碳钢和不锈钢对接焊缝温度场和残余应力分布毕业论文.doc

碳钢和不锈钢对接焊缝温度场和残余应力分布摘要：碳钢和不锈钢之间的异种钢焊接对于不锈钢结构的高效利用是必要的。焊接结构的结构完整性评估需要考虑由焊接引起的残余应力。因此，计算异种钢焊接接头中的残余应力的大小和分布至关重要。基于有限元方法的模拟工具在预测焊接残余应力方面非常有用。但是，异种钢焊缝中残余应力的数值再现一般比同种钢焊缝中的残余应力的数值再现更具挑战性，因为要接合的材料在热物理性能和力学性能方面有差异。在本文作中，使用异种钢焊接过程的三维有限元模拟，以确定碳钢和不锈钢异种钢对接接头的温度场和残余应力状态。对热力学有限元模型以及使用有限元模拟的详细方法和结果都进行了讨论。模拟结果表明，异种钢对接焊缝中的残余应力的大小或分布与同种钢对接焊缝是绝不相同的。关键词：异种钢焊接、温度场、焊接残余应力、有限元模拟、热性能和机械性能1.引言 一般来说，不锈钢由于初始材料成本高，已经被视为一种奢侈的解决工程问题的方案。但是，不锈钢结构设计规范的颁布和对不锈钢附加优势更好地认识，给传统的结构工程应用包括建筑业带来了更多的利益1。为了有效的利用民用结构的不锈钢，就必须采用不锈钢和碳钢之间的异种钢焊接。在相同结构中各类钢所在的位置，取决于能否有效经济的利用该类钢的特殊性能。为了一些工业的应用，异种钢焊接也被广泛使用于容器与热交换器的制造2-5。 焊接是一种在许多工程和结构部件生产中都得到利用的可靠高效的金属连接方法。焊接工艺的优势是因为焊接接合效率高、设置简单和制造成本低。焊接过程是由在瞬时热源的作用下局部熔合区的焊缝金属及母材的熔化和凝固两部分组成的。由于局部加热和随后的冷却，整个焊接接头和母材上都分布着高度不均匀的温度场，因此，最终不可避免的产生了残余应力。这些应力可能会导致焊接结束时或在预定的使用寿命期间焊件的开裂。特别是焊缝区附近的拉伸残余应力一般会导致不利影响，如应力集中、疲劳破坏和脆性断裂6。因此，准确的估计焊接引起的残余应力将会对确保结构设计的合理性和安全性提供很大的帮助。然而，因为焊接过程的复杂性包括绝热升温、材料性能对温度的依赖性、移动热源等，所以准确预测焊接残余应力是很困难的。因此有限元（FE）模拟已成为一种预测焊接残余应力的热门的工具7-12。异种钢焊接残余应力的数值记录因为需要考虑材料的物理、机械、冶金性能的差异，所以要比类似的钢焊缝残余应力的记录更具挑战性。在过去的20年左右的时间里，重点对异种钢焊接接头残余应力的有限元模拟有一些显著的研究活动。命名命名bicctEhhcIKx,Ky,KzQQ(t)QAQMr(t)r0体积力比热容用以反映由于物理机械材料属性对温度的依赖而导致的应力增量的参数剪切模量传热系数随温度的变化对流系数焊接电流导热率单位体积移动产生的热量率热通量分布焊接电弧热输入高温熔滴产生的能量工件表面上圆弧中心的极坐标原点弧柱半径TT0UVpdijdeijdpijdthijdTdijDd温度室温电弧电压考虑熔池的体积辐射率总应变增量弹性应变增量塑性应变增量热应变增量升高的温度应力增量电弧效率波尔兹曼常数应力张量密度泊松比弹塑性材料基体然而，他们中的大多数都集中于压力管道元件的圆周焊接，而很少分析已存在的传统结构构件。因此，对异种钢焊缝残余应力的大小和分布研究是必要的。事实上，del Coz Diazet等人 18 为了比较两种不同类型的不锈钢对接焊缝的失真模式和幅度而进行了热应力分析。