热焊工艺对焊接残余应力影响的数值模拟

运用有限元分析软件ANSYS,对25钢对接接头分别在20、200、400、600和800℃的热焊工艺条件下进行焊接残余应力场的数值模拟.通过单元生死技术模拟焊缝的填充过程,得到了其对接接头试板分别在该五种热焊工艺条件下焊接残余应力的大小及分布,并对计算结果进行了分析.结果表明:热焊工艺的加热温度越高,焊后产生的残余应力越小;残余应力降低的幅度在加热温度为400和600℃较明显.     

IN738高温合金焊后热处理残余应力数值模拟

采用三维有限元分析方法,对IN738高温合金激光焊接及热处理后的残余应力场进行数值模拟分析,研究了不同热处理方式对残余应力的影响。分析结果表明,IN738高温合金激光焊接完成后,热影响区残余应力最高,达到1040 MPa,超过了IN738合金室温时的屈服强度;焊件经900℃×15 h时效处理后,热影响区残余应力较焊接态降低了31%;经1120℃×2 h固溶和900℃×15 h时效处理后,热影响区残余应力较焊接态降低了49%,远低于IN738合金室温时的屈服强度。焊后采用固溶时效处理可以有效降低焊接残余应力。     

过载拉伸消除不锈钢焊接残余应力的数值分析

用试验与数值模拟相结合的方式对过载法消除残余应力做了定量分析.采用SYSWELD软件对多层焊进行焊接模拟,得到焊接后残余应力场,将其导入Nastran软件,再进行过载拉伸模拟,研究其残余应力的变化规律.结果表明,随着过载拉伸作用的逐步增大,焊接残余应力峰值大幅降低,且焊接残余应力分布更加均匀,但是超过一定数值以后,残余应力消除的效果逐步减弱.计算结果与X射线测量结果趋势吻合,表明该数值方法是可行的.研究方法和研究结果对焊接残余应力消除提供参考.     

高温焊接对1.25Cr0.5Mo焊接构件疲劳寿命的影响

选取不同的温度(550,650,750,850℃)对1.25Cr0.5Mo钢进行高温焊接,在高温焊接及常温焊接后对焊件进行残余应力测试和疲劳试验.结果表明,550,650,750,850℃高温下焊接的试件,其焊缝热影响区的残余应力最大值(纵向、横向)比常温下焊接焊缝热影响区残余应力最大值(纵向、横向)都显著降低:纵向和横向降低幅度分为50.1%,48.9%;74.8%,67.4%;83.9%,79.4%;91%,89.7%.高温焊接试件的疲劳寿命的平均值比常温下焊接试件疲劳寿命的平均值分别提高31.02%,38.84%,47.23%和62.28%.结果表明,高温焊接能明显降低焊件的残余应力和提高焊件的疲劳寿命.     

16MnR斜Y型坡口焊接裂纹试验残余应力数值模拟

利用ANSYS有限元分析软件对16MnR钢斜Y形坡口焊接裂纹试验的焊接温度场和应力场进行数值模拟,得到了焊接残余应力的分布规律.由于焊缝表面、中部和根部散热条件不同,造成了焊缝表面、中部和根部残余应力分布的差异.即在三维残余应力场中,纵向残余应力较大,且横向残余应力峰值出现在“直坡口侧”焊缝根部的热影响区.研究了预热温度对横向残余应力的影响规律.结果表明,随着预热温度的提高横向残余应力峰值和应力梯度降低,从而有助于减小冷裂纹倾向.     

X80管线钢三丝埋弧焊纵向残余应力数值模拟

基于ANSYS软件建立了X80管线钢(Nb-Mo系)三丝埋弧焊的三维热力耦合数值模型。研究三丝埋弧焊接头温度与焊后纵向残余应力的分布情况,以及焊接工艺参数(焊接速度、焊丝间距)对三丝埋弧焊接头应力场分布的影响。计算结果表明:焊接是一个温度急剧变化的过程,温度的分布不均匀是导致残余应力出现的主要原因。焊后最高纵向残余应力存在于焊缝区,在边界处纵向残余应力趋于0。增大焊接速度或焊丝间距均会引起焊后纵向残余应力的升高。使用盲孔法测量焊缝附近一些点的纵向残余应力,测量结果与模拟结果基本吻合。     

