坡口形式对Q345/SUS304异种钢对接接头残余应力和变形的影响

近年来,异种钢焊接接头在工业应用上越来越广泛。在焊接中、厚板的异种钢接头时,为了获得全焊透接头通常需要在工件上准备坡口。由于坡口处需要填充焊缝金属,因此不同的坡口要采用不同的热输入和焊道布置。理论上而言,不同热输入和焊道布置对焊接残余应力与变形会有影响。采用数值模拟与试验手段相结合的方法研究坡口形式对Q345与SUS304异材对接接头的残余应力与变形的影响。以有限元软件ABAQUS为平台,开发热-弹-塑性有限元数值计算方法来模拟板厚为10 mm的V形和X形坡口Q345/SUS304异种钢平板多道焊对接接头的温度场、应力场和焊接变形。采用盲孔法测量V形坡口接头表面的焊接残余应力;分别采用游标卡尺和三坐标仪测量V形和X形坡口接头的横向收缩和角变形。通过比较可知,不论是焊接残余应力还是焊接变形,计算结果与试验结果都吻合较好,验证了计算方法的有效性。研究结果表明,在Q345母材与焊缝交界处的应力分布均出现不连续的现象,而且接头中SUS304侧的高拉伸残余应力区域明显宽于Q345侧。数值结果表明,坡口形式对纵向残余应力的峰值影响较小,而对横向残余应力的峰值有一定影响。试验和数值模拟结果显示V形坡口接头的横向收缩和角变形明显大于X形坡口接头的值。     

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.     

胶焊接头的三维弹塑性应力分析

采用三维弹塑性有限元方法,数值分析了胶焊搭接接头的应力分布,并与点焊接头、胶接接头的应力分布情况相比较。结果表明,胶焊接头搭接区中应力分布均匀,其焊点内部不存在点焊接头焊点中所具有的高应力,消除了点焊接头中焊点边缘处的应力集中。胶焊接头的应力分布特征与胶接接头十分相似。由应力分析预测的接头强度与已有的试验结果一致。     

场桥轨道焊接接头形式对焊接残余应力的影响

针对轨道焊接接头容易产生疲劳裂纹问题,利用Abaqus有限元分析软件分别模拟计算了横角焊、船型焊焊接残余应力,并以此研究了轨道焊接疲劳性。从分析结果可以看出,一道船型焊时,其应力集中最小,而采用横角一道焊时,应力集中最大,易从轨道侧焊趾位置开裂,与现场裂纹位置相吻合。     

反应堆压力容器J形坡口焊接接头区控制棒驱动机构管座裂纹的应力强度因子

利用热弹塑性有限元法计算研究核反应压力容器控制棒驱动机构(Control rod drive mechanism,CRDM)管座中心J形坡口接头中焊接残余应力的分布规律,并将焊接残余应力场导入到含裂纹的三维CRDM管座接头模型中,直接计算得到焊接残余应力与工作内压和温度载荷偶合作用下的裂纹前沿等效应力强度因子Keq的分布规律。计算结果表明:焊后CRDM管座接头区中的环向残余应力远高于轴向残余应力;受焊接残余应力分布的影响,裂纹前沿Keq的最大值并非出现在裂纹前沿最深处,而是出现在裂纹下半部分靠近焊缝处;裂纹深度比a/δ的增加所引起的Keq的增加远大于裂纹长度2c的增加所引起的Keq增加。接头区的裂纹在其前沿实际Keq分布的控制下将以自然形态扩展,而并非以目前标准规范中假设的半椭圆形态扩展。为进行准确的裂纹扩展分析和安全评价,需要基于详细的有限元计算,给出考虑焊接残余应力影响下的裂纹前沿Keq的分布。     

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。     

特厚板多层多道焊的Marc有限元模拟

厚板焊接残余应力场的影响因素众多,变化复杂,其应力分布模型的研究是此领域的难点之一,有关的试验样本尚不多见。以两块100 mm的厚板焊接为研究对象,试验模型材质为A105钢,采用埋弧焊,进行多道焊接。采用试验测量和MSC.Marc有限元模拟相结合的方法,对100 mm特厚板多层多道焊的残余应力进行对比分析研究,给出上表面横向残余应力和纵向残余应力以及厚度方向残余应力的分布曲线。有限元计算结果与试验测量结果吻合较好,证明该有限元模型的合理性。特别地,厚度方向残余应力可以通过有限元模型计算得出,解决了实际工程中厚板内部应力难得出的问题,为进一步研究特厚板焊接残余应力提供参考依据。     

