X70管线钢厚板多层多道焊残余应力数值分析

基于逐层激活建模方式实现对多层多道焊接过程中焊缝金属填充的模拟,分别以半椭球体电弧热源模型和均匀柱体分布的熔滴热源模型为热源模型,建立了不等厚X70管线钢板多层多道焊接有限元计算模型,数值计算并分析了焊接过程中温度场和应力场演变、焊后残余应力状态。结果表明,经过多次焊接热循环后先形成的焊缝的应力状态与母材中焊接热影响区的应力状态接近;接头焊根处的残余应力要比盖面焊趾处的残余应力高,根焊两侧焊根的残余应力大小未受两侧板厚的差异影响,数值均达到468 MPa,焊缝焊趾与焊根处残余应力均低于母材屈服强度。计算结果与试验结果吻合良好,证明了模型的可靠性和准确性。     

616装甲钢厚板结构件多层多道焊数值模拟及试验验证

考虑施加约束条件对焊后变形及残余应力的影响,建立616装甲钢厚板结构件多层多道焊有限元模型. 利用Sysweld软件对616装甲钢厚板结构件多层多道焊焊缝截面尺寸、焊后残余应力进行了模拟计算,计算结果与试验结果吻合较好,证明了模型的准确性. 对616装甲钢厚板结构件多层多道焊特征点热循环变化趋势、焊后变形情况进行了数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好. 结果表明,距离熔合线越远,峰值温度越低,达到峰值的时刻越滞后,受热程度越低. 焊缝两侧、起弧端、收弧端是发生残余形变的主要区域,是高应力值的集中区.     

P91钢多层多道同质补焊残余应力的数值模拟

基于热弹塑性力学理论,建立考虑固态相变的P91钢多层多道同质补焊残余应力的三维有限元模型。采用双椭球热源模型描述焊条电弧焊的热流密度分布。基于所建模型,通过SYSWELD有限元分析软件对P91钢多层多道补焊的温度场、组织分布及焊后残余应力进行了模拟计算,研究其分布特征。研究结果表明,固态相变能够使得横向应力在末道焊缝处表现为较为明显的压应力,压应力数值为-93 MPa。纵向应力在近表面表现拉应力、压应力交错分布的特征,末道焊缝的纵向压应力数值较大,应力值为-155 MPa。     

未熔合对厚板多层多道焊残余应力影响的数值模拟

基于逐层激活建模方式实现对多层多道焊的模拟,采用混合热源模型建立了不等厚X70管线钢板多层多道焊接有限元计算模型,模拟并分析了焊接过程温度场、应力场的演变。此外,在模型中引入了未熔合缺陷,并通过等效处理实际管道运行载荷情况,重点模拟并分析了未熔合缺陷对焊后残余应力分布和X70管道运行安全状态的影响。结果表明,补焊焊缝未熔合缺陷未导致焊后残余应力的明显增加,未熔合处最大等效应力470 MPa,未超过X70管线钢母材屈服强度。等效工况下未熔合处最高等效应力达到592 MPa,补焊焊缝的两侧焊趾处存在两处条状高应力区域,等效应力超过550 MPa,均超过母材屈服强度,但未达到抗拉强度。计算结果与试验结果吻合良好,证明了模型的可靠性和准确性。     

网格畸变处理技术在不锈钢多层焊应力模拟的应用

通过对304 L不锈钢多层焊焊接工艺研究,利用ABAQUS有限元软件,采用热—力顺序耦合分析方法进行多层焊应力场的有限元数值计算. 奥氏体不锈钢焊接性使得焊缝金属在模拟焊接过程中出现大变形导致计算网格发生畸变,计算中止. 采用了“追踪单元”技术和网格重划分技术对应力场计算中网格畸变问题进行解决. 将数值模拟结果与实际应力测量结果进行对比. 结果表明,采用上述方法能够得到较准确的焊接残余应力结果.     