然而，在他们的研究报告中，并没有提到异种钢对接焊缝的残余应力分布。Sedek等人19通过套孔测定异种钢对接焊缝的纵向残余应力，并与类似的钢接头中的应力相比较。但他们只提供了非常有限的信息，并没有对异种钢对接焊缝残余应力分布的详细描述。李和昌20,21使用相似的有限元模拟法对异种钢对接焊缝残余应力进行评估。然而，他们使用的是除了屈服和拉伸强度之外抗热性能和机械性能都相似的不同种类的碳钢，因此，在本质上有不同的抗热性能和机械性能的碳钢和不锈钢之间的异种钢对接焊缝的残余应力还是一个未知数。在这项研究中，他们试图使用对碳钢和不锈钢的异种钢对接焊缝使用三维（3-D）热机械有限元分析方法预测焊接温度场和残余应力，特别是在所有应力分量中对一般结构最有害的纵向残余应力。此外，类似的钢的对接焊缝残余应力状态用于比较研究。2. 焊接过程中的有限元模拟 热分析规范包括焊接过程模拟，在模拟中，温度和相变化作为时间函数，然后通过一台仪器分析从热分析法得到的温度的历史数据。由于热场对有较小的反向影响力的应力场具有强大的影响力，所以顺序耦合分析就已经满足要求。因此，在这项研究中，焊接过程中使用的是顺序耦合的内部采用FE-Fortran语言编写的代码（FE-WELDSOL）的基础上制定的三维热机械有限元22。 2.1热分析热分析为了解决瞬间温度场和它的与焊接热流量相关的历史记录问题。为了使焊接过程中的时间和空间的温度分布满足下面的控制偏微分方程我们只考虑内部产热的三维瞬态热传导，把R、K和c只作为温度函数考虑。 （1）根据电弧焊接的性质，工件的热输入，可以分成两个部分。一部分是焊接电弧的热量，另一部分是熔融液滴的热量。焊接电弧的热量通过高斯分布的表面热源而模型化，熔融液滴的热量通过具有均匀密度的体积热源而模型化。在任意时刻t，r0内的工件表面的热通量分布有下面的等式来定义： （2）其中， （3）另一方面，熔融液体的热量被作为刚坐在融合区的单个元素的热容与分配的热通量（DFLUX）。 其中，Vp可以通过计算当时焊接区中的元素的体积分数获得。把焊接电弧的热量假设为焊接总热量输入的40，熔融液滴的热量假设为焊接总热量的6023。本分析中，焊接过程中使用的FCA（药芯焊丝电弧）焊接工艺和GTA（钨极氩弧）焊接工艺的电弧效率系数被分别假定为0.85和0.7。在时间变化的过程中，采用相应的方法，通过焊枪将热通量施加到工件上。在热分析的边界条件中，辐射和对流都在考虑范围中。热循环过程中，在熔池及其周围热影响区，因辐射而导致的热量损失占据主导地位；而远离熔池的部分，则是对流导致的热量损失占据了主导地位。这是用来定义h的模型。在这里，需要考虑两种不同的导热系数。一种是用于碳钢的24： （5）其中，T0=20 ，=5.6710-8J/（m2k4s）。Hc通过使用工程公式估算为15W/（m2K），被定义为0.26；另一种是用于不锈钢25,26： （6） 考虑到热效应与熔池中的熔融金属有关，这里我们使用两种方法：（1）通过考虑熔解潜热，对熔池液-固相转变的影响进行模拟；（2）人为增加热传导性在假定的熔点以上的温度下达到室温下传导性值的3倍，以允许对流搅拌的效果，如6,27所示。在相变过程中，该系统中存储和释放的潜热和热能，对于碳钢6来说，假设在固相线温度1450和液相线温度1500之间的值为270J/g；对于不锈钢来说，假设在固相线温度1340和液相线温度1390之间的值为260J/g。 