相变塑性对低温相变钢焊接接头残余应力计算精度的影响

1、第3 5卷第8期焊 接 学 报Vol. 35No. 82 0 1 4 年 8 月TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITLT1ONAugust 20 1 4相变塑性对低温相变钢焊接接头残余应力计算精度的影响邓德安I,村川英一S麻宁绪2（1乖庆大学材料科学与T程学院乘庆400045:2.大阪大学接合科学研究所計本 大阪567-0047 ）摘 要：基于JWK1AN IV接数值模拟伙件开发了占虑固态郴变的热一冶金 力学耦合的数值计算方法來模拟低 温相变钢的焊接残余应力.帀:点讨论了固态相变中的体枳变化、屈服强度变化和相变纳性对焊接残余应力的影响. 汨果長明相变

2、引起的体枳变化和屈服强度变化对最终的焊接残余应力分布和大小右显普影响相变刻性丄j前两 并相比校影响相对校小但它对焊缝和热影响区在相变过程中的应力变化的势右一定的减缓作用从而适度“松 弛”了残余应力.关健词：固态相变；数值模拟；钱氽应力；相变纫性中图分类号：TG4O4文献标识码：A 文章编号:0253 - 360X Q014 ）08 - 0（）09-（M71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 71994-2014 China Academic Journal Elect

3、ronic Publishing House. All rights reserved, 0序 言随着计算机技术的发展和非线性冇限元理论的 日鎌完善，计算焊接力学的体系已经建立起来了，而 且近十年来取得了长足的进步'T .但是由于焊接 过程的复杂性H前仍然冇一些关键问题还没冇得 到冇效解决例如如何开发高精度材料模型来严格 考虑焊接过程中尚态相变对残余应力和变形的影响 仍然是一个堆题；如何右虑易产生加匸硕化的材料 在焊接热循环尤梵是多次热循环条件下硕化与退火 软化问题"也是一个需要深入研究的问题.以往的研究表明，对于碳当帛较大或含合金尤 索较多的钢而肓，固态相变对焊接残余应力的

4、形成 过程及最终的应力分布和大小冇明显影响° 在冷 却过程中过冷奥氏体转变成马氏体或贝氏体时由 于材料的晶体结构从面心立方结构转变为体心长方 结构或体心立方结构而发生体积膨胀.同时由于材 料的组织发卞了变化材料的力7-性能（如屈服极 限）也会发牛显若变化.此外在相变过程中新牛成 的相（如马氏体）与“相（奥氏体）之间由于冷却过 程中的应力作用会产生相变塑性.这种塑性即使在 应力低于材料的屈服强度下也会发定，因此也把此 类須性称为相变超頰性.作为基础研究，文中开发了热一冶金一力学耦 收稿日期：2014-01 -15基金项目：国家自魅科学基金資助项LI（51275544 ）：|央高校基金

5、资助项目 EDJZR12130036）合的冇限元计算方法来模拟低温相变钢焊接接头的 残余应力.在所开发的数值模拟方法中，考虑了过 冷奥氏体转变成马氏体过程中的体积变化、屈服强 度的变化和相变超翔性现象.在数值模型中，采用 JMAK方程计算扩散型相变中新相的体积分数;采 用K4关系计算非扩散型相变中新相的体积分 数6 ;采用Inoue模型7：模拟相变超测性.文中研究 主要11的是采用数值方法定址澄消相变测性对低温 相变钢焊接殘余应力的影响.1数值模拟方法如前所述，在固态相变发生过程中冇3个主要 因素即体积变化、力学性能变化住要是屈服强度变 化）和相变翊性对焊接残余应力的形成过程及其最 终分布和大

6、小有影响如果单纯采用试验方法来定 障研究各个因索对残余应力（I耳彫响是非常困堆的 因为在试验中上述3个主要因素同时发生而且很难 设计试验方案区分它们氓独对残余应力的影响.数 值方法是一种町能区分每个因素对焊接残余应力影 响大小的方法.在日本大阪大学接合科学研究所开发的JWRI- AN计算程序基础上，开发了右虑固态相变的材料模 型来预测低温相变钢的焊接残余应力在该计算方 法中，采用热一组织一应力的顺序耦合方式来模拟 焊接过程中的温度场、组织场和应力场.具体的计 算流程如下：（1）根据接头的儿何形状和尺寸进行 71994-2014 China Academic Journal Electronic

