（材料加工工程专业论文）地铁焊接构架残余应力和焊接变形研究.pdf

中文摘要 本课题以孟买地铁项目为背景 分析了不同的焊接工艺对地铁转向架侧梁焊 接残余应力的影响 以及采用何种焊接顺序使得转向架侧梁的焊接变形最小等问 题 考虑到经济因素和可操作性 本课题使用t 型板来替代转向架侧梁作为研 究对象 研究不同的焊接工艺对焊接残余应力的影响 通过红外热像仪测量了t 型板在焊接过程中的温度场分布 获得t 型板的焊接温度循环曲线 采用盲孔 法测得t 型板的焊接残余应力 实验完成后 采用有限元模拟计算加以验证 并且发现 t i g 熔修能一定程度的降低焊缝中心的残余应力 但增大了熔修区域 的残余应力 而通过整体热处理能有效地消除熔修带来的大部分残余应力 另外 实验获得的数据结果反过来验证了有限元计算方法的准确性 最后采用同样的有限元计算方法对地铁转向架侧梁进行模拟 得到了不同焊 接顺序下侧梁焊接变形的具体数据 为工程实际工作提供了依据 关鲁睦阑 t i g 重熔整体热处理残余应力焊接顺序 a b s t r a c t b a s e do nt h ep r o g r a mo fm u m b a is u b w a y t h er e s e a r c ha n a l y z e st h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e d u r eo nr e s i d u a ls t r e s so fs i d eb e a m a n dh o wt oc h o o s et h e w e l d i n gs e q u e n c et om a k es u r et h ed e f o r m a t i o no ft h es i d eb e a mi st h es m a l l e s t c o n s i d e r i n gt h ee c o n o m i cf a c t o r sa n dm a n e u v e r a b i l i t y t i o i n tp l a t e sa r eu s e dt o r e p l a c et h es i d eb e a mi no r d e r t or e s e a r c ht h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e d u r e o nr e s i d u a ls t r e s s t h ew e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l do ft j o i n tp l a t e sw a sm e a s u r e db v u s i n ga ni n f r a r e dt h e r m a li m a g e r a n dt h et h e r m a lc y c l e sw e r ee x p e r i e n c e dd u r i n g w e l d i n gw e r ea c h i e v e d t h er e s i d u a l s t r e s so ft j o i n tp l a t e sw e r em e a s u r e db y b l i n d h o l em e t h o d a f t e rt h ee x p e r i m e n t t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a su s e dt ov e r i f y t h er e s u l t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e t h o do ft i gr e m e l t i n gc o u l dl i m i t e d l y l o w e rt h er e s i d u a ls t r e s si ns e a mc e n t e ra r e a b u tt h er e s i d u a ls t r e s si nr e m e l t i n ga r e a w e r ei n c r e a s e d h o w e v e r b yt h eo v e r a l lh e a tt r e a t m e n tm u c hr e s i d u a ls t r e s sb r o u g h t b vt i gr e m e l t i n gc o u l db ee l i m i n a t e de f f e e t i v e l y i na d d i t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a l s ov e r i f i e dt h ea c c u r a c yo ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d a tl a s t t h es a m ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a su s e dt os i m u l a t et h ew e l d i n gp r o c e s s o nt h es i d eb e a mo ft h es u b w a y a n dt h ed a t aa b o u tw e l d i n gd e f o r m a t i o no fs i d eb e a m w e l d e db yd i f f e r e n tw e l d i n gs e q u e n c ew a sa c q u i r e d w h i c hp r o v i d et h eb a s i sf o r p r a c t i c a lw o r k k e yw o r d s t i g r e m e l t i n g o v e r a l lh e a tt r e a t i n g r e s i d u a ls t r e s s w e l d i n gd e f o r m a t i o n i i 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 进入2 1 世纪以来 随着世界经济的快速发展 城市化进程日益加快 城市规模不断扩张 城市功能复杂化 由此引起了一系列问题 对于城市交通 一方面 城市人口密度不断增大 拥有的私家车数量也不断增加 开车上班己成为一种习惯 以至于城市交通总量成急剧增长趋 势 另一方面 城市道路与交通工具的运能不足 从而导致交通阻塞 车速下降 乘车拥堵和 事故频繁 城市道路的过于饱和 客运交通的超负荷运行 使得居民在工作和生活中产生诸多 不便 而且也制约着城市经济的快速发展 此外机动车辆的增多直接导致废气 噪声等对环境 的污染 同时消耗的能源也越来越多 不利于可持续发展 而地铁系统 凭借其路权专用 运 量大 速度快 准时 无污染的特点 成为解决国内外大城市交通诸多矛盾的战略选择和有效 方式 地铁转向架之于地铁车辆 犹如双腿之于身体 其作用不可忽视 所以又称为车辆的走行 部 地铁转向架是地铁车辆的重要组成部件 它的性能好坏很大程度上决定着车辆运行的稳定 性和安全性 在装车前及试用期间必须要进行各种测试 如负载试验 参数检测 调整和性能 测试 近年来 地铁正向着高速 便捷 重载的方向发展 因此对地铁转向架的各项性能参数 提出了更高的要求 焊接接头的疲劳强度通常是远低于母材金属的 应力集中是降低焊接结构疲劳强度的主要 原因 而且地铁转向架侧梁的焊接接头主要为t 型焊接接头 由于在热影响区附近具有明显 的截面变化 t 型焊接接头的应力集中系数要比对接接头高 因此t 形接头的疲劳强度要低于 对接接头 采取适当的工艺措施可以有效地提高焊接接头的疲劳强度 l 主要基于以下几点 减少或消灭焊接缺欠 特别是消除微观空穴 微小夹杂物及微观裂纹 改善焊趾部位的几 何形状降低应力集中 调节焊接残余应力场 产生残余压缩应力场 目前存在的方法主要有 1 t i g 重熔 2 1 t i g 重熔是在应力集中比较大的区域 采用钨极气体保护焊接的方法 重新熔化该区域 使其过渡平滑 以降低应力集中 2 机械加工 机械加工的方法也能够降低焊件表面的应力集中 但对于焊缝内部产生的缺陷 也能够产 生应力集中 这是机械加工的方法就没有效果 因此也具有一定的局限性 3 砂轮打磨 第一章绪论 砂轮打磨是采用砂轮打磨应力集中区域 使其产生圆角过渡 这种方法也具有一定的局限 性 对砂轮尺寸有一定要求 打磨位置必须是适于打磨的区域 4 锤击法和喷丸法 锤击法和喷丸法是均是冷加工方法 通过冲击使焊接接头表面产生塑性变形 以产生压缩 残余应力 喷丸尺寸不应过大或过小 以使其能处理微小的缺陷的同时保证一定的冷作硬化性 能 喷丸的作用深度一般在表面上的千分之几毫米 5 特种焊条方法 特种焊条方法是研制了一种新型的焊条 它通过降低熔池中金属及熔渣的表面张力 改善 焊缝焊趾处的几何形状 降低焊趾处的应力集中程度 从而提高焊接接头的疲劳强度 该方法 与t i g 熔修有相似的优缺点 都可以改善焊趾部位的疲劳性能 但它对焊接位置有特殊的要 求 仅适合于平焊位置和平角焊 而对于横焊 立焊和仰焊 它的优越性就降低了 6 调整残余应力场产生压缩应力的方法 调整残余应力场产生压缩应力的方法主要包括预过载法 局部加热 挤压法和g u m n e r t s 方法 7 超声冲击处理方法 超声冲击法是最近几年发展起来的 通过改变频率发射超声波冲击含结构件表面 使其产 生压缩残余应力 这种设备相比喷丸法 具有设备简便 携带方便的优点 同时效果也非常理 想 但是设备造价昂贵 天津大学王东坡等 孓7 对此有很高的研究经验 在国内转向架制造工艺中 打磨和喷丸等处理工艺使用的比较成熟 但是也有许多缺点 打磨处理效率较低 而且劳动强度大 可控性差 噪声大 喷丸由于对尺寸要求较高 因此也 难以控制 因此本课题中采用t i g 重熔工艺来提高焊接接头的疲劳强度 而t i g 重熔工艺由 于重新引入新的热源 势必会影响焊接构件的各种性能 本文从焊接残余应力方面研究了t i g 重熔对地铁转向架侧梁残余应力的影响规律 本课题以浦镇南车集团孟买项目为应用案例 通过有限元模拟和实验对照的方法 从以下 