超细晶Q460钢多层多道焊接头残余应力的数值模拟

依据热弹塑性理论,建立了超细晶Q460钢多层多道焊三维热力学有限元模型.利用ANSYS有限元分析软件对超细晶钢多层多道焊接头残余应力场进行了模拟计算,并对其分布特征进行了分析.结果表明,焊接过程中每层焊缝表面的纵向应力峰值逐渐减小.焊接结束后,焊缝及其近缝区域表现出较高的纵向残余拉应力,应力峰值与材料屈服强度相近.焊根处横向残余拉应力明显较高,但应力峰值小于屈服强度.Von-mises等效应力在起弧及熄弧端较大,达到屈服强度,其余位置均小于屈服强度.     

基于ABAQUS有限元计算的Al-Mg-Zn铝合金多层焊残余应力预测

针对7系(Al-Mg-Zn)铝合金在不同拘束下三层四道焊的残余应力分析,采用顺序耦合的热弹塑性有限元方法对温度场与不同拘束下的应力场进行了数值计算,并用X-ray残余应力测试仪对实际焊板的纵向残余应力进行了测试。结果表明:应力集中位置位于试板受到约束的位置与焊缝附近,采用实际约束的应力模拟结果与残余应力测量结果基本一致。通过数值模拟计算得出,与两端固定的焊接拘束相比,实际焊接试验的工装约束会产生更高的残余应力水平,而自由拘束条件下的残余应力模拟结果最小。     

铝合金多层多道窄间隙TIG焊接头应力场研究

以厚板结构件的焊接及车体焊接的维修为背景,针对7A52铝合金的多层多道焊接力学计算进行研究,采用窄间隙TIG焊方法,通过试验设置合理的工艺参数,建立了厚板铝合金焊接数值模拟的有限元模型,探讨了焊接接头残余应力场的分布规律,并用小孔法对数值法计算的残余应力做了验证。结果表明,对于横向焊接残余应力,焊缝区中部为拉应力,两端为应力值较小的压应力;对于纵向焊接残余应力,以焊缝为中心形成拉应力区。窄间隙TIG焊接头背面焊缝横向与纵向应力均为拉应力。数值法计算的结果与小孔法实测结果无明显差异,计算结果准确可靠。     

壳单元应用于薄板多道焊焊接数值模拟的方法探讨

针对目前薄板焊接残余应力有限元数值模拟中效率不高的情况,采用基于薄壳和复合层理论的壳单元来取代3D实体单元进行薄板多道焊数值模拟以预测残余应力方法的尝试,通过使用定义壳单元截面材料点数鼍来表征薄板厚度,在热分析中依靠解析方法得到温度分布,使用ABAQUS及多个用户子程序来完成力场残余应力分析的实现,通过与传统的3D单元模型计算薄板多道焊模拟的结果分析可知,采用复合层壳单元进行较为复杂的薄板焊接模拟效率相对较高,而精确度并没有下降.     

船用中厚板EH36多层多道焊接的残余应力研究

为探索EH36焊接区域的应力场分布机理,基于热弹塑性理论和热-结构耦合方法,考虑焊接温度场对残余应力场的影响,对船用高强度钢EH36多道焊进行了数值计算和试验验证。结果表明:焊接冷却时,焊缝区域受到拉伸应力而产生纵向最大拉应力为364 MPa,并很快过渡到压应力;焊缝两端承受的横向最大压应力为320 MPa,中间拉应力变化幅值少于20 MPa;通过X射线衍射测量焊件表面残余应力,测量结果与模拟结果吻合,说明上述分析方法对于EH36焊接工艺设计优化具有较好的指导作用。     

