T型焊接接头残余应力数值模拟研究

基于ANSYS有限元数值分析软件,建立了T型焊接接头的有限元模型,采用高斯热源模型,模拟T型焊接接头焊接过程,分析了焊接过程中的温度场和应力场,并分析了不同参数变化对于焊接残余应力的影响。结果表明,在整个焊接热过程中,焊缝区域温度变化显著;焊接过程应力变化复杂,在焊缝处存在较大的残余应力,应力值为225MPa,接近屈服极限235 MPa;第二道焊缝应力值较第一道焊缝大,原因在于焊接第二道焊缝时,已完成的第一道焊缝对于焊件变形有较大约束。     

焊接顺序对T型接头残余应力场的影响

对大型金属结构中常见的T型焊缝的焊接过程进行有限元模拟。选用5种不同的焊接顺序,模拟不同焊接顺序对T型焊缝残余应力场的影响,得到最优焊接顺序。结果表明,焊接顺序不仅影响温度场的分布形式,而且对残余应力大小和分布有较大影响。综合分析5种焊接顺序可知,先焊中间后焊两端的分段退焊法可有效降低T型接头残余应力。     

焊缝屈服强度对SM490A钢焊接残余应力预测精度的影响

基于有限元分析软件MSC. Marc,开发了用于模拟焊接温度场、焊接应力场和应变场的热-弹-塑性有限元计算方法. 以低合金高强度钢SM490A为研究对象,采用移动热源和实测得到的YGT50焊缝与母材高温热物理性能和力学性能数据,数值模拟了SM490A钢单道堆焊接头的焊接残余应力. 并重点讨论了高组配接头焊缝的屈服强度对焊接残余应力的峰值和分布的影响. 结果表明,对于高组配接头,当把焊缝和母材不加区分(等强匹配),两者都采用母材的屈服强度来计算焊接残余应力时,得到的焊缝处纵向残余应力明显低于实测值;当分别采用焊缝和母材的屈服强度来计算焊接残余应力时,得到的焊缝处纵向残余应力与试验值非常接近.     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场及残余应力场的有限元模拟

根据搅拌摩擦焊特点及库伦摩擦做功理论,以厚度为6 mm的7075-T7351铝合金板材为研究对象,基于ANSYS有限元软件,建立了搅拌摩擦焊双热源三维有限元模型,研究不同转速、焊接速度对温度场及残余应力场的影响规律.结果表明,焊接过程峰值温度在500℃左右,接头最高温度出现在搅拌头后部大约5 mm处;接头残余应力以纵向残余应力为主,在垂直焊缝方向上呈M形分布,最大值约为150 MPa;当搅拌头转速一定时,随着焊接速度的增大,峰值温度减小,峰值纵向残余应力增大;当焊接速度一定时,温度随着转速的增大而增大,且转速越大,纵向残余应力分布越均匀.     

仪表板横梁管件焊接残余应力的预测

运用有限元方法,对汽车仪表板横梁薄板结构焊接时采用断续焊的温度场及残余应力场进行了热-弹塑性数值模拟。选取局部模型并对模型进行简化,采用焊缝热影响区网格细化技术,笔者较为精确地计算出了温度场及残余应力场的分布。基于在实际焊接过程中对温度场的测定,并以此为热源载荷导入模型进行热-结构耦合计算。研究了断续焊对温度场及残余应力场的影响因素。结果表明:断续焊对母材有循环加热作用,且后焊焊缝热影响区的残余应力比先焊焊缝热影响区的大,焊接残余应力最大值出现在焊缝收弧端根部与大管母材的交界处。     