7、 Publishing House. All rights reserved, 第8期邓徳安，等：相变塑性对低温相变钢焊接接头残余应力计算精度的彩响#有限尤建模和网格划分；Q）采用热分析模块进行 温度场计算.根据焊接条件确定焊接热输入并采 用移动热源模拟焊接热输入热战在焊接件传播 中采用热传导方式，在考虑对流和辐射边界条件的 情况下进行温度场计算;0）将温度场计算结果代 入组织一应力计算模块.根据温度循环计算各个材 料点组织（相）的体积分数.在组织计算时对于扩 散型相变采用JMAK方程计算新相的体枳分数, JMAK方程的参数可以根据CCT图'得到；对于非 扩散型和变采用K-M关系计算新

8、相的体积分数.与 此同时根据线性混合法则计算务个材料点的对应 温度E的力学性能参数（如屈服强度、线膨胀系数 等）,将这些参数代入应力模块中进行应力计算. 在应力模型中，通过修正线膨胀系数来反映相变过 程中的体积变化.采用Inoue模型来计算固态相 变过程中的相变超翊性.在计算过程中忽略了固态 相变潜热的影响计算流程如图1所示.关于奥氏体一贝氏体转变和奥氏体一马氏体转71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第8期邓徳安，等：相变塑性对低温相变钢焊接接头残余应力计算精度的

9、彩响#71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第8期邓徳安，等：相变塑性对低温相变钢焊接接头残余应力计算精度的彩响#图1计算流程匡Fig. 1 Flowchart of the analysis procedure71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第8期邓徳安，等：相变塑性对低温相变钢焊接接头残余应力计算精度的彩响#71994-2014

10、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第8期邓徳安，等：相变塑性对低温相变钢焊接接头残余应力计算精度的彩响13变的计算方法町以参考文献6 ,限于篇幅这里只 简要介绍相变熬性的计算方法根据Inoue等人 和Mrnd等人8的研究在奥氏体一马氏体转变 过程中的相变須性増就M ）nf以采用下式进行计 算，即A础二 3K（1-几）A/、爲（1）式中:人为相变燃性系数施过试验町以测得）;人 为马氏体的体枳分数;为马氏体体积分数增址;为应力张量.2有限元模型及计算案例为了研究相变刻性对残余应力的影响

11、，采用的 材料为低温相变材料山于合金含戢较多该材料在 冷却过程中只发牛奥氏体一马氏体相变.为了方便 起见，采用了 T1G重熔的焊接方法,有限元模型如 图2所刀J试板尺寸为200 mm X 200 mm x 5 n）n）9焊 接位置由图2中的实线表示.在低温相变材料中. 马氏体的开始转变温度和结束转变温度分别为300 和100 V.,山于只发住奥氏体一马氏体转变，在热 循环过程中的屈服强度的变化如图3所示.图2有限元模型Fig. 2 Finite element mode为定就考察相变犁性对焊接残余应力的影响. 计算了 4个案例.C哄A不考虑相变；Gise B考虑8004002003006009

12、001 2001 50()沮度77Y图3材料的屈服强度与温度的关系Fig. 3 Temperature-dependent yield strength休积变化和屈服强度变化但不右虑相变翔性;Ca汰 C考虑体积变化、炖服强度变化和相变翊性;Ca義I） 在CaseC的皋础上，人为将相变系数（X）放大一 倍.需要说明的是，L1前还没冇直接测量低温相变 材料的相变和性系数文中足在调研数种材料试验 测定值的基础上假定了一个参考值参考值为 0.000 1/MPa,并假定相变翊性系数不随温度变化. 四种计算案例如表1所示.表1不同相变塑性系数值的计算案例Table 1 Simulation cases w

13、ith different K parameter相变郴变刻性系数Jl/MPa 1叽温度A不考虑不考應不考虑H0300C0.000 1300D与虑0.000 23003计算结果与讨论鉴于篇幅所限这里3?点讨论纵向殘余应力的 计算结果.图4比较了四种计算案例的纵向残余应 力分布云图.从图4中nJ以看出不考虑固态相变 的Case A中的纵向残余应力分布与其它三种情况 的应力分布有明显的区别.在Case A中，焊缝及其 附近区域的纵向残余应力为拉伸应力而且数值与 材料常温下的屈服极限相当釣为700 11如）,峰值 应力约为 750 MPa.而在 Case B, Case C 和 Case 1） 中,