考虑金属逐步填充的多道焊温度场数值模拟

采用“单元死活”有限元技术自行编制了控制焊接过程金属填充的子程序,利用Marc有限元软件以低碳钢为例进行了三维多道焊温度场的数值模拟。实现了模拟过程中焊接材料的逐步填充,温度场计算结果与试验测量值十分吻合。将计算结果与未考虑材料逐步填充的多道焊计算结果进行了比较。结果表明,是否考虑金属逐步填充对多道焊计算结果影响很大,在多道焊次数较多时不可忽略。为更准确的多道焊应力分析打下了基础。     

16Mn特厚钢板多道焊温度场数值模拟

为了研究特厚板多层多道焊温度场分布,对两块板厚60 mm的16Mn特厚钢板的焊接过程进行了数值模拟和实验研究。利用ANSYS有限元软件和分布式计算方法,采用"生死单元"技术实现了模拟过程中焊接材料的逐步填充,对特厚钢板的对接多道焊过程进行三维瞬态温度场数值模拟。同时采用埋弧自动焊对16Mn特厚钢板进行了17道焊接,焊接工艺参数与计算参数相同,焊接过程采用热电偶测量温度场,并与计算值相比较,结果表明:分布式计算方法可以有效缩短计算时间,且计算值与实验测量值吻合良好,成功实现了60 mm特厚板多层多道焊的温度场数值模拟。     

Numerical Simulation and Experimental Investigation of Residual Stresses and Distortions in Pulsed Laser Welding of Hastelloy C-276 Thin Sheets

为了揭示0.5 mm厚度Hastelloy C-276薄板脉冲激光拘束焊接的热力学行为,借助ANSYS软件建立了三维有限元模型。实验测量了焊接温度历程和残余变形,验证了所建立有限元模型的可靠性。基于该有限元模型,采用改变夹具拘束条件的方法,进一步研究了拘束距离对Hastelloy C-276薄板焊接瞬态应力和塑性应变、残余应力及变形的影响规律。结果表明,温度历程和残余变形的模拟结果与实验结果吻合较好;拘束距离对瞬态塑性应变的大小有显著影响,进而改变了残余应力及变形的分布和大小。随着夹具拘束距离从20 mm减小到4 mm,除了纵向残余拉伸应力外,横向残余拉伸应力和位移的峰值以及角变形的大小都呈减小的趋势。相对较小的拘束距离可以作为抑制横向残余拉伸应力和角变形的高效低成本方法,但对纵向残余拉伸应力有不利影响。     

Q345/SUS304异种钢对接接头残余应力和变形的分析

以ABAQUS软件为平台,开发了热-弹-塑性有限元计算方法用于模拟Q345/SUS304异种钢多层多道焊对接接头的温度场、残余应力和焊接变形. 同时,采用试验方法测量了焊接接头的残余应力、横向收缩和角变形. 计算得到的残余应力、横向收缩和角变形与实测值吻合良好,验证了计算方法的妥当性. 结果表明,Q345母材与焊缝交界处的应力分布有明显的不连续性,靠近交界处Q345侧的较窄范围内纵向拉伸应力明显低于该区的两侧;SUS304侧的高纵向拉伸应力区明显宽于Q345侧. 此外,试验和数值分析表明,Q345/SUS304异质接头有较明显的角变形.     

Influence of Multi-Thermal Cycle and Constraint Condition on Residual Stress in P92 Steel WeldmentEI北大核心CSCD

