（材料加工工程专业论文）20钢单面焊双面成形的数值模拟及试验分析(1).pdf

摘要 摘要 i i i i ii l u lii l ui lj u l b b l l ll l l l y 2 14 12 5 6 基于衬垫的单面焊双面成形技术广泛应用于锅炉、压力容器和压力管道等 重要结构。由于衬垫的选择受到构件尺寸和材料特性等因素的影响，给焊接工 艺的制定带来很大困难，因此对不带衬垫的单面焊双面成形技术的研究很有必 要。为了减少试验成本，焊接模拟得到了快速发展，但对单面焊双面成形技术 的模拟甚少。本文的研究内容是不带衬垫的2 0 钢单面焊双面成形技术的数值模 拟和试验分析。 应用有限元分析软件a n s y s ，编写a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g n l a n g u a g e ) 语言，对八组参数进行模拟，得出温度场的影响因素。其中焊接速度 越快，热源加热的时间越短，输入的热能量越少，最高温度越低；电弧半径越 大，热源的能量越分散，最高温度越低；电流电压越大，热输入就越多，温度 就越高。接着对五组参数进行温度场分析，选择其中优化的三组参数进行应力 场和试验分析。 焊接温度场分析表明，第组参数的热能量输入过少，达不到单面焊双面 成形的效果，第组参数的热能量输入过多，产生气孔和未熔合等缺陷。第、 和组参数符合条件，接下来对这三组参数进行应力场分析和试验分析。 焊接残余应力分析表明，焊缝区和热影响区为拉应力，母材区为压应力， 其中焊缝区拉应力最大，接近屈服极限，这与实际相符，并且第组残余应力 最小，因此第组参数最佳。 试验分析拉伸试验表明，所有试样的断裂位置均在母材区，第组试样的 平均抗拉强度为5 6 9 m p a ，平均延伸率为1 6 1 ，塑性好。断口形貌分析表明， 第组试样的微观形貌韧窝数量多、尺寸小而深，说明裂纹扩展的阻力较大， 韧性好，因此第组参数最佳。 综合以上结果可知，本论文的焊接模拟和试验分析吻合性很好。 关键词：焊接模拟；单面焊双面成形；高斯热源模型；温度场；应力场 a b s t r a c t a b s t r a c t s i n g l e s i d ew e l d i n ga n dd o u b l e - s i d em o l d i n gt e c h n o l o g yb a s e do n s u b s t r a t eh a s b e e nw i d e l ya p p l i e di ni m p o r t a n ts t r u c t u r e ss u c ha sb o i l e rw i t hs p e c i a lr e q u i r e m e n t s ， p r e s s u r ev e s s e l ，p r e s s u r ep i p i n g i ti sd i f f i c u l tf o rt h ec h o i c eo f s u b s t r a t et os e td o w n w e l d i n gp r o c e d u r e ，w h i c hi sa f f e c t e db ym e m b e rs i z e ，m a t e r i a lp r o p e r t i e sa n ds o o n t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h es i n g l e - s i d ew e l d i n ga n dd o u b l e s i d em o l d i n g t e c h n o l o g yw i t h o u ts u b s t r a t e s i m u l a t i o no fw e l d i n g h a sd e v e l o p e dr a p i d l yi no r d e rt o r e d u c et h ee x p e r i m e n t a lc o s tw h i l er e s e a r c ho ns i m u l a t i o no fs i n g l e s i d ew e l d i n ga n d d o u b l e s i d em o l d i n gt e c h n o l o g yw a sv e r yl i t t l e i nt h i sp a p e r , 2 0s t e e lw a sw e l d e db y s i n g l e s i d ew e l d i n ga n d d o u b l e s i d em o l d i n gt e c h n o l o g yw i t h o u ts u b s t r a t e ，a n d c a r r i e do u tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s ta n a l y s i s f e as o f t w a r ea n s y sw i t hw r i t t e