409L不锈钢管激光焊接温度场及应力应变场分析

论文摘要

本文采用数值模拟和试验研究相结合的方法,研究了409L不锈钢管激光焊接温度场、变形和残余应力场的产生和分布规律。数值模拟采用大型有限元分析软件Marc2005完成;采用切条法测量了焊接残余应力;利用焊缝截面金相实验验证了有限元模型的准确性。在全面分析激光深熔焊接过程的传热行为的基础上,本文提出了一种激光深熔焊接热源模型:采用一个有限深度的圆柱体热源来模拟锁孔的传热,体热源的深度由临界功率密度决定;采用面热源来模拟工件上方的等离子体云。利用热源模型建立409L不锈钢管激光焊接温度场计算的有限元模型。在模型中考虑了对流和辐射散热、相变潜热和材料热物理性能参数随温度的变化以及液态金属的对流传热。对不同焊接工艺参数下的温度场进行计算,得到了工艺参数对温度场分布的影响。在温度场数值模拟的基础上,计算了409L不锈钢管对接接头的焊接应力、应变场。在计算过程中考虑网格的疏密过渡以及材料力学性能参数随温度的变化。分析了409L不锈钢管激光焊接过程的应力和变形的演变过程及分布特点,并将激光焊接残余应力与实验研究进行了对比。结果表明:409不锈钢管激光焊接残余应力与TIG焊的残余应力具有相似的分布,但激光焊接纵向残余应力的分布区域窄,在焊缝和熔合线附近的残余应力与TIG焊的残余应力接近。激光焊接线能量增加,纵向残余应力拉伸区域变宽,峰值应力降低;而横向残余应力升高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 激光焊接温度场及应力应变场的研究概况
• 1.2.1 温度场及应力场的数值模拟方法
• 1.2.2 激光焊接数值模拟
• 1.2.3 焊接应力应变场研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 第2章 激光焊接应力变形有限元理论基础
• 2.1 焊接温度场有限元模型
• 2.1.1 焊接热传导有限元基本方程和解法
• 2.1.2 焊接热源模型
• 2.2 焊接热弹塑性有限元模型
• 2.2.1 焊接热弹塑性理论分析及其解法
• 2.2.2 与相变相关的力学现象的处理
• 2.3 用有限元分析软件MARC 模拟焊接过程
• 2.3.1 Marc 有限元分析软件简介
• 2.3.2 焊接过程的Marc 数值模拟
• 2.4 本章小结
• 第3章 409L 不锈钢管激光焊接数值模拟
• 3.1 409L 激光焊接温度场数值模拟
• 3.1.1 409L 激光焊温度场有限元模型的建立
• 3.1.2 温度场计算结果及分析
• 3.2 409L 激光焊接应力应变场数值模拟
• 3.2.1 409L 激光焊应力变形分析模型的建立
• 3.2.2 409L 激光焊接应力应变分布特点
• 3.3 本章小结
• 第4章 409L 不锈钢管激光焊试验研究
• 4.1 试样焊接
• 4.2 焊接残余应力测量
• 4.2.1 焊接残余应力的形成
• 4.2.2 焊接残余应力测量方法的选择
• 4.2.3 焊接残余应力的测量
• 4.3 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