚板焊接接头质量 的影响规律，分析制约 dh40 高强钢大厚板焊接接头冲击韧性的关键因素，从而 为获得优质焊接接头奠定试验及理论分析基础。 (2) 利用ansys有限元软件， 建立dh40高强钢大厚板典型平板对接接头有限元模型， 定义材料性能参数、选择单元类型、施加边界及载荷条件、输入焊接条件参数， 数值模拟给定焊接条件下的大厚板对接接头三维焊接温度场的演化过程，得到温 度场的分布规律，为计算大厚板焊接残余应力提供温度载荷。 (3) 对大厚板施加温度载荷，实现温度场与应力场的弱耦合，数值计算得到焊接残余 应力的大小以及分布情况，从而为工程应用中确立最佳焊接热输入、焊接顺序和 拘束条件，预测焊接残余应力的大小，最大限度地降低焊接残余应力提供理论计 算依据。 第 2 章 试验材料、设备和方法 12 第 2 章 试验材料、设备和方法 2.1 试验材料 dh40 船用高强度钢，实质上属于 400mpa 级的低合金结构钢，钢中除含碳（c） 外，主要添加了一定量的合金元素，如 si、mn、mo、nb、ti、v、cr 等，提高了其 机械强度和综合机械性能。 表 2.1 dh40 高强钢材料的化学成分和机械性能（%）64 table.2.1 chemical composition and mechanical properties of dh40 high- strength steel 化学成分% 力学性能 c si mn p s cu ni mo 屈服强度 抗拉强度 延伸率 类别 100 1000 mpa(n/mm2) 母材 16 42 144 1.8 1 1 6 1 431 600 29 co2焊丝 3.8 56 135 1.6 1.4 2 1 10 525 585 26 埋弧焊丝 5.8 3 34 1.9 2 试验母材选用新余钢铁股份有限公司生产的 dh40 钢，其化学成分和力学性能分 别见表 2.1 所示，厚度为 60mm，对接试板尺寸 60020060mm。埋弧自动焊的焊接 材料：a5.17 f7a4- eh14，焊丝 bhm- 8/5.0mm，焊剂 xun- 121；co2气体保护焊的焊 接材料：a5.29 e81t1- k2，supercored 81- k2，1.4mm。 2.2 试验方法 本课题采用药芯焊丝 co2气体保护焊与埋弧自动焊混合焊技术，试验研究内容如 表 2.2 所示，共 3 项内容，其中多层多道埋弧自动焊 1 项，多层多道药芯焊丝 co2气 体保护焊 1 项，单面对接混合焊(fcawsaw)1 项。平对接条件下焊接不对称 x 型 坡口（试样编号 380） ，焊接横对接对称 x 型坡口（试样编号 378、379） 。 所有试验严格按照中国船级社 材料与焊接规范 中的相关规定执行， 并参考 aws （美国焊接协会）和 abs（美国船级社）规范。试验项目内容及焊接工艺如表 2.2 所 示。焊接过程中严格控制热输入和层间温