14、焊缝和热影响区的纵向残余应力为压应力，而且 三种情况的应力分布只有一些局部和细微的差异. 图5比较了四种计算案例的中央断面焊缝及其附近 的纵向残余应力图5进一步证实了 Case A与其它 三种计算案例之间的区别，说明固态相变中的体积 变化和屈服强度变化对焊接残余应力冇显着影响.III 丁烬缝方向上的拘束度大，因此材料在冷却过程 中由奥氏体向马氏体转变时山于体积膨胀抵消了 相变前形成的累积拉伸应力.在计算模型中考虑T 在冷却过程中的过冷奥氏体屈服强度，冈此材料冷 却到马氏体相变温度前由于受奥氏体的屈服极限的 限制形成的累积拉伸应力并不是很大在体积膨胀 的作舟卜最终在焊缝和热影响区的应力就变成斥缩

15、 应力了.仔细比较Case B,Case C和Case D可以发 现，三者之间还是有一定的差异.在Case B中完全 忽略了相变塑性的影响焊缝和热影响区的压应力 平均值约为-180 MPa,而Case C和Case I）在对应 位置的平均值分别为- 150 fil-UO MPa. Case D 中，由于人为扩大了相变塑性系数，计算得到的纵向 残余应力与Cu統C相比焊缝和热影响区的纵向压 缩应力值在粥体上偏小些.图4纵向残余应力分布云图Fig. 4 Contours of longitudinal residual stress distributions图5中央断面上的纵向应力分布Fig. 5

16、 Longitudinal residual stresses in the mid-6ection图6定就比较了卩q种计算案例在中央断面上表 面的纵向残余应力分布.从图6可以看出，在不考 虑尚态相变的悄况卜焊缝及热影响区的纵向残余 应力与材料的屈服强度极限相半.而弔虑固态相变 后这一区域的纵向残余应力就苦卜*降并变为斥缩应 力同时还町以看到相变期性在相变过程中有减 缓因体积变化I何产牛.应力变化趋势的效果相变旳 性系数越大，减缓效果越明显.100CI80C6004002000-200ecmo-1()203040图6中央断面上表面的纵向残余应力分布Fig. 6Longitudinal resi

17、dual stress distributions on topsurface图 7 比较 了 Case A, Case B. Cae C 和 Case D 的中央断面上表面横向残余应力分布.从图7可 知在不考虑相变的情况F (Case A )焊缝和热影 响区的横向应力较小，而在考虑相变引起的体枳变 化和屈服强度变化悄况F (Case B )焊缝及其附近的 横向残余应力明显增加.在考虑相变塑性情况下, 上表面横向应力冇所下降且相变赠性系数越大横 向应力值卜降越多，这说明相变翊性也冇减缓横向 残余应力在相变过程屮的变化趋势的效果.-40 30 20 -100102030 40距焊帰中心弟离(金W

18、rmn5(x40o询2001 00图7中央断面上表面的横向残余应力分布Fig. 7 Transverse residual stress distributions on top surface4结 论(1 )相变引起的体积变化和屈服强度变化对低 温相变材料的残余应力有明显的影响.Q )与体积膨胀和屈服强度变化相比较相变 翔性对焊接残余应力的影响要小些但它町减缓相 变过程中因体积变化而引起应力变化的越势，对焊 缝和热影响区的应力冇一定的“松弛”作用.6)相变赠性对残余应力冇一定的影响，为了 提高计算粘度,在材料模型中有必耍考虑相变期性. 在今石的研究中需要设计试验來柄确测量材料的相 变頰性系数

19、.参考文献：1 J Irilii、 Muraluiha H. aka<h(> K. W al. E(al>li«lHncnl of vuiiqiu- lutiocul riding inrcluinics J. Tnin?«acli<H)JWR【 24 G )： 7 -20.L2 ©徳安.梁IIJ.罗 宇.等.采用热弹勉性右阳元方法偵测 诋碳钢钢管焊接变形J焊接学报.2006. 27 (1 )： 76-80 Deng Dean Liang Wei Luo Yu ct aL Prvdiction of welding <le- form

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25、 BKMlrling of traiVsfoniuitKM) pla«>licily in slrfh II: ci>u|»ling uilh Mruin hanlming pltcnoinnu J ) ImrmL tionul Journal <j( Plalicity 1986. 5 : 573 -591.作者简介：邓徳安几1968年出生博士教授.博士研究生导师.主塑从爭炸接数值模拟和金斌材料炸接方血的研究.发衣论文110 余篇 Email: drandeng <*<iu. rdu. m71994-2014 China Academic J

26、ournal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2014.Vol.35,No8TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONMAIN TOPICS.ABSTRACTS & KEY WORDS71994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2014.Vol.35,No8TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION71