坡口形式对304/Q345复合管焊接接头残余应力影响的数值模拟研究

文中基于热弹塑性力学理论建立13 mm厚304/Q345复合管对接残余应力的三维有限元模型。采用ANSYS有限元分析软件对X形、 V形坡口复合板焊接接头的温度场和应力场进行了数值模拟;研究了X形、 V形坡口复合板焊接接头温度场和应力分布规律;分析了坡口形式对复合板焊接接头温度场和应力场的影响。研究结果表明:不同的坡口形式对复合板焊接接头温度场无明显影响;复合板焊接接头的横向应力、纵向残余应力均沿着初始焊道两侧呈对称分布,且不同坡口接头的纵向残余应力明显大于横向残余应力。研究成果为复合板焊接工艺的制订提供了理论依据,具有工程实际意义。     

换热器管与管板接头焊接残余应力的有限元分析

基于ANSYS平台对换热器伸出管板角接头和平焊接头的焊接残余应力进行数值模拟,获得了焊接接头的残余应力分布.有限元分析结果表明,接管环焊缝的残余应力分布具有局部性的特点,最大等效应力出现在焊根处.本文焊接条件下管接头环焊缝在焊接热影响区位置上径向为压应力,环向为拉应力,这种径向受压,环向受托的应力状态下更容易引起径向裂纹的萌生和扩展.     

转向架构架T形接头单丝、双丝焊接热源模型及应力场数值模拟

为了探究动车组转向架构架T形接头单丝、双丝GMAW焊接温度场及应力场分布特征,基于ABAQUS有限元分析软件,采用数值模拟与实际测量相结合的方式,以转向架侧梁SMA490BW耐候钢T形接头为研究对象,分别建立了单丝及双丝焊的热源模型,模拟了接头的焊接温度场和焊后残余应力场,并通过试验对模拟结果进行了验证.结果表明:单丝焊和双丝焊的焊缝模拟尺寸与测量结果的相对误差均不超过5％.与单丝焊相比,双丝焊的熔池峰值温度提高,熔池在长度方向上被拉长,焊缝厚度明显增大,焊脚尺寸也略有增大,焊后残余拉应力分布范围有所减小,焊缝最高残余拉应力下降8.5％.     

BT20钛合金电子束焊接残余应力三维有限元数值模拟

研究钛合金电子束焊接构件残余应力的大小和分布，了解残余应力的形成机理，具有十分重要的理论和实际意义。作者利用ANSYS程序模拟了BT20钛合金电子束焊态和焊后电子束局部热处理的实际焊接温度场以及焊接接头应力场的变化和残余应力的分布。计算结果表明，钛合金薄板焊缝中心残余拉应力的峰值达到焊缝金属屈服强度σn的60％-70％；焊后电子束局部热处理可以降低焊缝中心处的拉伸残余应力值，降低约50％左右；用所建模型计算得到的数值结果规律与实测的残余应力值基本一致。     

超临界锅炉机组过热器用Super304H钢管道TIG焊接有限元分析

基于ANSYS软件平台,建立了Super304H钢管道TIG焊接的有限元数值分析模型.采用单元生死的热源模式进行加载,获得了焊接温度场分布规律.利用温度-应力间接耦合的方法计算了焊接残余应力场.结果表明:在焊缝及附近区域,管道外表面的环向和轴向残余应力均为压应力,管道内表面为较大的残余拉应力.在焊趾处,管道内表面的环向残余应力最大值约260MPa,轴向残余最大值约230MPa.     

Ti2AlNb合金电子束熔透焊的数值模拟

采用热-弹-塑性有限元计算模拟了Ti2AlNb合金电子束焊的温度场和应力场。为了准确反映熔透型电子束焊接的特点,对旋转高斯曲面体热源模型进行了改进。研究结果表明:采用改进的热源模型能准确地模拟穿透型电子束焊焊缝横截面轮廓;残余应力的模拟结果与实验结果吻合较好,证明了有限元模型的正确性;Ti2AlNb合金电子束焊后残余应力以纵向拉应力为主,且集中分布在距焊缝中心线3 mm的区域内;横向残余应力在表面附近区域呈压应力,内部呈拉应力,表面横向压应力是由焊缝纵向和厚度方向的收缩导致的;焊缝内部出现三向拉应力的状态。     