P92钢多层多道焊接接头残余应力的有限元模拟

采用考虑固态相变的热-冶金-力学耦合有限元模拟方法,使用SYSWELD软件研究了P92钢多层多道焊接接头的温度场及残余应力场;观察了接头截面形貌,采用盲孔法测试了残余应力,并对模拟结果进行了验证;采用该有限元模拟方法分析了焊接过程中残余应力的变化。结果表明:模拟得到的接头截面峰值温度分布形状与试验得到的接头截面形貌相吻合,说明有限元模拟可以较好地还原实际焊接过程中的热输入情况;模拟得到的接头残余应力沿焊缝中心呈对称分布,与试验结果吻合较好,说明该有限元模拟方法可以准确地预测P92钢多层多道焊接接头的残余应力;在多层多道焊接过程中焊缝及热影响区的部分金属在经历后续热循环时发生软化,导致残余应力消失,并在冷却阶段发生残余应力的重新分配。     

对超声波冲击技术改善焊接接头疲劳性能的探究

超声波冲击技术是一种改善焊接接头残余应力的新方法,可以将焊缝及其焊趾区的残余拉应力转变为有利于提高疲劳性能的残余压应力,改善焊接接头的应力场分布,从而有效改善焊接接头的疲劳性能。     

超声冲击处理改善22SiMn2TiB钢焊接接头的疲劳性能

研究超声冲击处理(Ultrasonic impact treatment,UIT)对22SiMn2TiB钢焊接头疲劳性能的作用。疲劳试验用焊态和UIT样品,X射线衍射应力测定仪测试焊态和UIT样品残余应力分布,扫描电镜(Scanning eletron microscopy,SEM)对疲劳样品断口形貌进行分析,确定了裂纹形核机制。结果表明超声冲击处理可以提高22SiMn2TiB钢焊接头疲劳寿命。对于焊接接头,UIT改变了裂纹形核机制,从焊趾处的表面形核演变为次表面形核。UIT处理消除了焊趾处微缺陷,并引入残余压应力,限制焊趾表面起裂,导致焊接接头更长的疲劳寿命。     

反应堆压力容器内环形件焊接过程数值分析

针对反应堆压力容器内环形件的焊接过程进行了有限元计算,分析了结构焊后残余应力分布。与三维模型计算结果比较,发现二维轴对称模型可以很好地反映残余应力分布情况,且大大提高计算效率。在此基础上讨论了焊道集中方法以及焊接顺序对结果的影响,结果表明计算时采用焊道集中方法可以兼顾计算效率和计算精度,非对称坡口形式进行3次焊接时的残余应力水平较低。这些结论为反应堆的设计制造提供了参考。     

焊接参数对T92/S30432异种钢焊接接头室温力学性能的影响

研究了焊接工艺参数对T92/S30432异种钢焊接接头室温力学性能的影响,并获得了最佳的焊接工艺。结果表明:层间温度、焊接层数、焊丝类型和焊接接头坡口角度对接头强度的影响不大;但低层间温度和多层多道焊可以提高T92钢侧热影响区的韧性;与ERNiCr-3焊丝相比,ERNiCrMo-3焊丝填充的接头T92钢侧热影响区具有较高含量的铁素体,从而使其冲击功下降;焊接接头冲击韧性随坡口角度增大而先增大后减小,并在35°时达到最高;焊后热处理温度为760℃时接头具有最高的强度和韧性;T92/S30432异种钢较佳的焊接工艺是采用ERNiCr-3焊丝和较低层间温度,并严格控制焊层厚度且采用温度为760℃的焊后热处理。     

搅拌摩擦焊和钨极氩弧焊焊接接头的残余应力

利用X射线衍射法测量了铝合金搅拌摩擦焊和钨极氩弧焊(TIG)焊接接头表面的残余应力分布.结果表明:两种接头在焊缝区及其周围的残余应力存在着明显的变化,在平行于焊缝方向,应力呈"W"型的分布,焊缝外残余应力值迅速下降;钨极氩弧焊焊接接头残余应力的最大值位于热影响区;在热影响区,搅拌摩擦焊接接头残余应力平均值比TIG焊接接头的约低15%～25%.     