三个方面开展研究 得到不同焊接工艺对焊接构件残余应力的影响 并采取措施降低构件的残 余应力 同时 通过有限元计算的方法 来获得不同焊接顺序对地铁转向架侧梁焊接变形的影 响规律 以便为调整 减少和控制地铁转向架侧梁的焊接变形提供数值依据 这对解决地铁转 向架侧梁焊接变形问题具有普遍意义 一 焊接残余应力的影响 残余应力是焊接过程一个几乎无法避免的缺陷 它对焊接结构有很大的影响 8 1 对于脆 性大 淬硬倾向大或刚度较大的焊接构件 焊接过程中或焊后常会发生焊接裂纹 焊接残余应 力是产生焊接裂纹的重要原因之一 2 对于未经消除焊接残余应力的焊接构件进行机加 时 由于切削去了一部分材料 破坏了构件中内应力的平衡 应力的重新分布使得构件变形 加工 精度受到影响 3 在承受纵向压缩的杆件中 焊接残余压应力与外加压应力相叠加 应力的 第一章绪论 叠加导致压应力区先期达到材料的屈服点 使得该区丧失承载能力 这相当于减小了截面的有 效面积 使得失稳临界应力的数值降低 4 g a 于焊接结构在没有外加载荷的情况下就存在残 余应力 因而在腐蚀介质作用下 结构虽无外力 也会发生应力腐蚀 焊接残余应力的不利影响只在一定的条件下才表现出来 对于地铁转向架侧梁 其使用环 境是在低温和动载的条件下 同时也有应力腐蚀开裂的危险 残余应力的不利影响不能忽视 应消除结构的残余应力 二 t i g 重熔工艺对焊接残余应力的影响 地铁转向架侧梁刚度大 焊缝数量多且分布复杂 其中主要承力焊缝多为t 型角焊缝 通常 角焊缝的疲劳强度远低于相应的对接焊缝的疲劳强度 角焊缝焊趾部位往往是疲劳失效 的薄弱环节 疲劳裂纹通常在此处形成 其原因是焊趾部位因几何形状突变造成应力集中 具 有很高的焊接残余拉应力 且该处存在焊接显微缺陷以及晶粒粗大的微观组织等 研究表明 焊趾部位的参与拉应力是疲劳失效的重要原因 0 1 采用t i g 重熔技术可以改善焊趾的几何形 状 使焊缝与母材之间呈圆滑过渡 从而降低应力集中系数 但是 t i g 重熔后焊趾区残余应 力及其分布状态会有什么变化尚未可知 三 焊接变形的影响 在地铁转向架的生产中 由于焊接造成转向架侧梁发生的沿焊缝方向的收缩变形以及在高 度方向的挠曲变形 不仅影响结构的外观和装配精度 而且会降低结构的承载能力 为了保证 装配精度和保证结构的承载能力 往往需要一定的矫正措施 因此需要花费很多人力物力 严 重的焊接变形甚至不可挽回 造成废品 常用的采用加热矫正焊接变形的方法往往会造成结构 材料的脆化 形成低应力破坏 因此 掌握焊接变形规律 具有重要的理论和工程意义 在设 计和加工中要着重注意防范和控制焊接变形 1 2 研究内容及方法 1 2 1 焊接残余应力产生的原因 焊接残余应力的产生原因相当复杂 要根据实际情况而定 通常跟含结构件的尺寸 形状 焊接工艺方法有关 就其产生的原因 l l 及过程关系有以下三种情况 1 焊接热应力 焊接时 由于焊接热源是移动的 金属构件受到不均匀的加热 冷却 而熔滴随着热源的 移动进入熔池 熔滴进入熔池后 立即冷却 凝固 冷却过程中 先冷却的熔滴对后冷却的熔 滴起到了拘束作用 阻碍了后冷却熔滴的收缩过程 因此产生了焊接热应力 焊接热应力是焊 接残余应力的主要部分 2 约束应力 第一章绪论 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 使各部分显示的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 相变应力是由于金属在冷却过程中发生了相变 相变导致晶粒的尺寸发生变化 从而挤压 或者拉伸其附近的晶粒 从而产生的一种应力 目前降低焊接残余应力的方法主要有热处理法和机械力法 1 2 两种 1 热处理法 热处理法又分为整体热处理和局部热处理 利用材料在高温下屈服强度降低和蠕变应力松 弛的原理 采用不同的工艺方法 将试件待处理部位加热到指定温度下 并且保温一定时间 达到降低残余应力的目的 2 利用机械力 机械力法是采用外力 使残余应力区域产生塑性变形 释放部分残余应力的目的 机械力 法主要有机械拉伸法 锤击法和振动法以及爆炸法等 焊后矫正变形不仅耗费人力物力 增加生产周期 而且工艺制定不当 还会产生负面效果 因此 制定设计方案和焊接工艺时 应考虑到焊接变形的因素 从根本上预防过大焊接变形的 产生 下面主要从设计方案和工艺路线两个方面阐述焊接变形的控制措施 l 3 1 1 设计措施 设计措施主要从焊缝的设计着手 首先 应该尽量减少不必要的焊缝 设计焊接结构时 合理的布置筋板的形状 位置 避免不必要的筋板 以降低焊缝的数量 其次 合理的设计焊 缝的形状和尺寸 焊缝的形状和尺寸关系到焊接工作量的多少 即焊接热输入的多少 焊接诶 热输入越大 焊接变形越严重 因此 在满足结构承载能力的前提下 焊缝尺寸应采用较小的 设计 第三 要合理的安排焊缝的位置 焊缝处于焊接结构截面的中性轴附近时 能够良好的 减少梁 柱等结构的挠曲变形 2 工艺措施 工艺措施从焊接过程分为三种 1 焊前预防措施 主要包括预变形法 预拉伸法和刚性 固定法 2 焊接过程控制 在焊接过程中 采用合理的焊接方法和焊接工艺参数 选择合理 的焊接顺序以及焊前预热等措施 3 焊后矫正措施 焊接变形出现后 只能采用一些补救措 4 第一章绪论 施来减小己发生的残余变形 焊后矫正措施主要有加热矫正法和机械矫正法 