2.2机械（压力）分析随后的机械分析，涉及使用由之前所说的热分析，以每个时间增量作为输入（热负荷）计算瞬态和残余热应力分布的温度历史记录。两个基本方程的集合与力学分析、平衡方程和本构方程有关，如下所示。平衡方程 其中ij,j具有对称性，例如ij=ji本构方程 在焊接过程中，因为在这项研究20,21中使用的低碳钢受固态相变残余应力的影响不大，而且并不会出现在奥氏体不锈钢中26，所以，应变分解性能用于将总应变的微分形式分解为如下的三个部分： （8）弹性应变增量通过使用各向同性的胡克定律，与温度相关的杨氏模量和泊松比来计算。热应变增量使用热膨胀系数来计算。对于塑性应变增量，率无关弹塑性本构方程被认为与Von Mises屈服准则，随温度变化的机械性能和线性各向同性硬化规律有关。应力-应变关系的增量形式可以写成下面的形式 (9)其中，Dd被分成弹性范围内的和塑性范围内的。在连续介质力学中使用了一个大型的应变公式。在热学和力学分析中，与焊缝沉积的金属元素基团中元素出现和消失的技术被用于模拟焊接填料随时间的变化。虽然有限元网格在有限元性能分析之前出现，但是这些参数使得有限元模型在热学和力学分析中的性能被改变，以便于有限元元件模拟焊接过程。在热学分析中，有限元单元对应于焊缝金属在沉积前所给出的等同于空气的热导率值。在焊缝金属沉积的过程中，将热导率值由空气的热导率值改变为所使用材料的热导率值。力学方面的技术是为了改变在焊接区的有限元单元的刚度。有限元单元在焊炬还未靠近时，该材料的刚度是否严重降低就已近被指定好了11。当焊炬接触到单元时，材料的刚度得到恢复，而与温度有关的机械性能又已经被制定好了，并且没有相关的应变历史记录。由于热弹塑性分析是一个非线性的问题，因此使用增量计算的方法来解决这个问题。完整的牛顿 - 拉夫逊迭代解决方案28被用于获得该溶液。 2.3试验验证为了确认在本次研究中，有限元分析方法的准确性，构造了一个厚壁板长宽高分别是L=600mm，W=400mm，t=25mm的双“V”对接接头焊接标本。标本的基体材料是低碳钢（SM400），焊接所使用的是1.2mm直径的DW-100的焊条。详细的准备工作在21中给出。采用分层技术，使用2mm的应变片（KYOWA KFG-2-120-D16-16T-F7残余应力测量模式），对两轴之间的残余应力进行了测量。使用分层技术通过应变仪测量，可以得到结构表面上的残余应力进而加以评估。首先，如图1所示，将应变计连接在试样表面。将连接好的应变片周围区域切割成边长约10mm，厚度约3mm的小的六面体。通过切割，小片的试样中的残余应力得到释放，并对纵向释放的应力x和横向释放的应力y进行测量。应当指出的是，在实验中，对每个小片试样释放应力的测量进行五次，最终的结果取除去最大值和最小值后的三个值的平均值，以尽量减少实验的误差。然后，纵向残余应力x就可以使用测得的应力并通过下面的公式得到。 （10）3D热-力有限元分析即上面所说的实验模型使用的有限元分析方法，也使用了与之前试样制造中相同的焊接条件和工艺参数。在第2.4节提到了材料在高温下的性能，而这些数据被用于对接焊接过程的有限元模拟。图2（a）描绘了垂直焊接时焊接件横截面的纵向残余应力。空心符号表示由应变计测得的实验值及通过实验测量位置实现曲线的有限元计算值的结果。比较结果显示，预测的趋势与实测结果非常吻合。