ni na p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g n l a n g u a g e ) l a n g u a g ei su s e dt os i m u l a t ee i g h tg r o u p sp a r a m e t e r s a n dg e tt h ei n f l u e n c e f a c t o r so ft e m p e r a t u r ef i e l d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ef a s t e rw e l d i n gs p e e d ，t h e s h o r t e rh e a t i n gt i m eo fh e a ts o u r c e ，t h el e s si n p u to ft h e r m a le n e r g y , t h el o w e r m a x i m u mt e m p e r a t u r e t h ee n e r g yo fh e a ts o u r c eg o td i s p e r s e da st h ea r cr a d i u s i n c r e a s i n g ，t h em a x i m u mt e m p e r a t u r eg o tl o w e r t h ei n p u th e a tb e c a m ei n c r e a s i n g a n dt h et e m p e r a t u r eg o th i g ha st h ec u r r e n ta n dv o l t a g ei n c r e a s e d t h e nt e m p e r a t u r e f i e l dw a sa n a l y z e df r o mf i v es e to fp a r a m e t e r s ，s t r e s sf i e l da n de x p e r i m e n t a la n a l y s i s a r e s e p a r a t e l yc a r r i e d o u tf r o mo p t i m a lt h r e eg r o u pp a r a m e t e r s t h ea n a l y s i so f w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l ds h o w e dt h a t t o ol i t t l e i n p u tt h e r m a le n e r g yi nt h ef i r s t p a r a m e t e r c a n tt a k ea ne f f e c to no n es i d ew e l d i n ga n dd o u b l es i d ef o r m i n gw h i l et o o m u c hi n p u tt h e r m a le n e r g yi nt h ef i f t hg r o u pp a r a m e t e r sw i l lb r i n ga b o u td e f e c t ss u c h a sa i rb u b b l e ，i n c o m p l e t ef u s i o n s t r e s sf i e l da n de x p e r i m e n t a la n a l y s i sw e r ec a r r i e d o u tf o rt h r e eg r o u pp a r a m e t e r sl e f t t h ea n a l y s i so fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sf i e l di n d i c a t e dt h a tt h es t r e s so fw e l d z o n ea n dh e a t a f f e c t e dz o n ea r et e n s i o ns t r e s s ，o fb a s em e t a li sp r e s s u r es t r e s s ， t e n s i o ns t r e s so fw e l dz o n ei sc l o s et ot h ey i e l dl i m i t w h i c hi sm a t c h e dw i m t h a to f a c t u a lr e s u l t t h er e s i d u a ls t r e s so ff o u r t hg r o u pp a r a m e t e r si sl e a s ta n dt h er e s u l ti s i i a b s t r a c t b e s t t h er e s u l to ft