6061铝合金薄板焊接应力与焊接变形

研究了6061铝合金薄板TIG焊焊接应力、焊接变形与焊接电流、焊接电压和板材尺寸的关系.随着焊接线能量的增加,铝合金的纵向和横向收缩变形增加;随着板的长度的增加,由于约束增加,板的纵向残余变形减少,厚度方向的抗弯增大,横向变形增大.板焊后,焊缝处受拉应力,而紧靠焊缝的母材处却受压应力,其余部分受拉应力且焊接线能量越大,残余应力越大.     

TC4钛合金薄板激光焊接变形的有限元模拟

建立了TC4钛合金薄板激光焊接模型,采用有限元方法分析了板宽对焊接残余应力及失稳变形的影响。结果表明:最高纵向残余拉应力出现在焊缝中心两侧的热影响区;随着板度增大,平均残余压应力和临界失稳力降低;沿着焊接方向的钛合金薄板失稳变形程度随板宽的增加而减小,而垂直于焊接方向的失稳变形程度随板宽的增加而增大;当板宽为120mm时,其失稳变形程度呈马鞍形分布,当板宽为320mm时,马鞍形变形分布特征消失;钛合金薄板失稳变形的z向位移试验值与模拟结果的相对误差为8%,证明模拟结果较准确。     

焊接顺序对管道在役焊接温度和应力场的影响

采用三维弹塑性有限元方法对比分析了不同的焊接顺序对天然气管道在役焊接修复过程中的温度场和残余应力场的影响。结果表明,受修复套筒的影响,在第1和第2道焊缝焊接过程中,堆焊工艺的峰值温度、冷却时间和熔池截面尺寸显著大于角焊工艺,而第3道焊的温度场特征基本相同。随着圆周角的增加,沿圆周路径的轴向残余应力逐渐减小,环向残余应力逐渐增大,角焊工艺的残余应力略大于堆焊工艺。两种焊接工艺沿轴向路径的焊接残余应力在焊缝位置迅速由残余压应力转变为残余拉应力。     

焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响

为了得到T形接头焊接顺序的优化方案,在确定合理的焊接热源形式以及建立有限元模型的基础上,利用单元死活技术从多道焊、分段焊与多层焊的角度对焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响进行数值分析.对于多道焊来说,焊接残余拉应力出现在焊缝及其附近区域,且峰值出现在焊缝区域;相邻焊道之间采用首尾相接的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的.对于分段焊来说,采用先焊两端后焊中间的方法不仅可以增加整个焊缝的焊接残余低应力区域;而且可以有效地降低先焊区域的焊接残余应力,降低效果与后焊焊段的焊接方向以及先焊焊段上的点到后焊焊段端部的距离有关.在多层焊的过程中,采用对称施焊的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的.     

核电蒸汽发生器传热管/管板接头传热管内壁的焊接残余应力分布

采用自行搭建的管道内壁残余应力测试平台,通过切割法测得核电蒸汽发生器传热管/管板接头传热管内壁的焊接残余应力,结合有限元模拟,研究了传热管内壁焊接残余应力的分布规律。结果表明:试验测得传热管/管板接头中传热管内壁近焊缝处的轴向和周向残余应力均为拉应力,随着距焊缝中心线距离的增加,残余拉应力减小并变为压应力,在距离焊缝中心线12mm处,残余压应力最大,在距离焊缝中心线21mm处残余应力减小至焊前初始应力;传热管内壁焊接残余应力分布的模拟结果和试验结果基本吻合,该有限元模型可以准确模拟核电蒸汽发生器传热管/管板接头传热管内壁焊接残余应力的分布规律。     