这种措施属于 被 动 矫正措施 对焊接构件会产生一些不良的影响 如结构脆性等 焊接变形的研究是一项复杂的工程 在实际生产中 主要通过已经积累的经验来确定类似 产品的焊接工艺 来控制焊接残余应力和焊接变形 但仅仅依靠经验并不能完全掌握焊接变形 的规律 而且随着科技的不断进步 新产品的更新速度越来越快 而经验的积累跟不上其速度 因此不能够完全依赖经验 而某些产品由于尺寸很大 制造成本过高 如果完全通过实际生产 实验来获得结果 需要付出较高的代价 延长了真个生产周期 数值试验 1 4 作为新生事物的出现 有效地解决了这一问题 通过在计算机上建立结 构模型 模拟焊接过程 不仅能够大幅度降低由于实际实验所付出的成本 而且易于操作 节 省研究周期 为企业和科研单位降低成本 同时也能够有针对性的获得某些数据 为深入理解 某些事物的形成以及演变积累经验 随着科技的进步 计算机计算能力的增强 有限元数值模 拟技术已经越来越多的应用在焊接过程中 由以前的一维 二维建模逐渐变成三维实体建模 人们对焊接过程的认识也越来越深 对于焊接变形和残余应力的研究 由于有限元技术的发展 也越来越成熟 因此 对于大型结构 完全采用实际实验的方法积累经验不太实际 借助有限元方法能够 解决人们的问题 本文也通过有限元计算和实际试验对照的方法 得出所需的结果 针对地铁转向架侧梁 要研究其焊接变形和残余应力 本课题主要研究三个问题 1 不同的焊接工艺对焊接残余应力和变形的影响 2 焊后整体热处理消除焊接残余应力的效果 3 地铁转向架侧梁采用不同的焊接顺序对焊接变形的影响 在本课题中 由于地铁转向架侧梁多采用t 型焊接 因此 对于不同焊接工艺对焊接残 余应力和变形的影响 以及整体热处理对焊接残余应力的消除效果这两个问题 我们采用对t 型板进行实际试验并与有限元计算结果对比的方法 获得所需的数据 需要注意的问题是 在 对t 型板进行实际试验时 采用的焊接工艺方法必须与地铁转向架侧梁的焊接方法一致 这 样得到的结果才具有参考价值 同时 通过对t 型板实际试验得到的数据和有限元计算结果 对比 能够验证有限元计算方法的准确性 得到准确的有限元计算方法 为后来模拟不同焊接 顺序对转向架侧梁变形的影响提供理论依据 对于地铁转向架侧梁的有限元模拟 由于其尺寸过大 采用一些简化模型 来大体得到其 第一章绪论 焊接变形和残余应力的分布趋势 第二章t 型板焊接过程温度场及应力测量 第二章t 型板焊接过程温度场及应力测量 本课题使用的钢材为p 3 5 5 n l l 及熔敷金属g 4 s i l 试验需要钢材的各种物理性能 如不 同温度下 室温 1 2 0 0 c 的导热系数 比热容 热膨胀系数 不同温度下 室温 9 0 0 c 弹 性模量 屈服强度 天津大学对不同温度下钢材p 3 5 5 n l l 及熔敷金属g 4 s i l 的弹性模量和屈 服强度进行了测量 委托北京钢铁研究院对钢材p 3 5 5 n l l 及熔敷金属g 4 s i l 的其余物理性能 进行了测量 表2 1 表2 3 给出了钢材的各项性能参数 随着温度的变化 金属材料的性能会发生变化 即材料性能是与温度相关的 表2 1 试样热扩散率 比热容 热导率实验结果 第二章t 型板焊接过程温度场及应力测量 表2 3 试样不同温度的弹性模量和屈服强度 2 1 2 试板尺寸 试验所采用的试板有两种尺寸 如图2 一l 所示 一种为翼板尺寸为3 5 0 m m x 3 0 m m x l o m m 对应的腹板尺寸为3 5 0 m i n x l 5 0 m m x l o m m 另一种为翼板尺寸为3 5 0 m m x 3 5 0 m m x l 2 m m 对 应的腹板尺寸为3 5 0 m m x1 5 0 m m x1 0 m m 1r 1 7 1 jl c n o 1r a 翼板尺寸1 0 m m 1 r 1 r ji 窖 1r b 翼板尺寸1 2 m m 图2 1t 型试板尺寸及焊缝坡口形式 8 第二章t 型板焊接过程温度场及应力测量 t 型板焊接接头形式为单v 型坡口 具体形式如图2 2 所示 t 型角焊缝采用m a g 三层 焊接工艺 层间温度不高于1 2 0 底层焊的焊接电流2 7 0 a 电压2 8 v 焊接速度9 5 1 0 5 m m s 第二层焊的焊接电流2 9 0 a 电压3 0 v 焊接速度6 2 7 2 m m s 第三层焊的焊接电流3 0 0 a 电压3l v 焊接速度4 9 5 9 m m s m a g 焊冷却至室温后对腹板焊趾处进行t i g 重熔 焊趾 t i g 重熔工艺参数为 电流1 9 0 a 电压1 2 v 重熔速度8 1 0 m m s t i g 重熔完成后对焊件进 行整体热处理 整体热处理工艺如图2 3 所示 笋 0 图2 2 t 型板焊接接头形式 图2 3 热处理工艺 t 型试板分别采用4 种焊接工艺 1 m a g 焊接 2 m a g 焊接 t i g 重熔 3 m a g 焊接 整体热处理 4 m a g 焊接 t i g 重熔 整体热处理 实验采用设备为广州飒特电力红外技术有限公司生产的h y g 9 0 红外热像仪 使用时 需 第二章t 型板焊接过程温度场及应力测量 对试板材料的发射率进行标定 由于试板为p 3 5 5 n l l 和g 4 s i l 钢 类似于1 6 m n r 因此用 1 6 m