27、994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 2014.Vol.35,No8TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONEfTect of welding methods on impact toughness of ultra-low carbon martensitic stainless steel welding wire deposited metal DU Bing12, SUN Fenglian1. XU Yujun2

28、. LI Xi- aoyu*. LI Xia<x?hun*. Ql. Jiaif (1 College of Material Science and Engineerii. Harhin I niversity of Science and Technology. Harbin 150001, China; 2. Harbin Welding Institute 9 Harbin 150028. China), pp 1 -4Abstract ： As for the low iin|Kict toughness of weld metal for large hy<lr(Hur

29、i)ine runner, effect of welding methmls an<l gas content on impact louglmess of ultra-low carlx>n martensitic stainless steel welding wire deposited metal is investigated. The results show that the Lu昶MIG hvl>ri<l wcldinc in addition to TIG welding can greatly improve the !ni|)act toughn

30、ess I1G can be usrI for weld repairs of stainless steel mnner. Laser -MIG welding could proniete the using in the group welding of laminas 9 vanes and band Th” impact toughness(|pcreasp<l with the increase of C, 0 and N content of deposited metal 9 and 0 is the major factor. Spherical oxide inclu

31、sion can generatP cruck in deposited metal with high 0 condition, and decrease crack initiation and expansion energ)*Key words:martensilk stainless steel; welding mulh<xl;imparl toughness; hy(lro-turl)ine ninnerDynamic stability analysis of soft-switching resonant process and optimization of PVVM

32、 control waveform ZHl Zhim- ingL YANG Zlumgyu1. XIA Zhuliang1, TANG Ying)in-1 (1 Departmenl of Mechanical EnginPPring, Tsinghua I niversity. Beijing 100084, China; 2 Key Lab.仏r Advanced Miiterials Processing Technoiog1. Ministry of Educiition< Tsinhua University Beijing 100084, China ). pp 5 - 8A

33、bstract: Based on the decoupled analysis <>f soft-switching resonant pnx ess in phase-shift contr<>lle< full- bridge power converter, a "1-2” cosine mm|p PU M control wavefonn is pro- posed, which is aiineil at dealing with the process of |M)wer-start and frequently violent dynam

34、ic change on welding arc load. According to I he generating principle of digital PU M control wave- fonn in DSP. a phase-shift P M control waveform with M 1 -24 n cosine nxxle is designed and its control effec t is verifiKl experimentally Th# results show that, l)v using this phase-shift P I nuxle t

35、o control fulH>ri(lge p)wer converter, it can not only niwH the requirvineni of effective duty cycle in PU M control pulse with regard to llie |»wer output cluiractPristics. but also guarantee the (iynainic stability in soft-switching; resonant process of leading-leg pirallel resonant networ

36、k and transfomiPr prinuinr side serial resonant network t so that the soft-switching state of power devices will be maintained in the process of p>wPr-start an<l frequently violent dynamic change on welding arc load.Key words:cont ml wavef<>m)optimization; phase-shiftpulse width iniMiula

37、tion control; soft-switching resonance; fullbridge converterInfluence of TRIP on calculated results of residual stress in a low temperature transformation steel joint DENG Dean11 MUKAKAVl A Hidekazu2. MA Ningxu2 (1 College of Materials Science and Engineering, Chongqing I Diversity Chongqing 400045,

38、 China; 2. Joining and Welding Research Institute, Osaka Univenity, Osaka 567-0047, Japan ). pp 9-12Abstract: In (his study« a computational approach based <>n JWRIAN software was developed to predict welding residual stress in low temperaturp transformation (LIT ) steel joint with conHKl

39、crinj;|>hu?*c tranfomuilion Tho main objectivewas to clarify the influences of volume change. yield strength vanatinn and transfomuition induced plasticity (TRIP ) on the welding residual stress by means of the developed numerical method. Numerical results indicate that both volume change and yie

40、ld strength variation during austenite-martensite have significant influPnres on the fomudion of welding residual stress in I he LTT steel joint. In addition 9 TH IP also has somewhat influence on the welding residual slrPss and it can relax the change tendency of ImjIIi longitudinal and tmnsverse s

41、tresses during phase transformalion Io some extent.Key w ords:sol idate phay tmnsfornuition; nuimu ivulsimulalion; residual stress; transfonnation induced plasticityFiber laser-assisted TIG welding weld characteristics and influencing factors YIN Yan1. TA Jinguo1. WANG Zhan- chong1. ZHAN(i Kuihua1,2 (1. Key Idmnilory of