对于不锈钢焊缝来说，由有限元分析方法计算得到的残余应力分布结果与Seyyedian等人得到的的实验结果29相比较。他们使用钻孔法测量拥有单道焊对接焊缝的SUS304不锈钢的残余应力分布。在其他区域可以发现一些比较具体的细节29。图2（b）显示的是有限元分析方法和实验测量计算出的纵向残余应力的比较。可以看出有限元分析方法和实验结果比较吻合。因此，在这里使用碳钢和不锈钢异种钢焊接残余应力的有限元分析方法被认为是合适的。 图1.应变仪照片 图2.有限元分析与实验结果比较（a）碳钢焊 缝的比较（b）不锈钢焊缝的比较 2.4有限元模型使用顺序耦合的热力有限元分析方法对异种钢的焊接接头进行有限元热模拟。在图3（a）中所示的两个拥有单一“V”形槽的400mm150mm6mm的接头假定要通过一次焊接完成。为了便于比较，类似的刚对接焊缝的热应力分布的有限元分析也采用了相同的焊缝几何形状。本研究选择的基体材料是SM400碳素钢和SUS304奥氏体不锈钢，这两种材料具有类似的屈服强度。SM400碳钢接头是使用DW-100电极碳素钢焊接材料焊接的，而SUS304的不锈钢接头与异种钢接头采用的是Y308L 奥氏体不锈钢焊接填料焊接的17,19。基体材料和焊接金属的详细信息的详细描述见21,26。考虑到实际焊接条件，此次分析中选择的焊接参数列于表1中30,31。如图3（b）所示，在模拟中使用的三维有限元网络模型拥有8-nodeD的等参实体单元。有四个层面用于离散计算域。为了更准确地知道移动热源通过某个区域的特定的时间和路径并预计捕捉到界面处的高应力梯度不锈钢填料和碳钢基本金属，一种精细网格被使用在焊接区及其周围。逐渐增加单元尺寸到焊缝中心线的距离。网格敏感性研究被用于检查在分析结果准确性方面有限元网格尺寸的依赖性。结果，现在所使用的有限元网格最小尺寸0.5mm（横向）1.5mm（厚度）25.0mm（纵向）被认为是使用合理数量的计算机时和内存所能得到的足够精确的结果。由于异种钢焊接所使用的材料的热和机械性能的不对称性，两块板材都被包括在计算机域中。为了方便热和力学模型之间的数据映射，除了元素类型和应用边界条件，都使用相同的有限元网格细化方案。对于热模型来说，元素类型的每个节点都具有单自由度和温度。对于结构模型来说，元素类型的每个节点都具有三个平动自由度。因为板材在焊接过程中没有被夹持，所以去除没有边界条件的，以防止焊接件刚性运动的应用。 在有限元模拟中，随温度变化的热物理（例如：热传导率、比热和密度）和机械性能（例如：杨氏模量、热膨胀系数、泊松比和屈服应力）的基体材料和焊接材料被引入。图4（a）表示SM400钢20在高温下的物理性能。SUS304钢，热材料性能列于Deng和Murakawa26中，详细见图4（b）。应当被指出的是，图4（a）和（b）中的单元被组织起来，以便于它们在图形上被标示得更清楚。对于焊缝金属，与温度相关的物理性质被假定为与那些相应的基体材料分别相同。基体材料与温度相关的热机械性能分别表示于图5和图6中20,26。它的屈服强度和弹性模量分别降低到5.0MPa和5.0GPa，以模拟在高温下低强度基体材料的熔融温度32。对于焊缝金属，如图所示，只有屈服强度与相应的基体材料不同，其它属性与相应的基体材料几乎完全相同。物理和机械性能被分配到异种钢对接接头（基体材料和焊缝金属）的相应位置。