e n s i o nt e s ts t a t e dc l e a r l yt h a tf r a c t u r el o c a t i o no fa 1 1t h es a m p l e s w e r ei nt h eb a s em e t a l ，t h ea v e r a g et e n s i l es t r e n g t ho ft h ef o u r t hs a m p l ew a s5 6 9 m p a w h i l et h ea v e r a g ee l o n g a t i o nw a s16 1 t h ef r a c t u r em o r p h o l o g ya n a l y s i ss h o w s t h a tt h e r ea r ean u m b e ro fd e e pd i m p l e sw i ms m a l ls i z ei nt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h e f o u r t hs a m p l ew h i c hp r o v e dt h a tr e s i s t a n c eo fc r a c kp r o p a g a t i o ni sc o m p a r a t i v e l y l a r g e ，t h et o u g h n e s si sg o o d s o ，t h ew e l d i n gp r o c e d u r e o ft h ef o u r t h g r o u p p a r a m e t e r si sb e s t m a k i n gac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so f a b o v er e s u l t s ，w ec a r lc o n c l u d et h a tt h e r ei s ac l o s ec o r r e l a t i o nb e t w e e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw e l d i n ga n de x p e r i m e n t sr e s u l t s k e yw o r d s ：w e l d i n gs i m u l a t i o n ；o n es i d ew e l d i n gb o t hs i d e sf o r m a t i o n ；g a u s ss o u r c e m o d e l ；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 i i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 目前，焊接技术已成为世界上不可缺少的一门学问，几乎所有的产品的生 产过程都离不开焊接，比如有重几十万吨巨轮和1 9 以下的微电子原件，这些产 品在生活中无处不在。焊接过程中，对于传热过程分析、应力应变的分析及工 艺的选择尤其重要，因为它将直接影响产品的质量、可靠性和寿命。对于焊接 技术的研究，过去大都采用试验的方法，随着外界因素的不断变化，结果差异 很大，不断的试验只能带来生产成本的增加和时间的浪费。随着科学技术的发 展，人们对节能的追求越来越高，焊接技术也不例外，在节能的同时优质和高 效的焊接技术也越来越受重视。总之，我国焊接技术在科学的模拟技术的帮助 下得到很大的发展。 焊接过程的模拟称之为虚拟焊接，研究者起初是利用温度场和应力应变场 的模拟来预测宏观尺寸，但现在已进入到利用预测组织、结构和性能来预测微 观尺寸 1 】。通过模拟，可以优化焊接参数、消除焊接缺陷、减少试验、弄清焊接 现象本质和焊接过程规律，提高焊接质量。 单面焊双面成形技术有自己的显著特点：可以改仰焊为平焊、改内部焊接 为外部焊接，提高生产效率，节约材料，节省电能节，从长远来看，将会给社 会带来很大的经济效益，同时降低了焊工的劳动强度【2 ，3j 。 对于有特殊要求的锅炉、压力容器、压力管道等重要结构，安全性要求比 较高，万一有问题，不仅造成停产，而且造成人力物力和时间的浪费，还会对 人的生命带来很大危害。这些构件的组成焊接是必不可少的，但由于受结构尺 寸及形状的限制，比如，压力管道的直径很多均小于5 0 0 m m ，无法进行双面焊 接，只能采用单面焊双面成形技术的特殊操作方法。 随着焊接自动化程度越来越高，但焊条电弧焊的优点决定了它仍有不可代 替的作用。这主要因为焊条电弧焊操作方便，设备简单，没有位置要求，并且 焊条种类齐全。 研究者对没带衬垫的单面焊双面成形技术研究很少，并且对于此种方法的 模拟研究也有限，因此本文对2 0 钢不带衬垫的单面焊双面成形的焊接工艺设计 和焊接过程的模拟分析具有研究价值。 第1 章绪论 1 2 单面焊双面成形简介 焊接过程很复杂，是一个多学科相结合的体现。随着社会进步和科学技术 的发展，焊接技术越来越向着优质、高效和节能的方向发展，单面焊接就是符 合时代要求的新型焊接工艺【3 j 。 