n r 钢的发射率代替 t 型板立于工架之上 采用平焊方式焊接 采用红外热成像仪对准 焊缝中心区域位置进行实时拍摄 测定结束后 通过s a t l r r e p o r t 软件读取热像仪录下的结果文件 既可得到在某一时刻图 像中各点的温度分布 也可以得到图像中各个点随时间的温度变化曲线 如图2 4 所示为实际 测量过程中热像仪录下的温度场分布 图2 5 所示曲线为提取的图2 4 中虚线所示区域的温度 分布 即焊接前端垂直于熔合线方向温度场的分布情况 由于焊接时焊缝温度高达2 0 0 0 必须采用高温镜头测试温度场 而高温镜头的量程最低为4 7 5 故在温度低于4 7 5 的地方 测量结果也显示为4 7 5 这个误差是不可避免的 图2 4 热像仪录制的温度场分布 图2 5 焊接中峰值温度与距熔合线距离的关系 l o 第二章t 型板焊接过程温度场及应力测量 2 3 焊接残余应力测量 常用的残余应力测试方法 l5 可分为非破坏性测试方法 如x 射线衍射法 超声波法 和破坏 或局部破坏性方法 如裁条法 钻孔法等 也可以分为机械方法和物理方法两大类 对测试方法如何评用 大致可按下列要求作为衡量 1 对测试对象有无破坏 2 是否便 于现场测试和快速测试 3 是测表面内还是表面外的残余应力 4 测试精度 由于本实验是 对t 型试板进行测量 对破坏程度没有要求 且试板厚度仅为1 0 m m 主要测量试板表面的残 余应力 同时对测试精度有一定要求 综合起来 使用盲孔法能够满足试验的要求 2 3 1 盲孔法测残余应力的基本原理 盲孔测试应力法 1 6 1 基本属于无损检测 比较可靠 已成为现场测量的一种标准试验方法 本实验采用的设备为郑州机械研究所生产的y c i t 型应力测试仪 应变花型号为 t j 1 2 0 1 5 0 1 5 图2 6y c i i i 型应力测试仪和所用应变花 测试前 在工件的待测处 用打磨工具打磨出一光滑平面 并用丙酮或酒精清洗表面以保 证无油污 待表面干燥后 用5 0 2 胶粘贴一应变花 等应变花完全粘牢后 约2 4 h 使用定位 装置在应变花圆心位置定位 使用手电钻钻一小孔 深度因测量仪器的不同而异 钻完后 过 大约半小时 待孔内应变完全释放后 读出各应变片的应变值 1 2 s 3 根据虎克定律便可 由下列公式计算出主应力q 呢以及主应力的方向日 卜2 击 3 干老嘎墨誓忑哥 2 l 肌2 0 丝兰盟 峥v 第二章t 型板焊接过程温度场及应力测量 式中 a b 分别为应力释放系数 其与应变片尺寸 被焊材料种类及孔径 孔深等因素 有关 需要用实验的方法进行标定 通常采用已知应力场进行标定 如采用均匀的单向拉伸应 力场 试验的试件如图2 7 所示 p 图2 7 拉伸试件图 在轴向施加一应力盯 应变花中r 应变片与轴向重合 此时a z o 0 0 根据求应力公式 得到 l e e l e 3 2 2 即可得出a b 系数 标定中应该注意 试件不能存在初始应力 试件横截面为均匀拉应 力 施加的应力大小不能使孔边产生局部屈服 在单向拉伸条件下施加的应力数值应小于材料 屈服极限的1 3 盲孔的孔径与试件尺寸相比必须很小 应消除钻孔时引入的机械切削应力 对于该设备所要求的 钻孔深度为1 5 m m 测量低碳钢时a b 的值分别取 0 0 7 2 6 和 0 1 5 1 4 通常 将主应力换算成垂直于焊缝方向的应力 横向应力 用 表示 和平行于焊缝方向的 应力 纵向应力 用 表示 来进行研究 当应变片l 号方向与焊缝垂直时 换算关系式为 2 3 竽 n 一 半 i n 吸 q 第二章t 型板焊接过程温度场及应力测量 对于提供的两种厚度的t 型试板 我们选择翼板厚度为1 0 m m 的t 型板 测量分别采用4 种不同焊接工艺焊接的t 型板的残余应力 对于t 型角焊缝 由于焊缝处不易布片 因此仅在焊缝正中间粘贴一个应变花 应变花 编号为1 同时遵循离焊缝近处布片密的原则 2 号应变花紧贴着焊缝粘贴 然后依次间隔1 5 m m 取一个测量点 共取7 个测量点 应变花具体粘贴位置如图2 8 所示 应变花粘贴时 要使1 号应变片方向平行于焊缝方向 图2 8 应变花粘贴位置 应变花粘贴完成后 要过2 4 h 后 等应变花完全粘牢后才能对其进行钻孔测量 钻孔采用 专用的定位装置 如图2 8 所示 图2 9 钻孔装置示意图 按上边的方案进行测量 并通过式2 3 进行换算 得到表2 1 所示的纵向残余应力 焊接 1 3 第二章t 型板焊接过程温度场及应力测量 构件通常是以承受纵向应力为主 故构件纵向残余应力对构件承载能力有较大的影响 横向残 余应力对构件承载能力的影响一般不予考虑1 1 7 1 因此仅测量截面上纵向空间残余应力分布 表2 1 焊接试板在不同位置的纵向残余应力 测量数据表明 1 m a g 焊后 焊缝区域焊接纵向残余应力为拉应力 且数值较大 接近 材料的屈服强度 而远离焊缝的区域 残余应力变为压应力 应力分布符合焊接构件的残余应 力分布规律 1 8 2 对比不同焊接工艺下焊缝区域残余应力大小 t i g 重熔后 焊缝中心残余 应力有所下降 而热处理之后 焊缝区残余应力有了大幅度的降低 且无论是m a g 焊后直接 热处理还是m a g 焊后 t i g 重熔后再进行热处理 其残余应力降低水平基本相同 3 观察热 处理之后 t 型板各处残余应力均有所降低 而且分布区域平缓 