图3：分析模型：(a)分析模型和对接接头的尺寸 （b）三维有限元模型焊接条件和工艺参数基体金属焊接工艺电流（A）电压（V）速度（mm/s）SM400SUS304和异种钢焊接FCADTA25023030222.01.3加工硬化现象是焊接过程中的热循环加载引起的，通常发生在焊接接头及其周围的区域，当利用数值计算能准确的预测焊接残余应力时应当仔细考虑。碳钢和相应金属的线性应变强化率假定为20700温度范围内为500MPa，1000以上温度范围内为20MPa6。在700和1000，硬化率之间的线性过渡是假定的。对于不锈钢及其焊缝金属来说，随温度变化的应变强化规则也适用。在高温下基体金属和焊缝金属的应变硬化率的测量和在文献27中分别给出。图7显示的是碳和不锈钢与温度有关的应变强化率。图4.材料随温度变化的热物理常数：（a）SM400（b）SUS304图5：SM400钢及相应的焊接金属与温度相关的热机械性能图6：SUS304钢及相应的焊接金属随温度变化的热力性能图7：材料依赖于温度的应变硬化率图8：焊接过程中的温度分布图9:焊接过程中最厚的几个位置上的热循环：（a）SM400（b）SUS3043. 结果与讨论 3.1温度场 图8所示的是当焊炬到达焊缝末尾时对碳钢和不锈钢之间的异种钢对接焊缝在时间间隔内使用热分析得到的温度场。因为焊接材料热性能的差异，所以显示出的热流图是非对称的。图9的（a）和（b）是异种钢焊接热循环过程的比较。温度场沿着焊缝中心线上不同位置的最厚处，这就是结束焊接时焊缝的产长度。没有任何标记的曲线代表距离焊缝中心线1.0mm处的温度记录；带有实点的虚线代表着距焊接中心线5.0mm处的温度记录；带有空心点的实线代表着距焊接中心线10.0mm处的温度记录；带有空心点的虚线代表着距焊缝中心线20.0mm处的温度记录。从这个图中可以观察到随着到焊缝中心线的距离的增加，碳素钢的温度变得比不锈钢的温度低。这归因于一个事实，即碳素钢冷却速率高于不锈钢，这是因为碳素钢有较高的热导率和热传递率。 3.2残余应力分布所有的应力和应变分量都可以从应力分析得到。在这里我们将只讨论相关数据。在该讨论中，三个词语“纵向”、“横向”和“厚度方向”是用来表示三个相互垂直的方向上的残余应力分量。“纵向”通常是用于焊接方向，“横向”是用于垂直方向上的长度（即沿板宽方向），最后的词语“厚度方向（正常）”是用于垂直方向上的纵向和横向（即沿板厚方向）。图10（a） - （c）所示的整个异种钢对接焊缝中，在焊接件的横截面上，垂直于焊接线，通过焊接长度的一半，分别为纵向，横向和厚度方向（正常）的型材残余应力的预测。应力分布在焊接件的最厚处并写出到焊缝中心线距离的函数。残余应力在类似的钢焊缝中的分布的比较在图11中。图11的（a）和（b）分别显示的是碳素钢和不锈钢对接焊缝中残余应力在横向、纵向和厚度方向上的分布。应该认识到，在不锈钢异种钢侧的焊缝中，应力在类似的钢对接焊缝中的分布是相似的，即达到施加在焊缝上的最大纵向拉伸残余应力与横向压缩残余应力在远离焊缝中心线的区域平衡的目的。此外，在的焊缝金属和母材金属的交界处发生纵向残余应力显著降低的现象，最有可能的原因是屈服强度方面的差异。与此相反，横向残余应力几乎全部为拉伸应力并且拉平为零。厚度方向上的残余应力在有起伏的型材之间存在拉伸和压缩的差异。然而，在碳素钢一侧的异种钢焊接，其应力分布与与其相似的钢焊缝中的应力分布大不相同。