单面焊双面成形技术( s i n g l e s i d ew e l d i n gt e c h n o l o g yw i t hd o u b l es i d e d f o r m a t i o n ) ，就是在有辅助措施( 加衬垫) 或者无辅助措施( 没加衬垫) 的情况 下，焊件正面施焊后，焊件的正面和背面均能得到均匀整齐、成形良好和符合 质量要求的焊缝【2 】。坡口一般为v 型，按照焊接的不同操作手法留出不同的间 隙，这样避免焊不透，导致背面成形不好。一般情况下，单面焊双面成形技术 的焊件为板件和管件，相对于板件来说，管件比较难，主要应用在压力容器和 锅炉上。单面焊双面成形图片如图1 1 所示。 ( a ) 多层焊( b ) 多层多道焊 喇 辅 嘲融登 翘箍 ( c ) 焊剂铜垫法( d ) 陶瓷衬垫 图1 1 单面焊双面成形图片 双面焊双面成形技术( d o u b l e s i d ew e l d i n gt e c h n o l o g yw i t hd o u b l es i d e d f o r m a t i o n ) ，就是焊完焊件一面后，焊件翻转过来，清除根部的焊渣，再背面施 焊，焊件的正面和背面均得到高质量的焊缝，双面焊双面成形坡口如图1 1 所示。 ( a ) 1 形坡口( b ) y 形坡口 图1 2 双面焊双面成形坡口图片 2 第1 章绪论 以上两种焊接技术相比，单面焊双面成形技术不但可以改仰焊为平焊、改 内部焊接为外部焊接，而且可省去背面清根工序，易于实现自动化焊接，这些 特点很大的改善工人的劳动条件和降低工人的劳动强度【3 1 。尤其是在大型焊件无 法翻转和小口径容器人无法进去实施焊接的情况下，它更是首要选择的方法之 一。据资料和实践证明，单面焊双面成形技术使生产效率提高三倍，材料节约 1 0 ，电能节省5 0 ，从长远来看，将会给社会带来很大的经济效益，同时降低 了焊工的劳动强度。概括起来主要有以下几点优点： ( 1 ) 对构件形状、尺寸大小和空间位置均没有特殊要求； ( 2 ) 把危险复杂的仰焊和内部焊接改为平焊和外部焊接； ( 3 ) 不需要对工件进行翻转，也不需要进行根部清理等许多工序； ( 4 ) 节省材料，提高效率，改善工人的劳动条件； ( 5 ) 特殊的应用领域，比如压力容器和压力管道，特别是管道口径较小的 情况下。 单面焊双面成形技术的具体分类，从背面成形的角度考虑分为两种，自由 成形和约束成形，其中自由成形是焊缝背面不加衬垫，约束成形是焊缝背面加 衬垫，前者工序简单，但焊件间隙大小要求严格，间隙小不易焊透，间隙大易 塌陷，均会影响焊缝背面成形，后者对焊件的要求简单，但衬垫的选择需要花 费大量的时间。从引弧的角度考虑分为两种，断弧焊和连弧焊，前者电弧时灭 时燃，从而熔池的温度可以通过调节电弧燃、灭时间的长短来控制，比较容易 掌握，这种方法目前普遍采用最多，而后者操作难度相对较大，应用较少。 1 3 单面焊双面成形国内外研究现状 一直以来，为提高焊接质量和生产率，国内外的造船行业先后采用各种单 面焊双面成形技术，并且这种焊接技术延伸到其他领域，如桥梁、压力容器、 管道工程、建筑结构、化工机械、冶金机械等制造业中【4 1 。 二十世纪八十年代，我国的单面焊双面成形技术最早应用于造船业。二十世纪 八十年代中期开始应用c 0 2 气电垂直自动焊工艺，焊接时焊缝的正面和背面均采取 了措施，其中背面安放梯形槽陶瓷衬垫，正面采用水冷铜滑块强制形成，这种方法 能保持熔池稳定和焊缝成形良好【3 j 。陈铁军【5 】采用衬垫专用的热固化焊剂，焊剂受 到电弧热凝固成板状，可以阻挡电弧吹力和托住熔化金属，但焊剂熔化量少，熔渣 较均匀，这样能够很好改善背面成形问题。周桂芬【6 j 通过对1 6 m n r 材料6 m m 、8 m m 、 3 第1 章绪论 1 0 m m 和1 2 m m 厚的焊件进行试验，找到了适合这种材料单面焊双面成形的最佳工 艺，并总结了焊接参数变化对单面焊双面成形尺寸的影响。王铁柱 7 1 利用坡口中加 入铁粉能够减少焊接层数的特点，通过试验分析得出铁粉、软衬垫及装配所用的马 板之间的关系。王小平和李国强【8 】通过试验研究了混合气体的比例对薄板单面焊双 面成形焊接质量的影响，取得了满意的结果，并将该成果应用到高速快艇的焊接中。 洪裂9 】采用手工钨极氩弧单面焊双面成形技术焊接压力管道时，焊缝背面成形有缺 陷，通过实验，用反向送丝的方法，很好的解决了此问题。洪毅和赵波等人【lo j 采用 c 0 2 气体保护焊的单面焊双面成形技术，对6 m m 厚v 型坡口对接立焊的焊件进行 大量试验，焊丝与试板角度以及试板间隙等参数得到优化，克服了这种焊接技术在 打底时，大量的焊丝从间隙中穿出的问题，从而提高焊接质量。牛吉梅和向兴华等 人【1 1 对不等厚板对接而成的储油罐罐体的横焊缝进行研究，考虑到焊接质量要求高 和工作量大等因素，采用m a g 单面焊双面成形技术，研究结果表明，采用5 0 a r 和5 0 c 0 2 混合保护气体，以及对称槽型衬垫和2 层3 道焊，最后得到的焊缝不仅 外观漂亮而且质量良好。 在国外，单面焊双面成形技术也一直备受重视，尤其在日本、美国和欧洲得到 广泛应用。