2 4 本章小结 本章主要介绍了试验所用试板的各种材料属性 以及焊接接头坡口形式 焊接工艺参数和 t i g 重熔 热处理工艺 同时阐述了实际焊接过程中焊接温度场的测定手段 最后简单介绍了 下盲孔法测残余应力的基本原理 以及本实验中采用盲孔法测残余应力的具体操作方法 第三章t 型板焊接数值模拟 有限元数值模拟技术已经越来越多的应用在科研以及工程应用上 在预测焊接变形和残余 应力分布上 有限元数值模拟技术也在一步步走向成熟 焊接过程由于其特殊的物理 化学过 程 如高度集中的热源移动过程 熔池熔化和凝固过程 以及熔池内物质的化学冶金过程等 使得焊接构件在焊接过程中随着时间和空间的变化而剧烈变化着 导致有限元模拟过程产生严 重的非线性 因此 在模拟过程中 不仅需要非常细致的网格划分 还需要极短的时间步长 前者称为空间离散化 后者称为时间离散化 这又带来一个问题 细致的网格划分和极短的时 间步长必然带来巨大的运算量 由于计算机硬件水平和计算方法的原因 早期的分析大多将三 维问题简化为二维甚至一维问题 1 9 2 1 以解决运算量过大的问题 随着技术的进步 计算机计 算能力获得了极大地发展 同时一些计算方法也极大地改善 这使得有限元模拟的应用范围极 大地扩展 人们已经开始越来越多的进行三维焊接数值模拟的研究 2 2 型7 1 本文建立了t 型板角焊缝焊接的三维分析模型 使用a n s y s 有限元计算软件 编写出t 型板焊接程序 同时兼顾计算效率和计算精度 获得了焊接残余应力场 下面就分析中几个关 键问题进行讨论 在模拟焊接过程时 我们应该考虑如何模拟熔敷金属的施加过程 本文分析中采用生死单 元技术 所谓的生死单元 2 8 1 死单元指的是 在初始网格划分时已经形成 也参与每一时间 步的运算i 但是在分析中 死单元的刚度矩阵 热传导矩阵被乘以一个很小的数值 这个系数 通常小于百万分之一 本文分析中取l o 8 并将单元载荷向量置零 在热分析中还使它们的 比热置零 这些措施可使死单元对当前 活 单元的温度场 应力场的影响达到可以完全忽略 的程度 由于在实际焊接过程中 每个熔滴大小约为9 m m 而在有限元网格划分时 焊缝处沿焊 缝方向单元长度大约在3 m m 因此 每三个单元作为一个单元组 来模拟一个熔滴 在焊接 前 先使用命令 e k i l l 将焊缝单元全部杀死 这时的单元各种属性降得很低 可以忽略不 计 在焊接时 按照焊接次序 当某一个单元组处于当前状态时 可以通过命令 e a l i v e 将该单元组激活 由于熔滴在落入熔池之前 处于融化状态 并且其过热程度较小 因此 单 元被激活时 赋予其初始温度为金属的融化温度 即1 4 3 0 c 2 9 1 而焊接过程还没经过的地方 第三章t 型板焊接数值模拟 所对应的单元则处于 死 状态 3 1 2 线膨胀系数选择 线膨胀系数的大小不仅与材料所处的工作环境的温度有关 还与其所选的参考温度有关 因此在计算单元的热应变时 应当首先给定材料的无热应变参考温度 在本课题中 熔敷金属 g 4 s i l 的参考温度为材料的凝固温度 即1 4 3 0 而母材金属p 3 5 5 n l l 的参考温度为施焊前 的环境温度 即2 5 对于本文采用的p 3 5 5 n l l 及g 4 s i l 钢材 由北京钢铁研究院测量的线膨胀系数是参考温 度为2 5 时的割线膨胀系数 见第二章 而对于熔敷金属g 4 s i l 它是从融化状态开始进入熔 池 因此其参考温度应定为1 4 3 0 c 割线膨胀系数需要按照下式进行换算 3 0 1 昕 丁 口 丁 筹瞰丁 一 耳e 式中 t 为温度 为原有线膨胀系数的参考温度 t r e f 为转换后的参考温度 o r o r 为温度为丁时的原有线膨胀系数 1 c 耳e 厂 表示温度为耳e 时原有线膨胀系数 i c 丁 表示参考温度为耳e 温度为丁时的线膨胀系数 i c 利用式 3 1 进行换算 得到焊接模拟中采用的两种线膨胀系数 如图3 1 所示 t 甜r 蛰e 憎i 啉 图3 1 不同参考温度时的线膨胀系数 3 1 第三章t 型板焊接数值模拟 3 1 3 相交的影响 相变 3 1 1 会导致局部体积的膨胀与收缩 这样就产生了附加应变 如果相变发生在金属的 塑性温度 金属失去弹性屈服极限为零的温度 以上 则比容的改变并不影响内应力 反之 则 必须考虑相变的影响 由于一般的低碳钢在加热和冷却过程中的相变温度均高于塑性温度 因 此 在热弹塑性分析中可忽略相变的影响 焊接热源模型f 3 2 1 的选择是焊影响接温度场分布情况很重要的因素之一 高斯热源模型的 特点是熔池深度较浅 形成熔池较小 属于面热源 对模拟t 型接头焊接等较大熔深的模拟 不太适用 而均匀热源由于是直接在焊缝单元内部加载内热源 能够形成较大熔深熔池 比较 适用于模拟非高速热流分布的焊接接头 因此 在本文的分析中 考虑到电弧对熔池的强烈搅 拌作用而采用简化的均匀体热源形式来模拟焊接过程 均匀热源模型是一种体热源模型 即焊缝横截面的单元上施加相同的体热流密度 在 a n s y s 中以生热率 h g e n 载荷形式加载 3 引 h g e n 翌丝 a w e l d p a t 3 2 式中h g e n 为d t 时间内的生热率 单位 w m m 3 7 7 为电弧的有效热效率 u 为焊接 电压 单位 v i 为焊接电流 单位 a