盾构机刀盘牛腿焊接过程的三维仿真

盾构机刀盘上牛腿部位在掘进过程中的焊缝及其周围部位的开裂及断裂直接影响施工效率和成本。在ANSYS有限元软件二次开发环境下建立了盾构机刀盘牛腿焊接三维模型,并采用双椭球热源模型建立了多层多道焊模型。采用"单元生死"技术数值模拟了牛腿焊接过程中的温度场和应力场分布及其变化规律,结果表明焊缝以及焊缝附近区域的应力水平较高,焊缝处的残余应力为较大的拉应力,其中纵向残余应力要远大于横向残余应力,远离焊缝的区域的应力主要由残余压应力组成,该结果为研究盾构机刀盘牛腿部位的焊接工艺提供了理论依据。     

反应堆压力容器内壁环形锻件焊接残余应力三维有限元数值模拟

某新型反应堆压力容器内壁设计了环形锻件与筒体内壁焊接的环形焊接结构。该种结构形式的焊缝首次在反应堆压力容器中出现,无成熟经验可以借鉴。为了了解该种复杂结构形式及大厚度焊缝的焊接残余应力幅值及分布规律,基于ANSYS有限元分析软件,建立了反应堆压力容器内壁环形锻件多层多道焊接三维有限元模型。在此基础上,以带状移动温度热源作为焊接热源模型计算出多层多道焊接的瞬态温度场结果,采用热-力间接耦合法,得到了焊接应力场计算结果。模拟结果表明,焊缝区域环向应力从上表面到下表面分布趋势为拉应力-压应力-拉应力,呈现自平衡的分布形式。根部焊道区域的环向应力为拉应力。焊缝上轴向应力最大为300 MPa左右;焊缝上下表面径向应力较大,达到400～500 MPa左右;峰值等效应力出现在焊缝根部区域,幅值最大约700 MPa。     

P92钢管道对接焊接残余应力数值模拟

为了能系统全面探究P92钢管焊条在焊接变形状态后焊缝内的焊缝热残余应力变化规律和其分布及规律情况,基于三维有限元分析及模拟分析的实验软件Abaqus建立起了实验数据库P92钢焊接模拟仿真模型的数据,研究的实验分析结果与分析模型表明,在钢管焊接变形的状态情况条件下,焊缝应力分布以及钢管焊缝受热温度影响区环向热应变分布和钢管焊缝内轴向应力变化主要体现呈拉应力,在焊缝热影响区出现了拉残余应力分布的最大值。随着距离焊缝中心距离的进一步的增加,焊接过程中拉残余的残余应力值也就逐渐减小。     

Q890D高强钢中厚板焊接接头残余应力的有限元模拟

对厚度为8mm的Q890D高强钢中厚板对接焊接接头中的残余应力进行了有限元模拟,重点分析了接头中残余应力的分布和大小,并采用X射线衍射法和盲孔法进行了试验验证。结果表明:焊接接头中的纵向残余应力在起、收弧位置表现为压应力,中间部分表现为拉应力,拉应力的峰值为823.4MPa;随着距焊缝距离增大,横向残余应力逐渐减小,且表现为拉应力;模拟结果与X射线衍射法的测试结果吻合得较好,误差为17.4%,证明了有限元模型的准确性。     

球罐环焊缝接头残余应力的三维非线性有限元分析

建立了球罐环焊缝焊接温度场和焊接应力应变场三维移动热源有限元分析模型,考虑了材料的热物理性能和力学性能随温度而变化,应用单元生死技术模拟焊接填充过程,模拟计算出移动热源作用下的温度场,以及以温度场为基础的环焊缝接头焊接应力应变场的分布规律:温度场结果表明,由于焊接的热输入和速度不同,以及热源加载体积不相等,每道焊接的最高温度均不相等。应力场的分析结果表明,在球罐内表面的焊缝及近缝区,呈现双向残余拉应力(经向和周向),而在外表面的对应区域,经向残余应力是压应力,周向残余应力为拉应力。     