Fatigue strength improvement of stainless steel using weld toes dressing with low transformation temperature welding wire

In the present study, low transformation temperature welding wire (LTTW), which can induce residual compressive stress around 304L welded joints, has been developed to improve the fatigue performance of welded joints. Procedure of design and chemical composition of weld metal and deposited metal of LTTW are introduced. The microstructure of weld metal of LTTW is composed of low carbon martensite and residual austenite. The residual stress distribution of a single welding bead of LTTW was measured and the result shows that compressive residual stress is generated. In addition, fatigue test was also carried out on no-load cruciform welded joints of 304L stainless steel under three conditions: as welded, 308L dressing and LTTW dressing. The result shows that the fatigue life of LTTW dressing joints (2×10⁶ cycles) is improved by 14–23 times and 3–6 times compared with that of as welded joints and 308L dressing joints.     

数值模拟和实验研究Ti6Al4V合金激光熔透焊接残余应力

采用热-弹塑性三维有限元法研究激光熔透焊接Ti6Al4V合金的残余应力,并采用小孔法测量焊接残余应力以和计算结果进行比较.有限元计算时,建立了以焊缝形貌尺寸为参数的统一锥形热源模型来模拟不同热输入时的焊接温度场,并讨论了边界条件和有限元网格大小的确定.研究结果表明:采用焊缝轮廓尺寸作为热源参数能准确模拟焊缝横截面轮廓;钛合金激光熔透焊接的纵向残余应力分布梯度陡;在焊件表面和内部残余应力分布趋势不同,采用小孔法测量的残余应力分布和计算的焊接件内部残余应力分布相似.     

Suggestion of welding procedure for compressive residual stress induction by using low transformation temperature welding materials

ABSTRACT

To understand the cause of compressive residual stress in welded joints, we analysed by numerical analysis the effect of welding pass sequence using low transformation temperature (LTT) welding materials on residual stress around the weld toe of boxing fillet welded joints. It was determined by numerical analysis that the produced compressive residual stress and the influence of the stiffeners are reduced in the equivalent position of the weld toe in a fillet welded joint because of the influence on the behaviour of the stiffener in the weld being due to residual stress distribution around the weld toe. The residual stress reduction method of extending the length of the welded bead and releasing the weld toe from the stiffener, similar to the concept of discarding a bead to reduce tensile residual stress, was effective in fillet welded joints. Numerical analysis of the relationship between residual stress around the weld toe and width of the weld bead in the bead-on-plate welding model clarified that compressive residual stress can be introduced around the weld toe by having a wide width weld bead. In addition, a fully penetrated welded joint was very effective for causing compressive residual stress around the weld toe.     

V形坡口和K形坡口Q345/SUS304异种钢对接接头残余应力和变形

以ABAQUS软件为平台,开发热-弹-塑性有限元方法模拟了V形坡口和K形坡口Q345/SUS304异种钢多层焊对接接头的温度场、残余应力和焊接变形.同时采用试验的方法测量了接头的残余应力和角变形.计算结果与试验测量结果吻合良好,验证了计算方法的妥当性.数值结果表明,不同坡口Q345/SUS304异种钢接头的Q345母材与焊缝交界处的应力分布均出现不连续性,且SUS304侧的高拉伸残余应力区明显宽于Q345侧;K形坡口开口朝向Q345侧相较于开口朝向SUS304侧的接头,Q345/焊缝交界处附近的峰值应力和高拉伸残余应力区均明显较小.试验和数值结果表明,坡口形式对接头的角变形有明显的影响.     