c a n t r e l l 和r o g e re t l 2 】对四个管状焊丝的陶瓷衬垫系统的实用性进行验 证。a n o n 【1 3 】介绍埋弧单面焊可以应用在造船业和其他制造业，并且这种焊接方法 能够提高生产效率。日本之所以称为造船大国，是因为他们在二十世纪八十年代初 期，就不惜花重金在衬垫的研究上，提高焊接效率，缩短造船周划1 4 j 。野村博一、 佐藤之彦和佐藤庆和 1 5 】为了提高埋弧单面焊的焊接质量，介绍对实时控制系统的开 发，在根部间隙和坡口形状的变化下，均能得到正面和背面都满足要求的焊缝。田 中和雄【l6 】介绍了f c b ( 铜衬垫单面埋弧自动焊) 和r f ( 热固型焊剂衬垫单面埋弧 焊) 的原理和特点，并对两种方法进行比较，得出各自的优缺点。 国内外主要是对带衬垫的单面焊双面成形技术的研究，不带衬垫的研究较 少。不同尺寸的焊件需要不同的衬垫，衬垫的材料对焊缝成形也有影响，并且 随着新材料的品种越来越多，对于大型的钢构件，要找到匹配的衬垫很难，更 不可能生产与各种尺寸相匹配的衬垫，所以不带衬垫的单面焊双面成形技术必 然成为未来研究的趋势。 1 4 模拟分析在焊接领域中的应用及研究现状 焊接过程中伴随着电磁、传热、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、应力 4 第1 章绪论 和变形等复杂现象的发生，针对一种新材料的产生，人们要做大量的实验来研 究焊接问题。随着计算机的日益发展，使得模拟遍及各个焊接领域，比如：焊 接热传导分析、焊接应力和变形、接头的组织性能的预测和熔池的流体动力学 等，这些复杂的过程都可以通过计算机来完成。焊接技术与计算机联系起来， 是焊接技术取得进步的主要原因之一，它使焊接技术的研究工作以“定量”代 替“定性 ，以“科学 代替“经验”i l j 。 从理论方面来说，焊接模拟分析不但可以通过对复杂或不可观察的现象进 行定量分析，而且对极端情况下尚不知的规律进行推测和预测，有助于弄清焊 接过程规律和焊接缺陷的产生；从现实方面来说，焊接模拟分析不但可以根据 对焊接现象和过程的数值模拟，可优化结构设计和工艺设计，从而提高焊接接 头的质量，而且可以减少不必要的试验。 1 4 1 焊接温度场的国内外研究现状 由于焊接的传热过程和材料在高温时的非线性等问题十分复杂，影响因素 很多，只靠试验焊接技术很难进步。随着计算机的日益发展，世界上许多国家 对焊接热过程的模拟研究工作都取得了显著的成果。 国外对焊接热过程进行研究比较早，始于2 0 世纪3 0 年代，前苏联科学院的 r y k a l i n 院士没有考虑材料热物理性质随温度的变化对解的影响，采用了某一特定 值，并建立了焊接传热学的理论基础，这和实际的焊接过程有很大的差异，但给 后来的研究者奠定了基础。t k a s u y a 等人【l7 j 针对有限尺寸焊件焊接前有无预热的 情况下的焊接热源进行研究分析，解决了解析方法的精度问题。a d a m e s 、木原博 和稻埂道夫等人【18 j 通过试验积累了很多数据，后来的研究者根据材料、尺寸和线 能量的不同去查找相匹配的数据，但焊接的环境不同，结果亦不同，因此利用价 值不大。s o n t i 和a m a t e a u 内】对铝合金激光焊模拟进行研究，得出二维的有限元模 型。t e k r i w a l l p t 2 0 l 对气体保护焊在二维有限元模型下进行模拟分析，得出瞬态温 度场分布情况。印度的s u b o d hk u r m a r e t a l 2 1 j 利用熔滴过渡不稳定收缩理论和状态 力平衡理论对气体保护焊焊缝熔深进行深入的研究，尤其是三维有限元模型的建 立，熔深的特性和规律显现的更清楚。m n a k a t a n i 和t o h j i 2 2 j 研究了“逆焊接热 传导问题”。a g o l d a k 2 3 j 提出了焊接热源为双椭圆的模型，获得有关于热流密度 的数学模型，但没有能得到够计算温度场的数学解析式。美国的b a t h e 2 4 】在非线 性热传输分析中，得出了全面的热平衡方程，其中考虑了多种影响因素，包括热 5 第1 章绪论 传导对流、熔池表面辐射热边界条件和固态熔化产生的潜热等。 1 9 8 1 年，西安交通大学唐慕尧等人【2 5 j 首先用有限元法计算了薄板准稳态下 的焊接温度场分布情况，但是计算中没有考虑材料热物理性能的非线性和工作 表面的热损失，得到的结果不是很准确。上海交通大学陈楚等人【2 6 】利用非线性 热传导方程的变步长外推法，对脉冲t i g 焊接温度场和水下焊接温度场等问题 进行了成功的实例分析，并且有了相应的模拟程序。武传松 2 7 , 2 8 不仅建立了t i g 焊接熔池内液体状态的二维模型，而且建立了三维分析模型，分析出影响焊接 熔池液体动力学状态和传热过程中的各种因素，两者模型之间的不同在于前者 适用在固定电弧下，后者适用在运动电弧下。清华大学的鹿安理、蔡志鹏等人【2 9 】 通过对大型钢结构的焊接变形进行模拟分析，提出了分段移动热源，这种方法 解决了计算量大、精度低和收敛难等问题。上海交通大学的汪建华 3 0 , 3 1 】对不同接 头形状下的焊接温度场进行模拟分析，并且得出相应的模拟程序。 由于焊接过程温度梯度很大和材料的非线性比较严重，而导致求解过程收 敛困难和求解的时间延长，近十年来，国内外对三维焊接问题的研究越来越多。 