P92 steel is a typical 9%similar to 12% Cr ferrite heat-resistant steel with good high temperature creep resistance, relatively low linear expansion coefficient and excellent corrosion resistance, so it is one of important structural materials used in supercritical thermal power plants. Fusion welding technology has been widely used to assemble the parts in thermal power plant. When the supercritical unit is in service, its parts are constantly subjected to combination of tensile, bending, twisting and impact loads under high temperature and high pressure, and many problems such as creep, fatigue and brittle fracture often occur. It has been recognized that welding residual stress has a significant impact on creep, fatigue and brittle fracture, so it is necessary to study the residual stress of P92 steel welded joints. The evolution and formation mechanism of welding residual stress in P92 steel joints under multiple thermal cycles were investigated in this work. Based on SYSWELD software, a computational approach considering the couplings among thermal, microstructure and mechanics was developed to simulate welding residual stress in P92 steel joints. Using the developed computational tool, the evolution of residual stress in Satoh test specimens was studied, and welding residual stress distribution in double-pass welded joints was calculated. In the numerical models, the influences of volume change, yield strength variation and plasticity induced by phase transformation on welding residual stress were taken into account in details. Meanwhile, the hole-drilling method and XRD method were employed to measure the residual stress distribution in the double-pass welded joints. The simulated results match the experimental measurements well, and the comparison between measurements and predictions suggests that the computational approach developed by the current study can more accurately predict welding residual stress in multi-pass P92 steel joints. The simulated results show that the longitudinal residual stress distribution around the fusion zone has a clear tension-compression pattern. Compressive longitudinal residual stresses generated in the fusion zone and heat affected-zone (HAZ) in each pass, while tensile stresses produced near the HAZs. In addition, the numerical simulation also suggests that the transverse constraint has a large influence on the transverse residual stress, while it has an insignificant effect on the longitudinal residual stress.     

Q345钢对接接头残余应力与变形的预测

以ABAQUS软件为平台,开发了用于模拟多层多道焊接头温度场、残余应力和焊接变形的热-弹-塑性有限元计算方法. 利用所开发的计算方法对板厚为16 mm的Q345钢平板对接接头的温度场、应力场和变形进行了数值模拟. 采用试验方法测量了对接接头的残余应力和角变形. 试验结果与数值结果比较吻合,验证了所开发方法的有效性. 结果表明,在板厚相同的条件下角变形和横向收缩随着焊接层数的增多有增大的趋势;焊缝附近的纵向拉伸应力区域分布范围随焊接层数的增加略有减小;焊接层数对纵向残余应力的峰值影响较小.     

Influence of Material Model on Prediction Accuracy of Welding Residual Stress in an Austenitic Stainless Steel Multi-pass Butt-Welded Joint

Both experimental method and numerical simulation technology were employed to investigate welding residual stress distribution in a SUS304 steel multi-pass butt-welded joint in the current study. The main objective is to clarify the influence of strain hardening model and the yield strength of weld metal on prediction accuracy of welding residual stress. In the experiment, a SUS304 steel butt-welded joint with 17 passes was fabricated, and the welding residual stresses on both the upper and bottom surfaces of the middle cross section were measured. Meanwhile, based on ABAQUS Code, an advanced computational approach considering different plastic models as well as annealing effect was developed to simulate welding residual stress. In the simulations, the perfect plastic model, the isotropic strain hardening model, the kinematic strain hardening model and the mixed isotropic-kinematic strain hardening model were employed to calculate the welding residual stress distributions in the multi-pass butt-welded joint. In all plastic models with the consideration of strain hardening, the annealing effect was also taken into account. In addition, the influence of the yield strength of weld metal on the simulation result of residual stress was also investigated numerically. The conclusions drawn by this work will be helpful in predicting welding residual stresses of austenitic stainless steel welded structures used in nuclear power plants.     

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.     

AH36薄板不同焊接工艺下应力的三维数值模拟

通过建立三维有限元模型,对不同焊接条件下6 mm厚AH36钢薄板焊接残余应力峰值和分布进行了数值计算和试验研究.结果表明,在冷却方式相同的情况下,焊接应力峰值与热输入相关,采用混合焊方法的试样应力较大;在焊接方法相同的情况下,不同冷却方式的纵向焊接应力分布规律不同.与常规焊相比随焊激冷改善了焊接残余应力场分布,尤其是降低了残余拉应力峰值.为验证有限元模拟结果的准确性,采用相同参数进行焊接试验,试验结果与数值模拟结果基本一致,表明采用三维有限元模拟技术可以掌握不同焊接条件下焊接应力演变规律,为控制焊接残余应力提供了依据.     

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.