a w e 掘为焊缝横截面积 单位 m m 2 1 为焊接 速度 单位 m m s d t 为每载荷步加载时间 单位 s 同时 由于t i g 重熔是对焊趾表面修复 不需要太大的熔深 因此 t i g 重熔热源按表面 移动热流处理 采用高斯热源模型3 4 1 q r q m p x p 一3 9 是离开热源中心的距离 f 是电弧有效加热半径 q m 是最大比热流 3 3 本文在热分析过程中 采用8 节点六面体单元s o l i d 7 0 结构分析中 一般的有限元模 拟采用的单元为s o l i d 4 5 但是由于本课题中 要对t 型板进行整体热处理 而s o l i d 4 5 单 1 7 第三章t 型板焊接数值模拟 元对热处理不能很好的支持 因此采用s o l i d i8 5 单元 s o l i d l 8 5 单元可以在热弹塑性和粘 弹塑性之间方便的切换 本文中热分析和结构分析均采用相同的网格划分 这样能够方便的将热分析得到的节点温 度载荷施加到结构分析模型中 由于需要同时考虑计算精度和效率问题 需要有选择的对t 型板进行网格划分 由于映射网格划分的网格整齐 奇异性小 因此本文采用的均为映射网格 划分的方法 对于焊缝机器热影响区区域 该区域会产生较大的温度梯度 同时也是应力集中 区域 因此需要采用较为细致的网格划分 在远离焊缝的区域 采用较为粗大的网格划分 二 者之间的过渡区域 采用3 1 网格过渡的方式 这样既可以有效降低运算量 同时又可以保持 较高的精度 a n s y s 软件中 同一表面不能同时施加对流和热辐射边界条件 目前通常的处理方式是 将对流系数和辐射系数组合成一个与金属表面温度相关的组合冷却系数 记为 文献 3 5 给出了组合冷却系数 见表3 1 表3 1 组合冷却系数 热处理消除残余应力主要基于两种理论 其一为高温屈服理论 其二为应力松弛理论 参 考文献 3 6 用实验证明只考虑高温屈服理论 得到的效果很不明显 因此 必须考虑应力松 弛理论 应力松弛主要是由于材料蠕变所致 因此 焊接残余应力的消除过程的数值模拟 应 当考虑材料的高温蠕变 蠕变是指在高温状态和存在应力的条件下 材料的永久变形随着时间而增加的现象 对金 属材料 产生蠕变现象的最低温度通常为瓦 0 4 0 5 r m t m 为用绝对温度表示的熔点 对 母材p 3 5 5 n l l 和熔敷金属g 4 s i l 其性能与1 6 m n r 钢类似 取1 6 m n r 钢的熔点作为其熔点 而1 6 m n r 钢的熔点为1 4 3 0 c t 3 7 1 因此产生蠕变的最低温度为瓦 0 4 t m 2 7 3 6 8 1 k 4 0 8 0 c 因此可知 p 3 5 5 n l l 和g 4 s i l 产生蠕变的最低温度定为4 0 8 第三章t 型板焊接数值模拟 金属材料的蠕变行为分为三个阶段 对应图3 2 的i i i i i i 阶段i 为不稳定蠕变阶段 也叫瞬态蠕变阶段 该阶段中 蠕变速率随时间的增加而有所下降 阶段i i 称为稳定蠕变阶 段 蠕变速率基本恒定 阶段i i i 为加速蠕变阶段 在此阶段 晶界上产生蠕变空洞 随着时 间的增长 空洞不断长大并连接 最终引起蠕变断裂 l i i t a m e 图3 2 蠕变应变随时间变化曲线示意图 一般认为蠕变产生的原因是与位错滑移引起的加工硬化以及位错攀移产生的高温回复相 关 当两者的速率相同时 稳定蠕变过程便形成了 根据课题组积累的1 6 m n r 的蠕变数据 1 6 m n r 的蠕变多发生在第二阶段 即稳定蠕变阶 段 因此考虑采用n o r t o n 隐式蠕变方程 3 8 靠 c 1 r r c z e c s 丁 5 6 式中 岛为蠕变应变率 仃为应力 丁为热力学温度 c 1 c 3 为待定常数 利用课题组积累的试验结果 得到c 1 5 0 1 x 1 0 3 8 c 2 6 4 3 c 3 3 9 1 3 5 即蠕变方程可表 达为 5 0 1 1 0 3 8 0 6 4 3 e 一3 9 1 3 5 r 3 3t 型板焊接模拟的典型结果 5 7 t 型板模型几何尺寸和焊接工艺参数参照第二章2 1 焊接模拟中有效能量系数取为0 7 1 9 第三章t 型板焊接数值模拟 焊接模拟中的焊道布置及网格划分如图3 3 所示 其中包括1 4 0 5 3 个单元和1 6 8 2 8 个节点 b c 图3 3t 型板焊道布置 焊缝单元及整体网格划分 图3 4 3 6 为不同焊接工艺下a n s y s 有限元模拟t 型板温度场分布情况 2 0 第三章t 型板焊接数值模拟 翳雾 瓣 撼荆 鬻嚣蠹 羹秽 戳 i b 图3 4m a g 焊接过程温度场分布云图 b 图3 5t i g 重熔时温度场分布云图 醛誉 i 篓j 0 1 i 9 鍪臻嚣 b 图3 6 整体热处理时温度场分布云图 2 l 熬誊 耋 6 二 j 鬻糍 熏黑喾 溅端瀛臻 钒一l绻糍糯黼群黪泓霰嚣 嚣虢鬻黧嚣嚣嚣矍妻慧漫 州一一端璐籀嚣辑泼辣 蕊麓嚣 墨 i嚣 廿 矬勰獬 糍嚣恣搿熬 一魏藤露露慧曩一辫辫曩 第三章t 型板焊接数值模拟 按照如图3 7 所示路径提取该路径上温度 并与实测结果作对比 得到图3 8 距熔合线不 同区域部分温度分布曲线 从图中可以看出 有限元计算得到焊接热循环曲线与实测结果在 5 0 00 c 以上温度区间吻合较好 在5 0 0 c 