异种钢焊接的残余应力研究

论文摘要

异种材料的焊接结构能够充分发挥组成材料的性能优势,而且能够节省贵金属材料因而具有较大的成本优势。随着造船技术不断进步,异种钢焊接的应用愈加广泛。焊接残余应力是影响船舶建造质量的重要因素,异种材料连接时,由于材料之间的性能差异尤其是热物理性能的差异导致焊接残余应力的问题更为突出。因此有必要研究异种钢结构的残余应力分布情况,为改善焊接工艺,提高船舶建造水平,减少异种钢的焊接残余应力提供理论基础。首先本文采用弹塑性有限元法计算了Q235钢与304不锈钢的焊接温度场和焊接残余应力,计算结果表明,由于二者物理性能的差异造成了焊接温度场和残余应力分布的不均匀,焊接残余应力的峰值出现在304不锈钢一侧,其值略低于304不锈钢的屈服强度。其次改变了焊接工艺条件,探索了热源偏移及热输入改变对残余应力的影响。当焊接热源偏向Q235钢时,焊接残余应力峰值变化较小,但高应力区减小,焊接变形明显减小,当焊接热源偏向304不锈钢时结果相反。当焊接热输入增大时会导致焊后高应力区范围的扩大,残余应力的峰值略有降低。最后采用红外热像仪测量了焊接过程中焊接材料表面的温度变化情况,有限元计算的结果与其符合较好。并将所采用的参数模型推广到异种钢管管对接焊算例中,得到管管焊接中内表面残余应力大于外表面的结论,及其轴向和周向残余应力的分布规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 课题相关文献综述
• 1.2.1 不锈钢与碳钢焊接研究现状分析
• 1.2.2 焊接温度场模拟进展
• 1.2.3 焊接残余应力场数值模拟进展
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 基于marc的有限元计算及实验验证
• 2.1 有限元法及有限元计算程序Marc软件简介
• 2.1.1 有限元法简介
• 2.1.2 大型有限元计算分析软件Marc简介
• 2.2 基于Marc的焊接温度场及应力场计算
• 2.2.1 焊接有限元模型的假设
• 2.2.2 几何模型的建立
• 2.2.3 材料性能参数的确定
• 2.2.4 单元的选择及网格划分
• 2.2.5 边界条件的定义
• 2.2.6 载荷工况的定义及作业参数的提交
• 2.2.7 计算结果的后处理
• 2.3 实验验证设备
• 2.3.1 实验设备
• 3 计算结果分析
• 3.1 板对接焊的结果分析
• 3.2 改变焊接条件探索的几个规律
• 3.2.1 改变焊缝位置的计算结果分析
• 3.2.2 改变热输入的计算结果分析
• 3.3 实验结果验证
• 4 管管对接的算例
• 4.1 计算模型的建立
• 4.2 计算结果分析
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