Inconel 625镍基合金管道焊接残余应力的数值模拟

以Inconel 625镍基合金管道的焊接接头为研究对象,建立了热-力学耦合的三维有限元模型,采用ANSYS软件对该合金管道环焊缝对称焊的残余应力进行了数值模拟,分析了管道外表面轴向和环向残余应力分布,并进行了试验验证;此外,还分析了预热温度对管道残余应力的影响。结果表明:该合金管道焊后外表面轴向与环向残余应力的模拟结果与试验结果在数值和分布趋势上均比较吻合,证明了模型的准确性;在焊缝及近焊缝区的管道外表面形成了轴向压应力和环向拉应力,随着距焊缝中心距离的增加,轴向压应力逐渐变为拉应力,而环向拉应力逐渐转变为压应力,并最终趋向于0;随着预热温度的升高,管道外表面轴向和环向残余应力均降低。     

压路机压轮焊接变形和残余应力的有限元模拟

基于热弹塑性理论,借助有限元分析方法,建立了压路机压轮的有限元模型,模拟了压轮焊后的变形和残余应力分布;采用盲孔法测试了压轮的残余应力,并与模拟结果进行了对比。结果表明:两封口板发生焊后变形呈外凸状,最大变形量为5.732mm;压轮焊后起收弧位置和焊缝位置的残余应力大,应力峰值为416.40 MPa;随着距卷圆板自由边距离的增大,卷圆板直焊缝中心位置的残余应力先增大后减小再增大,残余应力测试值与模拟值较吻合,证明了模拟结果的准确性。     

基于ANSYS仿真的焊缝截面形状研究

为寻求减小焊接过程中产生的残余应力和残余变形的方法,提出采用弧形焊缝截面形状的观点,以大型通用ANSYS有限元仿真软件为平台,与传统V形焊缝截面进行仿真对比,指出采用弧形焊缝截面能够有效地降低残余应力和残余变形,使残余应力分布更为合理,并且能够提高焊接产品的综合力学性能.     

超高强耐磨钢NM500多层多道对接接头残余应力的研究

基于SYSWELD软件平台,以新型NM500钢的多层多道对接接头为研究对象,开发一种考虑固态相变的“热-冶金-力学”耦合计算方法来模拟对接接头的温度场、组织体积百分数以及焊接残余应力。同时,采用光学显微镜观察对接接头的显微组织,采用显微硬度计测量接头硬度分布,以及采用小孔法测量对接接头表面残余应力。数值模拟结果与试验测量结果的比较表明：使用实际焊接热输入模拟得到的对接接头超过冶金熔点以上的温度区域与实际焊接接头熔化区吻合较好;纵向残余应力峰值位于紧邻热影响区的母材上,其值约为1 600 MPa,与母材的常温屈服极限相当;横向残余应力在焊缝厚度方向呈现“拉-压-拉”的分布形态。总体而言,数值模拟得到纵向及横向残余应力的大小及分布与试验测量结果吻合较好,验证了“热-冶金-力学”耦合计算方法的有效性。基于数值模拟结果,探讨了NM500钢多层多道对接接头焊接残余应力的形成机理。     

安全卸压管安全端异种金属焊接残余应力影响因素的研究

焊接残余应力是造成接管安全端异种金属焊缝发生应力腐蚀开裂的重要因素。利用有限元方法,主要研究了安全端长度、焊接约束条件和同种金属焊接对异种金属焊接残余应力的影响。结果表明,安全端较短(w/t=0.5)时,安全端侧采用固定约束有利于减小异种金属焊缝内表面的轴向残余拉应力,经同种金属焊接后,异种金属焊缝内表面的轴向残余拉应力会大幅降低;安全端较长(w/t=4.0)时,异种金属焊缝内表面的轴向残余拉应力对安全端侧的约束条件不敏感,经同种金属焊接后,异种金属焊缝内表面的轴向残余拉应力会增大。     