X80钢焊接残余应力耦合接头组织不均匀下氢扩散的数值模拟

采用ABAQUS软件建立了煤制气管线X80钢螺旋焊管三维模型,综合考虑焊接残余应力和组织不均匀性的影响,进行了焊接接头氢扩散的数值模拟。结果表明,残余应力和组织不均匀都会导致氢扩散的发生,氢浓度的分布规律与静水应力分布特征相似,即静水应力越高的区域,相应的氢浓度也较高,说明残余应力的影响大于组织不均匀性的影响。氢浓度最高的焊缝区比不考虑残余应力时提高了2.7倍,通过等效充氢压力下的慢应变速率拉伸实验发现,氢脆系数由不考虑残余应力时的18.56%上升至考虑残余应力所致氢富集条件下的32.53%,增加幅度达到75.27%。因此,残余应力是导致焊接接头氢富集进而影响氢脆失效的重要因素,采用数值模拟方法确定氢富集程度则是评估煤制气管线焊接接头安全性的重要基础。     

预热温度对Q370R球罐用钢焊接残余应力的影响

Q370R是一种低合金结构钢,广泛应用于液化气及盛装各种轻烃的球罐等设备。文中使用Ansys软件建立了40 mm厚X形坡口Q370R钢板焊条电弧焊对接焊的有限元模型,对温度和应力场进行了研究。结果表明,随着预热温度的升高,在焊接模拟过程中接头的最高温度分别为1 940,1 970和1 966℃;预热可显著降低Q370R钢厚板焊接的残余应力和改善分布状态,预热温度160℃时,Mises焊接残余应力达到较小值;与未预热试件相比,预热160℃水平路径上Mises应力可减小40%～50%,垂直路径上Mises应力可减小20%～25%。     

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.     

混流式转轮焊接工艺优化与局部压应力化的实现

焊接残余拉应力的存在是引起混流式转轮疲劳断裂的重要原因之一,焊接残余压应力的存在能够有效提高焊接结构的抗疲劳性能.采用数值模拟方法对混流式转轮焊接残余应力场进行了模拟,转轮出水边焊缝区域存在较高的残余拉应力,适当减小出水边焊段长度,可有效降低残余拉应力峰值.对转轮原有及优化焊接工艺下的焊接残余应力场进行了测试分析.结果表明,通过优化分段焊接工艺可以对转轮的残余应力场分布进行调控,叶片出水边焊缝区域的残余拉应力明显降低,并转化为压应力,实现了转轮易开裂区域焊接残余应力的局部压应力化,从而有效提高转轮的抗疲劳性能.     

RPV顶盖和CRDM管座焊接残余应力三维数值模拟

制造了反应堆压力容器顶盖和控制杆驱动机构(CRDM)管座贯穿件J形密封焊模拟件,测试了焊接过程温度和焊后残余应力;采用分段移动温度热源模型和热力耦合方法实现了三维焊接温度场和应力场的高效计算,并与试验结果进行了比较;基于模拟的三维残余应力场研究了J形密封焊的应力分布特征. 结果表明,采用的模型和方法能实现J形密封焊残余应力的高效数值计算,计算和试验结果符合较好;J形密封焊缝上的纵向应力大于轴向应力,贯穿件内外壁应力不均匀,焊缝和贯穿件坡上和坡下区域的应力大于侧坡区域应力.     

添加铜填充层的Ti-15-3钛合金与304不锈钢电子束焊接过程中的温度与应力场(英文)

采用铜填充金属对Ti-15-3钛合金与304不锈钢进行电子束焊接,对Ti/Fe和Ti/Cu/Fe接头在焊接过程中的温度场和应力场进行数值模拟和试验测量。结果表明,高斯旋转体热源适用于电子束焊接过程的模拟。温度场对于焊缝中心呈非对称分布,钛侧的温度高于不锈钢侧的。热应力同样呈非对称分布,残余拉应力主要存在于不锈钢侧。铜填充金属的加入,降低了焊接过程中的峰值温度、温度梯度以及残余应力,纵向和横向残余拉应力分别降低了66MPa和31MPa。从温度场和应力场的角度可以看出,铜合金是一种较好的Ti-15-3钛合金与304不锈钢电子束焊接的填充金属材料。     

L485管线钢焊接接头应力状态数值模拟

根据焊接热弹塑性理论,采用ANSYS有限元分析软件通过热-力耦合的分析方法获得L485管线钢焊接接头应力场。并采用超声波残余应力检测结果验证了模拟的准确性,分析了管道内表面和外表面的轴向应力、环向应力分布情况,并研究自然冷却(外界温度分别为5、20℃)、焊后保温、焊后热处理对L485管线钢焊接接头应力分布状态的影响规律。结果表明,自然冷却情况下,外界温度20℃的应力峰值会比外界温度5℃低9 MPa;以外界温度20℃时管线钢的焊接接头应力峰值为基准,焊后保温处理应力峰值降低25 MPa,焊后热处理应力峰值降低154 MPa。     