这是显而易见的，在界面处引发由界面显示出来的的急剧的应力变化，是由于不锈钢填料和碳素钢基体材料之间的热膨胀系数不匹配。纵向应力成分的变化更明显。与与其相类似的钢对接焊缝比，较高的应力产生在与基体金属相邻的焊缝中，而低得多的应力在靠近焊缝的母材中产生。这些趋势，在横向和正常的应力分量中也能观察到。值得注意的是，在焊缝及其附近的纵向拉伸残余应力超过在室温下相应的钢材的屈服应力的，在研究中还发现如33所示的现象。应变硬化率可以被认为是解释较高残余应力的的主要因素。请注意，不锈钢一侧靠近基体金属的焊接区的纵向残余应力高于碳素钢。同样清楚的是，不锈钢一侧受到拉伸应力的范围也比较宽。异种钢结果之间的差异，尤其是由于热导率和热传递率，热膨胀系数，和加工硬化性能差异而产生的纵向残余应力的差异。不锈钢较大的热膨胀系数与较高的应变硬化率的一起产生的较高的拉伸纵向应力与转变率较高的压缩应力相平衡。此外，不锈钢较低的热传导率和热传递率结合较大的热膨胀系数对较大的抗拉应力的分布区域有利。分别除去碳钢和不锈钢焊接填料之间的界面处显著的应力变化，在异种钢一侧的横向和厚度方向的残余应力分布是相似的。通过现有的分析，在厚度方向上得出了类似的结果，这里就不做说明了。4. 结论 在本研究中，我们对异种钢焊接过程进行了数值模拟，以确定温度场和残余应力的分布，特别是一般对结构的完整性最有害的应力分量-纵向残余应力，而碳钢和不锈钢之间的异种钢对接接头在本质上有不同的热和机械性能，我们利用将实验测量与采用有效性被验证的依次耦合三维热-机械有限元分析方法相比较来验证。为了进行比较，我们还探讨了同类钢的对接焊缝残余应力状态。根据研究结果，可以得出以下意见和结论：(a)在异种钢对接焊接过程的热流量与温度分布由于在焊接的材料热性能方面的差异决所以绝对不是对称的。此外，由于到焊缝中心线的距离的增加，碳素钢侧温度变得低于不锈钢侧的温度。这是因为，碳素钢有较高热导率和热传递率即碳素钢冷却速度是高于不锈钢的。 (b)它不能简单地假设在异种钢焊缝中的焊接残余应力在那些相似钢焊缝中的幅度或分布是相同的。在异种钢焊缝不锈钢的一侧，应力分布与相应的钢对接焊缝是相似的，而在异种钢焊缝碳素钢的一侧，应力分布与类似的钢的对接焊缝应力分布大不相同，这是由于热膨胀系数的差异导致的不锈钢焊接金属和碳素钢基体材料界面处应力快速变化引起。纵向应力成分的变化更明显。(c)不锈钢侧附近的焊接区域的基体金属中的纵向残余应力是高于那些在碳素钢侧的。此外，在拉伸应力的范围内是在不锈钢侧宽。不锈钢较大的热膨胀系数与较高的应变硬化率的一起产生的较高的拉伸纵向应力与转变率较高的压缩应力相平衡。此外，不锈钢较低的热传导率和热传递率结合较大的热膨胀系数对较大的抗拉应力的分布区域有利。(d)除了焊接残余应力，焊接变形也是焊接构件结构完整性评价的一个主要问题。因此，在今后的工作中把对碳素钢和不锈钢之间的异种钢对接焊缝的失效作为目的进行调查，从而促进了传统的结构工程应用，包括高效利用不锈钢工程的建设。图10 垂直于焊接线中的异种钢对接焊缝中残余应力分布：（a）的纵向残余应力，（b）横向的残余应力，（c）厚度方向上的残余应力图11 垂直于类似的钢材对接焊缝的焊接线的残余应力分布：（a）SM400钢焊接，（b）SUS304钢焊缝参考文献：1 L. 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