镁/钛异种金属冷金属过渡焊接头应力场的有限元模拟

利用ABAQUS有限元软件建立了镁/钛异种金属冷金属过渡焊接头的有限元模型,对焊接过程中接头的应力场进行了有限元模拟,分析了不同的焊接参数和约束条件下应力场的变化规律,并对模拟结果进行了试验验证。结果表明:随着焊接过程的进行,焊缝处的横向应力和纵向应力均由压应力向拉应力转变;在焊接接头完全冷却后,镁侧的最大横向残余拉应力值为88MPa,钛侧的为192MPa;在焊接接头完全冷却后,焊缝两侧的纵向残余拉应力峰值基本相等,大约为220MPa,钛侧的纵向残余压应力值较大,最大值为265 MPa;采用耦合约束后,模拟得到的残余应力值与试验测试结果更接近。     

钛合金大厚度试件电子束焊接残余应力有限元分析

基于热弹塑性有限元理论,建立了钛合金大厚度试件电子束移动热源的焊接残余应力三维数值分析模型,分析研究了厚度为75 mm的TC4电子束焊接试件残余应力分布规律。计算结果表明,大厚度电子束焊接试件在焊缝及其附近宽度约40 mm的范围内存在极其复杂残余应力,试件表面的焊缝及其附近20 mm左右的区域存在着对结构强度有利的横向残余压应力,但试件内部残余应力水平要高于表面的残余应力,尤其是在距起始和收尾端10mm及约1/4厚度处的区域,存在着三向的残余拉应力,且数值较高,对钛合金平板电子束焊接接头力学性能将具有重要影响,应引起足够的重视。钛合金平板电子束焊接残余应力的计算结果与实测结果基本一致。     

热源偏移对钢/铝异种材料等离子弧焊接接头温度场和残余应力的影响

采用有限元模拟方法研究了热源偏离钢铝界面的距离(热源偏移距离)对钢/铝异种材料等离子弧焊接接头温度场和残余应力的影响,并进行了试验验证。结果表明:钢/铝异种材料焊接接头温度场呈非对称分布,钢侧温度梯度小于铝侧的;随着热源偏移距离的增加,接头钢侧温度升高、熔宽增大,铝侧则相反;接头铝侧残余应力主要为拉应力,钢侧近界面处的残余拉应力随着热源偏移距离的增大而减小,最后变为压应力,远离界面处的残余应力主要为压应力;实测残余应力与模拟结果的相对误差小于8%,且残余应力状态与模拟结果相符。     

基于电子束焊接的TC4钛合金叶片焊缝表面强化研究

航空发动机叶片的整体性能极大地影响着飞机的安全稳定运行。针对某型航空发动机TC4钛合金叶片采用电子束焊接后,服役期内在焊缝处常出现疲劳裂纹而导致叶片失效的现象,采用X射线衍射法,结合有限元仿真分析结果,研究分析钛合金叶片焊缝及周围区域的残余应力分布状况,探索分析强化前、后残余应力变化情况。根据实验结果,焊接后焊缝及周围区域表面呈现拉应力,且垂直焊缝方向应力值在+36 MPa左右;强化后,叶片表面呈现出较大且较为均匀的压应力,应力值为-200 MPa左右。同时,有限元仿真结果表明经过表面强化后,叶片表面由拉应力转变为压应力,应力状态得到明显改善,进而提高了叶片疲劳性能,为航空发动机叶片表面抗疲劳制造提供了理论依据和技术参考。     

铝-钢异种金属CMT焊接接头应力场的数值模拟

利用ABAQUS有限元软件对铝-钢异种金属冷金属过渡(CMT)焊接过程中焊接接头应力分布进行了数值模拟,分析了应力分布的变化规律,并进行了试验验证。结果表明:不同焊接时间下,焊接接头在钢板和铝合金板侧的von Mises应力分布不对称,其中铝合金板侧承受的应力较钢板侧的小;在焊接过程中,近焊缝处的纵向应力由压应力转变为拉应力,横向应力在焊初始阶段为拉应力,随后变为压应力,再转变为拉应力;在铝合金板侧和钢板侧热影响区的纵向残余拉应力最大,分别为125,208 MPa,位于铝合金板侧和钢板侧的横向残余压应力峰值几乎相同,约为80 MPa;残余应力分布模拟结果与试验结果的拟合优度为0.75,证明了模拟结果的准确性。