X80管线钢多道激光-MIG复合焊残余应力分析

采用试验和数值模拟结合的方法对X80管线钢多道激光-MIG复合焊焊接过程的温度场和焊接残余应力场进行了研究,分析了激光功率对复合焊接头的显微组织、温度分布和残余应力分布的影响规律. 结果表明,激光功率增加,熔池最高温度明显上升,焊后冷却速度下降;粗晶热影响区组织中粒状贝氏体、针状铁素体增加,条状贝氏体减少. X80管线钢激光-MIG复合焊接头残余应力水平较高,纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力的拉应力峰值均出现在焊缝区. 激光功率在2.0 ~ 3.5 kW范围时,等效残余应力、纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向残余应力的峰值随着激光功率增加均出现下降趋势. 但激光功率从3.5 kW上升至4.0 kW时,各应力的峰值有所上升.     

钢管混凝土拱桥大管径拱肋环焊缝焊接数值模拟

为了研究大管径拱肋环焊缝焊接接头残余应力分布规律,用ANSYS软件对直径1 400 mm,厚度26 mm的拱肋环焊缝进行了焊接温度场及应力场数值模拟. 分析了焊接过程的温度分布云图及应力分布云图,获取了特征节点的热循环曲线,分析了焊后内外表面各残余应力分布情况及内表面残余应力形成过程. 结果表明,等效残余拉应力峰值出现在钢管内表面焊缝底部. 焊后径向和环向残余应力在内、外表面大部分区域形成压应力,轴向残余应力在内、外表面形成拉-压相间的应力分布,等效残余应力在内、外表面均为拉应力. 残余应力形成过程中,第2 ~ 7层的径向、环向、轴向及等效残余应力曲线与第1层径向、环向、轴向及等效残余应力曲线相比,除在波峰及波谷处有较小变化外,其它区域残余应力几乎不变.     

X80管线钢环焊缝接头残余应力的数值模拟

利用SYSWELD有限元分析软件,以热弹塑性理论为基础,采用双椭球焊接热源模型,对X80管线钢环焊缝接头的焊接温度场和应力场进行了模拟仿真.得到了焊接残余应力的分布规律,即焊缝及近缝区的残余应力值较大,远离焊缝中心残余应力值逐渐减小;由于表面和心部散热条件不同,造成了管道表面和心部的残余应力方向上的差异或数值大小的不同.研究了焊接工艺参数对残余应力的影响规律.结果表明,随着热输入的增大和预热温度的提高残余应力值逐渐降低;为了减小焊接残余应力,应尽量采用较大热输入和较高预热温度进行焊接.     

Q345/316L异种钢焊接残余应力与变形数值模拟

文中基于SYSWELD有限元分析软件对Q345/316L异种钢焊接过程的瞬态温度分布、残余应力及变形进行了数值模拟,并通过试验对其模拟结果进行了验证. 试验测量结果与数值模拟结果吻合良好,证明了利用SYSWELD模拟异种钢焊接的可靠性. 结果表明,异种钢焊接温度场呈不对称分布,Q345侧的高温区域范围更大. 不论是横向残余应力还是纵向残余应力,沿焊缝方向均呈帽状分布且在焊缝中部位置存在最大残余应力;在垂直于焊缝中央截面上,纵向残余应力与横向残余应力在焊缝和焊缝附近区域分布是不连续的,存在较大的应力梯度且应力状态也较复杂,而最大残余应力出现在Q345侧的熔合线处. 不同的热输入下模拟结果表明,在保证焊接接头质量的前提下,最好采用小热输入的焊接工艺.     

固态相变对P91钢激光对接接头残余应力的影响

基于SYSWELD软件,模拟了P91钢激光对接焊时的温度场和焊接残余应力,并探讨了固态相变产生的体积膨胀、屈服强度变化和相变塑性对焊接残余应力的影响. 数值模拟结果表明,体积膨胀和屈服强度变化对焊接残余应力的大小与分布有显著的影响; 相变塑性在相变过程中有"应力松弛"效应,对焊缝和热影响区的纵向和横向残余应力的值有一定程度的影响. 对比数值模拟结果与试验结果可知,采用文中建立的有限元模型计算得到的残余应力与中子法测量得到的结果基本吻合,在考虑相变塑性的情况下,计算结果与实测值吻合更好.