在研究过程中，尽可能多的考虑焊接热过程的各种影响因素，尽可能真实再现 焊接过程，得到精确度高的瞬态温度场结果。 1 4 2 焊接应力场的国内外研究现状 对于焊接应力和变形的数值模拟研究，已经相当成熟，目前称之为“计算 焊接应力”【3 2 】的一门新学科，它主要包括焊接残余应力的分布、变形的预测和 应力的消除等。 2 0 世纪3 0 年代，起初有人对焊接过程中瞬态热应力进行研究，但均是基于 定性和实测性的基础之上。直到2 0 世纪7 0 年代，采用有限元对焊接应力场进行 模拟的方法才问世。前苏联的h o 奥凯尔布朗姆【3 3 j 得到了一维条件下应力应变的 产生过程，其研究方法是利用图解的形式，并提出利用焊接残余塑变计算变形的 公式，给后人的理论研究奠定基础。基于前面研究出的变形公式，c a 库兹米诺 夫【3 4 】在此基础上进一步研究，得出了比较完整的公式。美国的l w a k i 编制了关于 热应力有限元分析程序，主要用在堆焊中。后来，m u r s k i 35 j 在他的程序上有所改 进，使得焊接时金属流动性分析的计算时间节省了很多。美国m i t 的k m a s u b u c h i 3 6 在预测焊接应力和变形方面做了大量的工作，建立了很多可以进行理 论评价的实验数据。加拿大的j g o l d a k t 3 7 】对整个焊接过程中的热应力进行研究， 6 第1 章绪论 得出从熔点到冷却至室温所有温度段的本构方程。瑞典的l k a r l s s o n 3 8 , 3 9 1 对大板 拼接的焊缝间隙变化和点固焊对焊接应力和变形的影响进行研究，模拟分析中考 虑了材料性能随温度的变化，并对三维的板壳联合的焊接模拟进行研究。b l j o s e f s o n 4 0 】先建立c m n 钢多层焊接模型，然后把局部退火的因素加到模型上，最 后得到此种情况下的应力再分布情况，并找出与均匀整体炉内热处理方法的差别。 二十世纪国内开始对焊接应力数值分析，西安交通大学与沪东造船厂合作 对单面焊收尾处的裂纹防止和产生机理进行了研究，取得了比较好的结果【4 。 上海交通大学编制了分析焊接热弹塑性的有限元程序，并用在板和管的焊接应 力分析中，但这些程序都是基于二维平面和轴对称的模型上【4 2 1 。2 0 0 0 年，上海 交通大学与日本大阪大学合作，提出了一个计划五年耗资2 0 亿日元( 2 千万美 元) 的课题，事实上这是个焊接虚拟工程的研究，最后他们编写了精确的三维 焊接分析程序，改善了计算精度和收敛途径 4 3 ，4 钔。他们的研究成果在很多方面都 得到应用，比如：核电站方面预测凝汽器的焊接变形【4 5 】、压缩机焊接变形【4 刚、 汽车液力变距器焊接变形【4 7 】和焊接失稳变形 4 8 】等。研究者还提出预测焊接变形 的残余塑变法和固有应变法 4 9 , 5 0 j 。 1 5 课题研究意义及主要内容 1 5 i 课题研究意义 随着现代科学技术的发展，模拟分析越来越重要，尤其是过去的焊接工艺 总是凭经验，通过一系列的实验来获得。对于复杂的大型钢构件，如果各种焊 接现象能够实现计算机模拟，并且通过计算机系统来确定各种焊接技术的最佳 工艺设计，这样就可以降低工人的劳动强度，并提高效率。随着计算机技术的 不断发展，很多焊接问题利用模拟的方法得到解决。 对于有特殊要求的锅炉、压力容器、压力管道等重要结构，安全性要求比 较高，万一有问题，会带来很大危害。这些构件的组成焊接是必不可少的，但 由于受结构尺寸及形状的限制，有时无法进行双面焊接，只能采用单面焊双面 成形技术的特殊操作方法。比如，压力管道的直径很多均小于5 0 0 m m ，在焊接 时操作者无法用焊条电弧焊把管道全部焊透，如果焊接不合格，在缺陷处容易 产生漩涡焊缝很快被磨损甚至磨穿，不仅造成停产，而且造成人力物力和时间 的浪费。因此对于焊接直径小于5 0 0 m m 的管道时，单面焊双面成形技术是首要 7 第1 章绪论 考虑的方法，也是最有效最简单的方法。 单面焊双面成形技术国内外有很多的研究，均是基于带有衬垫的。衬垫的 选择受到构件尺寸、材料特性和间隙大小等因素的影响，给焊接工业带来很大 的附加困难，因此不带衬垫的单面焊双面成形技术的研究是很重要的。同时， 对于焊接的模拟分析，国内外的研究者也取得了很大成果，但没有对单面焊双 面成形技术的模拟分析。综上两方面的考虑，本文对不带衬垫的单面焊双面成 形的焊接工艺设计和焊接过程的模拟分析很具有研究意义。 1 5 2 课题研究主要内容 本课题对2 0 钢单面焊双面成形的工艺模拟及试验分析进行研究，主要研究 内容包括以下几点： ( 1 ) 选2 0 钢为研究对象，编写温度场模拟分析的程序，选择八组参数进 行模拟研究焊接速度、电弧半径和电流电压对温度场的影响。 ( 2 ) 另外选择五组参数进行模拟，确定参数范围，得出焊接过程瞬时温度 场云图分布和瞬时等温线分布，特殊点的热循环曲线，垂直焊缝方向、沿焊缝 方向和焊缝中心厚度方向上的热循环曲线。 ( 3 ) 综合考虑温度场分布情况，选出几组符合的参数进行应力场分析。选 择的依据是：电流电压不能太小，焊接过程的温度太低，会导致背面焊不透； 电流电压不能太大，焊接过程的温度太高，背面烧穿的洞太大，熔化的金属不 能及时填充满，造成有气孔和未熔合和致熔池塌陷。 ( 4 ) 以温度场模拟分析的节点温度作为体载荷，编写应力场模拟分析的程 序，选某一横截面为研究对象，得出此截面的焊接过程中应力循环曲线和残余 应力循环曲线，分析得出最好的一组参数。 ( 5 ) 对应力场分析的几组参数进行试验分析，首先得到焊接接头。 ( 6 ) 对2 0 钢单面焊双面成形的焊接接头进行金相显微组织、扫描电镜观 察、x 射线和断口形貌分析，主要针对接头的敏感部分焊缝区、热影响区、熔合 区和母材的分析，来说明单面焊双面成形的焊接接头质量的好坏。 ( 7 ) 对2 0 钢单面焊双面成形的焊接接头进行拉伸弯曲实验，研究其力学 性能，分析不同参数对接头力学性能的影响，找出最合适的参数，确保接头的 性能达到实际工程中的使用要求。 ( 8 ) 试验结果和应分场分析结果进行比较，看是否一致。 本论文研究的整体流程图如1 3 所示： 8 第1 章绪论 图1 3 整体流程图 9 第2 章焊接的模拟分析理论 第2 章焊接的模拟分析理论 对于材料加工领域，有很多模拟分析软件。其中焊接领域的模拟软件有： a n s y s 、a b a q u s 、m a e c 、s y s w e l d 、a d i n a 和n a s t r a n 等，使用者可 以根据自己的需要编制程序或者在软件系统中进行逐步操作。对于本课题，选 用a n s y s 软件进行焊接温度场和应力场模拟分析。 2 1a n s y s 软件简介 a n s y s 软件是一种有限元分析软件，由美国a n s y s 公司开发。该软件功 能强大，可以分析热场、结构场、流场、电磁场和多耦合场分析等。不仅在核 工业、航空航天和能源上广泛应用，而且在土木工程、石油化工和生物医学上 也有应用。 2 1 1 前处理模块 在这个模块中，首先定义建模中所需材料的参数，主要包括单位、单元类 型、实参数、材料的特性和材料库文件等。 对于单元类型的定义，如果分析的材料种类很多，用户可以将每种材料特 性存储到材料库文件中，在以后的分析中，可以随时在材料库中取出该材料的 设置，也可重复使用，这样工作效率就有很大的提高。a n s y s 自身提供了两种 建立模型的方法，一种是自底向上，一种是自顶向下。对于网格的划分，a n s y s 软件包括延伸划分、映射划分、自由划分和自适应划分四种网格划分方式，完 全能够满足用户的需要。其中用的最多是映射划分和自由划分，映射划分可以 将模型分成几个部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映射网格； 自由划分最主要的优点是解决不同部件在装配时网格划分的不匹配问题。在划 分网格时，相邻的两个模型要粘合在一起，划分之后，如果不满足要求，重新 定义网格大小，再分析计算，直到误差低于用户想要的值。 2 1 2 分析计算模块 在分析之前，首先定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步等，然后 对已生成的有限元模型进行有限元求解。a n s y s 软件可以进行多种类型的分析， 1 0 第2 章焊接的模拟分析理论 大的方向划分为线性和非线性，稳态和瞬态，具体还包括可以分析热场、结构 场、流场、电磁场和多耦合场分析等。分析计算模块得到最终结果，并保存数 据，这一过程由计算机自己完成，用户不能干预。只有分析计算中出现严重的 错误时，计算机才停止计算，用户根据计算机提醒的错误信息进行反复修改， 直到得到最后的结果。在这个分析计算模块中，a n s y s 软件的求解器里有多种 求解分析方法，用户针只需根据自己的结构和模型进行选择，本文中选用热一 结构耦合分析方法。 2 1 3 后处理模块 这个模块包括两个小模块，一个是通用后处理模块p o s t l ，用户可以查看 某个载荷步中的一个子步的结果，但只能查看某一时刻或某一频率下的结果。 还可以得到误差估计，误差不在要求的分为内时，继续改变参数，达到想要的 结果为止。例如焊接模拟的温度场，云图中不同的颜色，代表不同的温度值， 计算结果就一目了然。 另一个是时间历程后处理模块p o s t 2 6 ，用户可以查看模型上任一点在整个 分析过程的变化，即结果数据与时间关系曲线图，也可以是列表，如绘制应力 一应变曲线、位移一时间列表等。此模块还可以进行曲线的代数运算，比如变 量之间进行加、减、乘、除运算来产生新的关系曲线。总之，在这个模块中同 样的结果有多种形式表示，比如：图标、矢量、曲线、等值线、梯度、粒子流 及云图等。 另外，对于大型的复杂构件进行模拟分析时，a n s y s 软件还提供了 a p d l ( a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 编程语言，用户可以根据自己的需要 进行参数化命令流的编写，这样会大大提高效率。本课题的焊接模拟分析工作 就是通过编写程序实现的。 2 2 焊接温度场模拟分析理论 实际的焊接过程相当复杂，要真实的模拟此过程更复杂。为了减少求解时 间，并得到收敛的结果，对模型做了几点假设 5 1 , 5 2 ：( 1 ) 材料保持各向同性，材 质均匀；( 2 ) 金属熔化后，忽略液态金属的流动性以及组织变化问题；( 3 ) 在 整个变形过程中，认为是弹塑性变形，而忽略蠕变问题；( 4 ) 在耦合过程中， 只考虑热对流的影响，反过来不考虑；( 5 ) 忽略母材与焊条的不一致行和化学 第2 章焊接的模拟分析理论 反应；( 6 ) 金属填充过程是匀速的。 