低合金高强钢厚板双面双弧焊应力变形的数值模拟

论文摘要

低合金高强钢厚板的传统焊接工艺是采用单MAG弧先焊正面坡口,从反面清根、打磨后再焊接。针对其效率低、焊接质量差等缺点,我们提出了双面双弧焊接工艺。为进一步证明双面双弧焊的可行性,本文从残余应力变形的角度对其进行了研究。本文采用大型商用软件MSC.Marc,对板厚50mm、对称型X坡口的双电源型双面双弧焊工艺（DSAW）和传统工艺（CW）的应力变形进行了数值模拟,考虑到材料随温度的非线性、对流及热辐射以及相变潜热、网格划分等因素建立了热-应力耦合模型。针对厚板多层多道焊数值模拟中,网格单元数目庞大、边界条件复杂、求解收敛困难、计算周期过长等问题,本文采用了生死单元法,根据焊接顺序,逐步激活网格单元。同时,采用修正的串状热源模型,在保证精度的前提下大大提高了模型的计算速度,缩短了计算周期。通过对双面双弧焊和传统焊接方法厚板多层多道焊的数值模拟以及对比分析,得到的结果表明:双面双弧焊的焊后残余应力和变形要比传统单弧焊方法小很多,与实测结果吻合;另外双弧焊的应力演变曲线显示:多层多道焊中打底焊道的应力远远大于填充和盖面焊道,焊缝根部产生很大的应力集中。通过对双面双弧焊打底焊道的数值模拟,考察了焊枪间距和热输入对焊后残余应力和变形的影响。结果表明:角变形随着焊枪间距的增大先向背面弯曲再向正面弯曲,中间存在一个临界无变形点,并且适当减小后电弧功率会减小临界无变形点;另外,残余应力随着焊枪间距的增大先减小后增大,后电弧功率减小会使焊枪间距-残余应力曲线整体下移。可见,双面双弧焊方法与传统单弧焊方法相比,能显著的减小焊后残余应力和变形;并且,通过对双面双弧焊焊枪间距和热输入的调节,可以有效的控制残余应力和变形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 厚壁高效焊接方法概述
• 1.2.1 提高焊接熔敷率新工艺
• 1.2.2 活性剂焊接新工艺
• 1.2.3 复合双弧焊
• 1.2.4 其它高效焊接技术
• 1.3 双面双弧焊发展概况
• 1.3.1 单电源型双面双弧焊
• 1.3.2 双电源型双面双弧焊
• 1.4 厚板多层多道焊的数值模拟现状
• 1.4.1 国内外焊接温度场研究概况
• 1.4.2 焊接应力场的研究现状
• 1.5 课题主要研究内容
• 第2章 厚板双面双弧焊数值模型的建立
• 2.1 几何模型及网格划分
• 2.1.1 几何模型的建立
• 2.1.2 网格划分
• 2.2 材料特性参数和熔化潜热
• 2.2.1 材料特性参数
• 2.2.2 熔化潜热
• 2.3 生死单元法
• 2.4 热源模型的选择
• 2.4.1 串状热源模型
• 2.4.2 修正串状热源模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 多层多道焊应力变形模拟及结果分析
• 3.1 验证修正的串状热源模型
• 3.2 多层多道焊应力模拟结果分析
• 3.2.1 新老工艺应力模拟结果对比分析
• 3.2.2 双面双弧焊应力的演变分析
• 3.3 多层多道角变形模拟结果分析
• 3.4 模拟结果的验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 打底焊道应力变形模拟结果及分析
• 4.1 打底焊道残余应力的模拟结果
• 4.1.1 三维应力云图
• 4.1.2 残余应力曲线
• 4.1.3 模拟结果的验证
• 4.2 打底焊道角变形模拟结果
• 4.3 焊枪间距影响应力变形的模拟结果
• 4.3.1 焊枪间距对角变形的影响
• 4.3.2 焊枪间距对应力的影响
• 4.3.3 焊枪间距对应力变形的影响分析
• 4.4 热输入对应力变形的影响
• 4.4.1 热输入对临界无变形点的影响
• 4.4.2 热输入对应力的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