钛/钢异种金属电子束焊接温度场与应力场模拟研究

论文摘要

采用ANSYS有限元分析软件,建立了钛/钢对接接头的有限元模型。在此基础上,分别对钛合金TA15与304不锈钢直接对焊和预置填充层钛/钢电子束焊接两种情况下的温度场与应力场进行了数值模拟。并通过实验验证了结果的准确性。首先对钛合金TA15与304不锈钢直接对焊和预置填充层间接对焊两种情况下的温度场特征进行了模拟研究,二者温度场特征基本保持一致,均为熔池较小,升温速率快。而且两侧温度场分布不对称,同一时刻,两侧距焊缝相同距离的节点达到的峰值温度差距较大。对二者的温度场结果进行了比较,发现添加填充层后,熔池的峰值温度明显降低,且两侧温度梯度亦明显减小,对接头性能有利。为验证结果的准确性,对两种接头的热循环曲线进行了测量,计算值与实测值吻合较好。对不同填充层厚度、不同偏束位置热作用下的预置填充层钛/钢电子束焊接的熔化特征进行研究。发现随填充层厚度的增加,两侧熔宽减小,但钛侧熔宽始终比钢侧大,填充层厚度不宜超过0.7mm。随着偏束位置向钢侧偏移,钛侧熔宽减小,钢侧增大,但偏束位置应控制在两侧金属与填充层的结合面之间进行变化。最后采用热-结构耦合分析的方法,对添加填充层前后接头的应力场进行了计算分析。发现添加填充层前后应力场分布规律基本一致,焊缝区纵向残余应力为拉应力,横向残余应力为压应力,且应力场分布不对称,焊缝区纵向拉应力主要位于焊缝偏钢侧。对二者残余应力结果进行对比发现,添加填充层后应力峰值明显减小,且应力分布更为均匀。采用切条法对预置同填充层的钛/钢接头纵向残余应力进行了测量,测量结果比计算结果偏小,但趋势保持一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪 论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 钛和钢焊接的研究现状
• 1.3 电子束焊接数值模拟的研究现状及分析
• 1.3.1 电子束焊接温度场模拟的研究现状
• 1.3.2 电子束焊接应力场模拟研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 数值模拟方法与验证试验
• 2.1 数值模拟方法
• 2.1.1 有限元方法简介
• 2.1.2 ANSYS有限元软件简介
• 2.2 试验材料
• 2.3 试验设备
• 2.3.1 焊接设备
• 2.3.2 测温系统
• 2.3.3 残余应力测量设备
• 2.4 试验过程及工艺参数
• 2.4.1 试验过程
• 2.4.2 焊接工艺参数
• 第3章 数值模拟有限元模型的建立
• 3.1 温度场有限元模型的建立
• 3.1.1 焊接温度场数值模拟的基本理论
• 3.1.2 几何模型与网格划分
• 3.1.3 热源模型的处理
• 3.1.4 初始条件与边界条件
• 3.1.5 相变潜热的处理
• 3.1.6 材料热物理参数的确定
• 3.2 应力场有限元模型的建立
• 3.2.1 热弹塑性理论
• 3.2.2 热-应力耦合分析过程
• 3.2.3 材料力学性能参数的确定
• 3.2.4 初始条件与边界条件
• 3.3 本章小结
• 第4章 焊接温度场数值模拟结果与分析
• 4.1 温度场分布特点及模型验证
• 4.1.1 钛/钢电子束直接焊温度场特点
• 4.1.2 预置填充层钛/钢电子束焊接温度场特点
• 4.1.3 焊接过程热循环曲线实验验证
• 4.2 引入填充层钛/钢电子束焊接的熔化特征
• 4.2.1 不同厚度填充层接头熔化特征
• 4.2.2 不同偏束位置接头熔化特征
• 4.4 本章小结
• 第5章 焊接应力场数值模拟结果与分析
• 5.1 引言
• 5.2 应力场模拟计算结果与分析
• 5.2.1 钛/钢直接焊接头应力场分布
• 5.2.2 预置填充层的钛/钢电子束焊接应力场特征
• 5.3 残余应力的验证
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