2 2 1 模型的建立 本论文的温度场分析，单元选用三维八节点六面体，即s o l i d 7 0 ，对于热 源加载的表面采用无中间节点的三维四节点的单元，即表面效应单元s u r f l 5 2 ； 进行应力场分析时，热分析单元必须转化为结构单元，s o l i d 7 0 转化为 s o l i d 4 5 ，s u r f l5 2 转化为s u r f l5 4 。 图2 1 中( a ) 为几何模型，尺寸为1 2 0 m m 6 0 m m 3 m m 2 ，一边的热影 响区间为1 0 r a m ，图( b ) 为有限元模型，全部采用形状规则的映射网格，这样 的计算结果容易收敛。焊缝位置处，温度梯度变化最大，采用密度大的网格划 分，大小为l m m ；母材区，温度梯度变化最小，采用较稀疏的网格划分；热影 响区居于两者之间，采用较密的网格划分。 热彭响l x - 坷罐坶材 ( a ) 儿何模型；b ) 有限元模型 图2 1 建立的模型 2 2 22 0 号钢的热物理参数 随着新材料的不断出现，许多材料的热物理参数并不齐全，尤其是在高温 的参数少之又少。有的研究者取材料物理参数的平均值进行模拟分析，已经证 明了这种方法影响计算的精度，不利于我们的研究【5 引。有的研究者对于那些未 知温度下的参数采用插值法和外推法确定，已经证明了这种方法的f 确性 5 4 5 5 】。 温度场分析时，需要密度、导热系数和比热系数等参数。焊接模拟时，用a p d l 语言把参数写进程序中，然后导入到a n s y s 软件中，最后材料的热物理参数在 a n s y s 中建立了相关数据库。 图2 2 为2 0 号钢的热物理参数与温度的关系曲线，其中图( a ) 为密度，图 ( b ) 为比热系数，图( c ) 为导热系数。 1 2 第2 章焊接的模拟分析理论 ( a )。 0 e x s j 0 7 e m f ( c ) 。! ( a ) 密度；( b ) 比热系数：( c ) 导热系数 图2 22 0 号钢的热物理参数与温度的关系曲线 2 2 3 边值条件 焊接过程是非线性瞬态传热过程，为了得到最终解，需要给出边值条件， 对微分方程进行限制和约束，边值条件包括初始条件和边界条件。 初始条件是指厚板焊接时，为了得到高质量的焊缝，一般焊前选择预热。 温度场模拟时，假设预热均匀，施加的温度在8 0 1 5 0 ，根据材料不同和板 子尺寸进行选择。 边界条件包括位移边界条件和温度边界条件，位移边界条件是指模拟中随 着时间的延长，刚体会产生位移，因此施加位移载荷，但加的载荷不能阻止它 的自由变形。而温度边界条件又分为三类：室温边界条件( 第一类边界条件) 是指室温取2 0 。c ，施加在平行于焊缝方向的侧面所有节点上；热流密度边界条 件( 第二类边界条件) 可以定义为导热系数对比热和密度乘积的比值，是指虚 拟分析时热流是流动的，表现为温度向前移动的速度，热流密度是面载荷；热 对流边界条件( 第三类边界条件) 是指在真实的焊接过程中，板子和周围的环 第2 章焊接的模拟分析理论 境有热交换，这类条件是为了真实反映焊接过程而假设的，它施加在板子的所 有表面( 除了焊缝表面) 。 2 2 4 热源模型 根据已有的研究，热源模型主要包括高斯热源、双椭圆热源和双椭球热源， 以及混合热源。针对本课题，采用的焊接方法为焊条电弧焊，高斯热源能很好 的解决此种焊接方法的模拟问题，其他的焊接热源问题本文没有介绍。 焊接时，热源以一定的作用面积把热量传递到焊件上，这就是我们俗称的 加热斑点。能量分布从中间到两边依次减少，近似可以用高斯函数来描述。高 斯热源模型如图2 3 。 图2 3 高斯热源的分布图 加热斑点上任意一点的热流密度，即高斯热源的分布函数为【5 6 】： 撕一拶p ( 一等) 眩， q 丝 ( 2 2 ) 。= 三一 ( ) q = r l u l ( 2 3 ) 式中：q 。为加热斑点中心的最大热流密度( j m - 2 s ) ，r 为电弧有效加热半 径( m m ) ，r 为电弧覆盖区域某点到加热斑点中心的距离( 舢) ，q 为热源瞬时 给焊件的能量( w ) ，k 为热能集中系数；r 1 为焊接热效率；u 为焊接电压( v ) ， i 为焊接电流( a ) 。 一般情况下，焊条电弧焊的7 7 为( 0 6 5 o 8 5 ) ，故本文取用0 7 5 。 在焊接的模拟过程中，当电弧未移到这个单元时，焊接热能量以斜坡式的 1 4 第2 章焊接的模拟分析理论 方式积累，当电弧移动到该单元时，焊接热能量以阶跃的方式积累，就是俗称 的焊接过程；当电弧移过该单元时，焊接热能量又逐渐减小，就是俗称的冷却， 这种方法能很好的模拟热源的移动过程，并得到准确的温度场模拟【5 7 1 。热能量 随时间的变化过程如图2 4 。 蝈| 刚 遗蛊 壤 样 驶 时间 图2 4 热能量随时间的变化 2 3 焊接应力场模拟分析理论 “热胀冷缩”是普遍存在的一种现象，意思是物体受热之后膨胀，冷却之 后收缩，最后导致变形。如果膨胀和收缩是自由的，即变形不受约束，那么变 形唯一的影响因素是温度的变化