退火温度对SUS304不锈钢焊接残余应力计算精度的影响

采用热-弹-塑性有限元计算方法模拟了奥氏体不锈钢SUS304在单道堆焊时的温度场和应力场,探讨了加工硬化和退火软化对焊接残余应力计算结果的影响,重点考察了数值模型中的退火温度设定值对焊接残余应力计算精度的影响.数值模拟结果表明:退火软化效应对纵向残余应力的计算结果有明显影响,随着退火温度设定值的升高,纵向残余应力的峰值增大,而且焊缝及其附近的纵向应力有整体升高的趋势.退火温度对横向残余应力的影响较小.比较计算结果与实验结果可知,SUS304钢的退火温度设定为1000℃时,数值模拟结果与实测结果比较吻合.     

IN738高温合金薄板激光焊接和TIG焊接数值模拟

利用MSC.Marc有限元分析软件,在激光焊接和TIG焊接温度场结果的基础上,对IN738高温合金薄板的焊接过程进行了数值模拟,分析了激光焊接和TIG焊接残余应力和塑性应变的分布规律,并进行了焊接试验验证,对焊接温度场和残余应力场进行了测定。结果表明,激光焊接的残余应力峰值高于TIG焊接残余应力峰值,在焊缝中心线和热影响区,激光焊接的纵向残余应力高于TIG焊接的纵向残余应力,激光焊接的拉应力区比TIG焊接的窄,塑性区宽度较TIG焊接的塑性变形区小,且塑性应变值也较低;激光焊接与TIG焊接计算得到的温度场、残余应力场与试验测得的温度场、残余应力场规律基本一致,只在焊缝处横向残余应力场存在较大的差异。     

T型接头直线往返摆动焊温度及应力场的数值模拟

利用有限元软件SYSWELD对企业中广泛使用的直线往返摆动焊接过程进行了数值模拟,研究了T型接头的焊接温度与残余应力的分布规律。数值模拟结果表明,在摆动焊接过程中,沿焊缝方向周期性的出现了二次加热区,此区域的温度峰值高于一次加热区;纵向残余拉应力主要分布在焊缝及热影响区,且焊缝表面的纵向残余拉应力出现了周期性的波动。温度场与应力场的分布规律与直线往返摆动的运丝方式密切相关。     

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.     

套管结构异种金属多层多道焊接数值模拟

采用SYSWELD焊接专用模拟软件模拟分析套管结构异种金属多层多道焊接温度场和应力场,并采用金相截面和X射线衍射应力测试校核模型。结果表明,采用校核后的热源模型模拟的焊接温度场推断形成的焊缝截面与实际一致,焊缝根部节点温度随时间变化曲线存在14个温度起伏,每个起伏有2个温度峰值;采用X射线衍射实测残余应力与模拟结果基本吻合,不同焊接位置的轴向残余应力分布规律相同,焊接位置为0°和90°时轴向残余应力较大,最大残余应力数值接近300 MPa;不同焊接位置环向残余应力数值大小分布相同,距离首道焊缝根部15 mm处的最大环向残余压应力接近300 MPa;最大Von Mises应力出现在低合金钢热影响区,90°焊接位置最大Von Mises应力值为377 MPa。     

焊接残余应力数值模拟的研究与发展

分析了用有限元法计算焊接残余应力的基本理论，其中包括温度场和应力场的数值模拟，介绍了焊接残余应力数值模拟方法的近期研究成果，并探讨了焊接残余应力数值模拟技术的发展趋势。     

316L不锈钢T型接头温度场与应力场数值模拟

运用SYSWELD模拟软件分析了316L不锈钢T型接头的温度场与应力场,并利用试验方法对模拟结果进行了验证。试验结果与数值模拟结果吻合良好,证实了模拟316L T型接头的可靠性。结果表明,T型接头截面温度分布由扇形分布向椭球状分布转变,且随着焊接道次的增加,温度分布区域增加;焊接时温度场沿焊缝中心呈对称分布,其焊缝区与母材区温度差异较大;第2道焊接的温度峰值明显最大,其腹板温度的峰值温度明显高于翼板的峰值温度,且随着离焊缝越远,其热循环曲线变化越小;不论是纵向残余应力还是横向残余应力,其沿焊接方向上均呈帽状分布,最大纵向残余拉应力出现在焊缝中部,而最大横向残余应力出现在靠近中部焊缝位置;垂直于焊缝的纵向残余应力和横向残余应力均表现出近焊缝区较大拉应力。