焊趾TIG重熔层激冷处理对残余应力分布影响的研究

论文摘要

本文主要研究如何应用有限元法分析平板对接的焊趾TIG重熔层激冷处理对焊趾表面残余应力分布的影响规律,包括焊态和焊趾TIG重熔的残余应力的分布。模拟对象为厚度为14㎜的焊接钢板,“V”型坡口对接焊,试验材料是Q345C,是一种非热处理低合金高强度结构钢。文中应用ANSYS软件对焊接模型进行有限元三维建模,通过单元形心坐标比较提取焊缝和重熔处单元,利用ANSYS单元生死和热-结构耦合技术分析焊接、焊趾TIG重熔和重熔后激冷过程仿真结果与试验测量结果相吻合。并给出焊缝中间处垂直于焊缝的表面路径二维残余应力分布曲线,得出主要结论为:焊态下焊趾表面的纵向残余应力为拉应力状态,而横向残余应力在焊趾处出现拉应力峰值。焊趾TIG重熔后,焊趾表面的残余应力仍为拉应力状态;焊趾TIG重熔后自然冷却到一定温度时进行喷淋激冷处理,明显降低焊趾表面的残余应力值。当重熔层温度在450℃以上时施加激冷源,可在焊趾表面形成双向残余压应力状态。TIG重熔技术是近几年提出的提高焊接结构疲劳强度的方法之一,应用较广泛。它主要是改善焊趾几何形状降低应力集中,在调节接头残余应力场方面还远远不够。为了使TIG重熔技术更加有效,保证结构的安全可靠性,准确的预判断TIG重熔过程中的力学行为和残余应力是十分重要的课题。理论和实践都表明,焊接残余应力的存在严重影响结构的疲劳强度,尤其是焊缝处拉伸残余应力将大大降低结构的疲劳强度。因此,对焊接接头组织、焊缝和焊趾形状尺寸进行研究的同时,更要对焊接残余应力的分布进行系统性和规律性的研究。对于焊接残余应力测量方法以往多采用切割、钻孔等试验方法,不但费时费力,还受许多条件限制,结果数据误差大。不适合研究系统性和工艺复杂的问题。而本文应用数值模拟方法计算焊接残余应力,不仅克服了试验测量方法的缺点,还能验证试验测量结果,因此本文的研究成果对焊趾TIG技术的完善和重熔后激冷工艺技术在工程上的推广应用都具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的工程背景及意义
• 1.1.1 焊接结构的疲劳
• 1.1.2 改善焊接结构疲劳强度工艺方法的研究现状
• 1.1.3 焊趾TIG 重熔处理工艺
• 1.2 焊接残余应力及其数值模拟技术
• 1.2.1 焊接残余应力产生的原因
• 1.2.2 焊接残余应力对疲劳强度的影响
• 1.2.3 焊接残余应力的消除
• 1.2.4 焊接残余应力的测试技术
• 1.2.5 焊接残余应力数值模拟的研究进展
• 1.3 主要研究内容
• 本章小结
• 第二章 计算模型
• 2.1 有限元法数值模拟的基本原理
• 2.1.1 热传导问题的基本原理
• 2.1.2 瞬态热传导问题
• 2.1.3 时间步长的选择
• 2.1.4 热应力的计算
• 2.2 焊接及焊后处理工艺参数的选择
• 2.2.1 焊接工艺参数
• 2.2.2 焊趾TIG 重熔工艺参数
• 2.2.3 焊趾TIG 重熔层激冷处理工艺参数
• 2.3 计算模型的建立
• 2.3.1 ANSYS 有限元法模型的建立
• 2.3.2 单元类型的选择
• 2.3.3 本构关系的确定
• 2.3.4 模型的建立
• 2.3.5 网格的划分
• 2.3.6 加载边界条件
• 2.3.7 求解
• 本章小结
• 第三章 残余应力计算结果与分析
• 3.1 焊接温度场及焊接残余应力计算结果与分析
• 3.1.1 焊接温度场
• 3.1.2 焊接残余应力
• 3.2 焊趾TIG 重熔后残余应力计算结果与分析
• 3.2.1 焊趾TIG 重熔温度场
• 3.2.2 焊趾TIG 重熔残余应力
• 3.3 焊趾重熔层激冷处理后残余应计算结果与分析
• 3.3.1 重熔层空冷至350℃时激冷处理
• 3.3.2 重熔层空冷至450℃时激冷处理
• 3.3.3 重熔层空冷至550℃时激冷处理
• 3.3.4 重熔层空冷至650℃时激冷处理
• 本章小结
• 第四章 残余应力测试结果
• 4.1 残余应力试验原理与方法
• 4.1.1 盲孔法测试原理
• 4.1.2 测试仪器
• 4.1.3 测试过程
• 4.1.4 焊接板表面残余应力测量位置
• 4.2 测试结果及其与计算结果的比较
• 4.2.1 焊态下焊趾处的焊接残余应力
• 4.2.2 焊趾TIG 重熔后焊趾部位的残余应力
• 4.2.3 焊趾TIG 重熔层激冷处理后的残余应力
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