以下温度区间差别较大 这主要是由于焊接时焊缝温度 高达2 0 0 00 c 必须采用高温镜头测试温度场 而高温镜头的量程最低为4 7 5 c 故在温度低于 4 7 5 c 的地方测量结果也显示为4 7 5 c 从5 0 0 c 以上温度的温度曲线来看 模拟结果是准确的 1 3 0 0 1 2 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 9 0 0 6 0 0 7 0 0 掣6 0 0 矗5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 o 图3 7 垂直于熔合线路径示意图 图3 8 焊接中峰值温度与距熔合线距离的关系 3 3 2 焊接变形模拟值和实测值对比结果 为验证有限元计算结果的准确性 本文对比了实测和有限元计算得到的t 型板的角变形 2 2 第三章t 型板焊接数值模拟 测量t 型板焊接变形常用方法 3 9 为测量其翼板的角变形 如图3 9 所示 例如 有限元模拟的 m a g 焊接残余变形中 如图3 1 0 翼板距离焊缝最远端的节点沿x 方向最大位移 为 0 0 0 9 3 8 7 m 其距焊缝中心距离b 1 为0 1 7 5 m 则其角变形为臼1 a r c t a n f x b 1 3 0 7 而实 际测量的焊接角变形艿为0 0 0 9 m b 2 为0 1 7 0 m 其角变形为日2 a r c t a n z b 2 3 0 3 图3 9 焊接角变形测量示意图 a n s 弭 1 2n 裹 o 冀n 潞2 1 5 5 羚 2 3 l e a 篓黜鬈 薹i 鬻 蠢强鬟 蠹 sy 4 女r m 8 l 烈萌 6 8 2 2 羹鬣嚣 蓄裟梨 图3 1 0 有限元模拟t 型板焊接变形 表3 2 翼板厚度分别为1 0 m m 和1 2 r a m 的t 型板焊接角变形对比 表3 2 中 我们观察翼板厚度为 0 m m 的t 型板 通过对比可知 m a g 焊后角变形量为 3 0 3 m a g 焊后直接进行热处理的角变形为2 7 4 而这两种焊接工艺分别进行t i g 重熔后 第三章t 型板焊接数值模拟 角变形分别变为4 1 3 和3 6 2 角变形增加量分别增加了3 6 3 和3 2 1 而通过m a g 焊后和 m a g 焊后进行热处理的角变形对比 与m a g 焊后进行t i g 重熔和m a g 焊后进行t i g 重熔 并热处理的角变形对比可知 热处理后 角变形分别降低了9 5 7 和1 2 3 5 观察翼板厚度 为1 2 m m 的t 型板 情况也是如此 因此 我们可以得出结论 t i g 重熔的引入增大了t 型板的角变形 而通过热处理能消除 一部分焊接角变形 同时 对比有限元计算结果和实际测量结果 有限元模拟角变形跟实际测量的角变形结果 基本一致 这也验证了模拟过程及其结果的准确性 3 3 3t i g 重熔对应力分布的影响 观察t i g 重熔前后t 型板应力分布云图 如图3 1 1 所示 f a m a g 焊后 图3 1 1t i g 重熔前后残余应力分布 b t i g 重熔后 对比发现 焊缝中心处的残余应力在t i g 重熔后有一定程度的下降 而重熔区域的残余 应力稍微有些增大 为了更清楚地观察重熔对焊缝区域残余应力的影响 我们取如图3 1 2 路 径1 和路径2 分别提取该路径在t i g 重熔前后纵向 横向残余应力分布情况 2 4 第三章t 型板焊接数值模拟 皂 翟 餐 蕊 嚣 图3 1 2路径l 和路径2 1 0 0 e 瞄 3 0 眶 0 0 0 蓬2 0 蟮 0 0 8 o 壁 1 0 1 蟹 1 1 0 8 黎 蒜口瑚e 删 疑离舢 a 一 弋 型 巅 祭 盖 壤 图3 1 3 路径l 中t i g 重熔前后残余应力分布 筐筮鬟 群毽鹾 s 8 譬l 蓑鳞溅 i l l j o 舯0 0 50 伯0 循o j on 2 s0 3 0 口艏 鞭薄鲰 垒8 联 0 0 7 送e 0 睡 0 0 嚣 譬4 0 0 e 0 0 7 鼙 滁螂 e o 饿 o 2 舶e 删 彭离矗n b 甍 敏捷 睦监 囊熔隧 l 气 汕j 謦 i o 乱箱n 1 00 1 5o 2 0o 笛o 3 0啦3 5 氍离 m 图3 1 4 路径2 中t i g 重熔前后残余应力分布 b 从图3 1 3 a 和3 1 4 a 中可以看出 m a g 焊接后纵向残余应力的最大值出现在翼板焊缝和 母材交界处 呈拉应力状态 并向焊缝区缓慢下降 而近缝区变为压应力 在远离焊缝的区域 啭 瞄 鸺 幽 删 第三章t 型板焊接数值模拟 压应力逐渐平缓并趋于零值 并且 焊缝中心处的纵向残余应力平均值在3 7 0 m p a 左右 而 t i g 重熔后平均值降低到2 5 0 m p a 左右 降低幅度约为3 2 由于焊缝中心的横向残余应力所 占比例不大 因此其横向残余应力的变化很小 同时 观察图3 1 4 重熔区在的残余应力较重 熔前稍微升高 虽然只有几十兆帕 但也应引起足够的重视 从有限元模拟的结果可知 t i g 重熔不仅能够降低焊接构件的应力集中系数 同时也能够 对焊接残余应力的分布造成一定的影响 t i g 重熔能够降低焊缝处非重熔区域的残余应力 而 一定程度的增大重熔区域的焊接残余应力 造成这一影响的主要原因是 t i g 重熔时 相当于 在重