焊后处理工艺对接头残余应力状态的影响

论文摘要

随着铁路旅客列车向着高速化及轻量化的方向发展，转向架的材料和使用性能尤其是疲劳性能都受到了巨大的挑战。焊接接头的残余应力状态是影响转向架T型接头疲劳性能最主要的因素。前人在目前的转向架制造工艺基础上研究了钢T型接头焊趾TIG重熔+喷淋处理来改善接头处残余应力状态进而提高疲劳寿命的焊后处理工艺。本文通过改变有限元模型进一步研究了钢T型接头焊趾TIG重熔+喷淋复合处理工艺对接头残余应力状态的影响，并研究了该焊后复合处理工艺对铝合金T型接头残余应力状态的影响。采用盲孔法测定了接头在各处理状态下的残余应力值，与计算结果对比分析。对于钢T型接头，为了获得接头在不同处理状态下焊趾部位沿板厚方向残余应力的变化，对前人研究的ABAQUS有限元分析网格模型进行改变，并分别计算了焊态、焊趾经不同TIG重熔线能量处理态，焊趾TIG熔修区在不同温度和不同冷源强度激冷处理态下的残余应力分布状态。结果表明：焊趾TIG重熔态下焊趾部位残余应力呈拉伸应力状态，应力值较焊态变化不大；随着TIG重熔线能量的增加，焊趾部位纵向拉伸残余应力值逐渐增大最后达到稳定，横向残余应力无明显变化，重熔层深度和宽度逐渐增加，从而使焊趾表面达到平滑过渡；焊趾TIG熔修区随着试板温度的升高和激冷强度的增加，焊趾部位纵向残余应力由拉伸残余应力逐渐过渡到压缩残余应力，横向残余应力呈压应力状态，应力值变化不大，焊趾部位形成的压应力层深度逐渐增加。对于铝合金T型接头，采用同样的有限元法分别计算了焊态、焊趾TIG重熔态、焊趾TIG熔修区在不同温度下跟随同一激冷强度处理态以及焊趾TIG熔修区在同一温度下跟随不同激冷强度处理态下的残余应力分布状态。结果表明：焊趾TIG重熔态下焊趾部位双向残余应力较焊态有所降低；焊趾TIG熔修区在同一冷源强度下激冷处理，焊趾部位双向残余应力从200℃开始呈压缩应力状态，在200℃以上随着初始加热温度的升高，压缩残余应力逐渐增大；焊趾TIG熔修区在300℃随着激冷强度的增加，焊趾部位呈压缩残余应力状态并逐渐增大，焊趾部位压应力层深度也随之增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景及意义
• 1.2 焊接接头疲劳破坏的原因
• 1.2.1 应力集中
• 1.2.2 焊后残余应力
• 1.3 降低应力集中和调整焊接接头应力场
• 1.3.1. 改善焊趾几何形状降低应力集中的方法
• 1.3.2 调整残余应力场形成残余压缩应力场的方法
• 1.4 TIG 重熔工艺
• 1.4.1 TIG 重熔工艺研究
• 1.4.2 焊趾 TIG 重熔工艺及其改变
• 1.5 焊接数值模拟技术
• 1.5.1 焊接温度场数值模拟
• 1.5.2 焊接残余应力数值模拟
• 1.5.3 焊接模拟专用软件及新技术
• 1.6 主要研究内容
• 第二章 焊接过程有限元分析理论基础
• 2.1 焊接过程的有限元分析原理
• 2.2 焊接温度场分析理论
• 2.3 焊接应力场分析理论
• 2.3.1 热弹性分析
• 2.3.2 热弹塑性分析
• 2.3.3 平衡方程及求解
• 2.3.4 塑性理论分析的重要法则
• 2.4 焊接热力过程中的非线性
• 2.5 焊接数值模拟中存在的问题
• 本章小结
• 第三章 基于 ABAQUS 软件的焊接热力过程数值模拟
• 3.1 ABAQUS 软件热—力分析步骤
• 3.2 焊接温度场的模拟计算
• 3.2.1 前处理
• 3.2.2 分析计算
• 3.2.3 后处理
• 3.3 焊接应力场的模拟计算
• 3.3.1 前处理
• 3.3.2 分析计算
• 3.3.3 后处理
• 本章小结
• 第四章 钢 T 型接头 TIG 重熔跟随激冷应力场数值分析结果
• 4.1 网格划分改变
• 4.2 温度场计算结果
• 4.2.1 焊接温度场计算结果及分析
• 4.2.2 接头焊趾 TIG 重熔温度场分布
• 4.2.3 焊趾 TIG 熔修区激冷处理温度场分布
• 4.3 残余应力场计算结果
• 4.3.1 焊接残余应力场计算结果及改变对比分析
• 4.3.2 焊趾 TIG 重熔处理后接头残余应力计算结果及分析
• 4.3.3 激冷处理后接头残余应力计算结果及分析
• 4.3.4 焊趾部位在不同处理态下接头残余应力计算值对比
• 4.3.5 焊趾部位在不同处理态下残余应力场的形成机理
• 4.3.6 残余应力测试及修正
• 4.3.7 实测结果与模拟结果的对比
• 本章小结
• 第五章 铝合金 T 型接头 TIG 重熔跟随激冷应力场数值分析结果
• 5.1 温度场计算结果及分析
• 5.1.1 焊接温度场及分析
• 5.1.2 焊趾 TIG 重熔温度场计算结果及分析
• 5.1.3 焊趾 TIG 熔修区激冷处理温度场计算结果及分析
• 5.2 残余应力场计算结果及分析
• 5.2.1 焊态和焊趾 TIG 重熔态下接头的残余应力计算结果及分析
• 5.2.2 焊趾 TIG 熔修区激冷处理接头残余应力计算结果及分析
• 5.2.3 焊趾部位在不同处理态下接头残余应力计算值对比
• 5.2.4 残余应力测试及修正
• 5.2.5 实测结果与模拟结果的对比
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