不同有限元软件对Q390钢厚板T型接头焊接残余应力和变形预测精度与计算效率的比较

以Q390高强钢厚板多层多道焊T型接头为研究对象,分别基于ABAQUS、MARC和SYSWELD三款不同的有限元软件平台,开发"热-弹-塑性有限元方法"模拟接头的焊接温度场、残余应力与焊接变形。采用理论方法检验三种数值模拟软件在计算焊接温度场时的热量损失情况。结果表明,通过ABAQUS软件进行多层多道焊温度场的计算时,在后续焊道单元的添加和激活过程中,会造成热量的损失,对此提出了相应的解决方案;另外两个软件对焊接温度场的计算不存在热量损失问题。同时,采用试验方法实测接头的焊接残余应力和焊接变形。通过对比数值模拟结果与试验结果可知,三种不同的数值模拟软件对焊接残余应力都有较高的预测精度。对于焊接变形,ABAQUS的预测精度最高,然而计算时间最长;MARC次之,与ABAQUS相比计算效率提高了55%;SYSWELD对多层多道焊焊接变形的预测精度相对较差,但其计算效率最高,与ABAQUS相比效率提高了66%。为充分利用各个软件的优势进行焊接数值模拟的研究提供了较好的借鉴和参考价值。     

焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响研究

明确焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响对于保证焊接质量以及焊件的加工效率具有重要意义。本文主要探讨了焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响,在具体分析中主要从分段焊、多道焊、多层焊对T形接头焊接残余应力场的影响等方面进行分析。     

基于ABAQUS液氨储罐管座角接头应力计算

液氨储罐排污门管座角接头由于制造中采用未开坡口单面焊结构,使用中出现开裂失效。采用有限元软件ABAQUS对3种类型的管座角接头进行了应力计算,并与实际开裂情况进行了比较。研究结果表明：开坡口全焊透的角接头筒体内壁所受应力最小,未开坡口双面焊角接头应力中等,未开坡口单面焊角接头开孔处简体内壁所受应力最大,与液氨储罐排污门管座角接头开裂情况一致。在重要场合要避免使用未开坡口的单面焊接的管座角接头结构。     

厚板窄间隙多道埋弧焊温度和残余应力分布

通过有限元数值模拟的方法,分析厚板窄间隙埋弧焊的温度分布,同时给出了厚板上、下表面和厚度方向上的残余应力分布曲线.通过热电偶构成的温度测量系统测得试板特定点上的温度分布,且在焊接完成冷却一段时间后利用盲孔法测量了试板上、下表面特定点上残余应力大小.有限元计算结果和试验测量结果吻合较好,证明了该有限元模型的合理性,为评价焊接接头性能提供了参考.特别是,在厚度方向上不便测量的残余应力分布曲线可以通过有限元数值模拟的方法获得,为实际考查厚板内部残余应力分布提供依据.对于两者结果有较大偏差的地方,分析该偏差出现的原因.     

对接接头应力集中系数的有限元分析

用有限元的方法计算对接接头焊趾部位的应力集中系数,分析计算了焊趾倾角和焊趾过渡圆弧对应力集中系数的影响。结果表明,通过减小焊趾倾角或者增大过渡圆弧半径可以有效的缓和接头的应力集中。而焊趾过渡圆弧的引入从力学和焊接冶金两方面提高了接头的抗裂性能。同时也指出了双侧都有加强高的对接接头比单侧有加强高的接头有较大的应力集中系数。     

聚乙烯燃气管道电熔接头熔区应力分析

电熔焊接是聚乙烯管道最常用的连接方法之一,电熔接头的设计对管道系统安全至关重要。电熔接头焊接界面应力分布的准确分析是电熔接头设计的基础。采用理论公式推导和有限元分析相结合的方法,研究电熔接头在内压、轴向力和温度变化作用下的应力分布情况,发现接头焊接界面应力分布呈现中间小、两边大的规律。定义端部应力集中系数为界面峰值应力与平均应力的比值,分析得到应力集中系数随熔区长度的关系,结果可为基于内压与轴向力的电熔接头熔区设计提供理论参考。     

SUS310S不锈钢局部真空电子束焊接接头残余应力及变形研究

作为一种新型焊接方法,局部真空电子束焊接常被用于制造厚大的奥氏体不锈钢焊接接头,而该类接头的焊接残余应力和变形问题受到广泛关注。对板厚40mm的SUS310S不锈钢局部真空电子束焊接的对接接头进行了研究,并利用光学显微镜表征接头的组织形貌,利用显微硬度计测量接头的硬度分布,采用盲孔法装置和三坐标测量仪测量了接头的残余应力与面外变形。同时,基于ABAQUS有限元软件平台,通过编写用户子程序开发了一种复合热源模型来模拟局部真空电子束焊接过程中的热输入。采用所开发的"热-弹-塑性有限元"计算方法,模拟了接头在局部真空电子束焊条件下的残余应力与变形,模拟结果与试验结果吻合良好,验证了所开发的"热-弹-塑性有限元方法"的有效性。同时基于数值模拟结果,还详细讨论了局部真空电子束焊厚板对接接头的残余应力分布与焊接变形特征。