大厚壁铸钢件补焊工艺研究

针对大厚壁铸钢件缺陷,采用异质冷补焊方法进行修复,在焊接过程中采用焊前预热、增加施焊过渡层、控制热输入、填充过程超声波跟踪消应力、控制层间温度等措施,可以简化工艺、有效控制焊接变形,对大厚壁铸钢件的抢修补焊具有指导意义。     

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。     

焊接道数和层间温度对5083铝合金多道焊对接接头焊接残余应力和变形的影响

以5083铝合金多道焊对接接头为研究对象，构建了其热-冶金-力学耦合的三维有限元模型，在考虑相变情况下，对两道焊的焊接过程温度场、残余应力分布和变形进行数值计算与分析，并将结果与试验数据进行对比，验证了该模型的准确度。分析了焊接道数和层间温度对焊接残余应力分布以及焊接变形的影响规律，结果表明：随着焊接道数的增加，纵向残余应力逐渐增加，焊接道数对横向残余应力几乎无影响，焊接变形逐渐增加；随着层间温度的升高，纵向残余应力逐渐降低，横向残余应力先减小后增大，但层间温度对焊接变形几乎无影响，可采用100℃作为最佳层间温度进行焊接。     

大型电机转子焊接残余应力的数值分析

利用轴对称模型研究了大型电机转子焊接残余应力分布规律 ,探讨了单层单道焊情况下两侧同时焊接、热套、预热等工艺以及三层四道焊情况下焊接顺序对焊接残余应力的影响。研究结果表明 ,磁轭圈与辐板焊接后在焊缝及其周围区域产生较大的三向残余拉应力 ;两侧同时焊接可大大降低径向残余应力 ;热套可降低三向残余拉应力 ,热套后直接焊与热套后先冷却后焊相比效果更佳 ;预热可以降低周向残余拉应力 ;多道焊时径向残余应力主要取决于最后一层 ,尤其是最后一道焊缝 ;两侧的最后一道焊缝同时焊接可显著降低径向残余应力 ,而前面的焊道同时焊接与否并不重要。研究结果为优化生产工艺 ,降低残余应力提供了理论依据     

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。     

层间温度对9%Cr热强钢管道多层多道焊接头残余应力的影响

使用有限元法研究了不同层间温度(IPT)时,在9%Cr热强钢管道多层多道焊接头残余应力演化中马氏体相变作用的差异,揭示了层间温度对残余应力作用的机理。结果表明,提高层间温度可以显著降低接头内的残余拉应力,特别是管道中部区域焊缝(WM)内的残余拉应力降低明显。其机理主要有2方面:一是提高层间温度可保留较高含量的奥氏体,屈服强度低的奥氏体在冷却时积累的残余拉应力较低;二是高的层间温度阻止了马氏体相变在每道焊道焊完后立即进行,从而避免了马氏体相变降低拉应力的效果被后焊焊道的焊接热循环所消除和在随后焊道的焊接热循环中重新积累较大的拉应力。层间温度对9%Cr热强钢管道多层多道焊残余应力分布的影响取决于热收缩和马氏体相变的综合作用,当层间温度较低(低于马氏体转变终了温度Mf)时,热收缩占主导作用,此时接头的大部分区域以残余拉应力为主,只在末道焊道焊缝及其热影响区(HAZ)内形成较大的压应力;当层间温度较高(高于马氏体转变开始温度Ms)时,马氏体相变占主导作用,此时接头以残余压应力为主。     

6082-T6铝合金补焊数值模拟

采用焊接仿真软件,对8 mm厚的6082-T6铝合金板进行了焊接及不同深度补焊的数值模拟,研究了焊接及不同深度补焊后的焊接残余应力分布状态,并通过焊接及疲劳试验等对模拟结果进行了试验验证。仿真计算结合试验结果表明:铝合金补焊后焊缝及热影响区焊接残余应力显著增加,补焊深度2、5、8 mm的峰值应力比焊接的分别提高了26%、28%、19%;补焊深度2 mm与补焊深度5 mm的接头焊接残余应力分布状态基本相似,补焊深度为8 mm的接头高应力区宽度明显增加;随着补焊层道数增加,接头抗拉强度略有降低且焊缝抗疲劳性能下降,试验结论与仿真计算结果一致。     

X80管线钢平板多层对接焊数值模拟

管线钢在实际焊接过程中多采用多层焊,其焊接过程较单层焊更为复杂。利用SYSWELD专业焊接模拟软件,对X80管线钢中厚板平板多层焊焊接温度场及应力场进行数值模拟,研究焊接速度、预热温度及层间温度对焊接温度场和熔深的影响。结果表明,随着焊接速度的增加,焊接温度场的最高温度下降,熔深减小。提高预热及层间温度对温度场无显著影响。残余应力集中在焊缝及近缝的热影响区。最大纵向残余应力出现在打底层的焊缝根部,其峰值大于横向残余应力峰值。     

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.     

Q690钢厚板焊接应力变形的数值分析

采用SYSWELD有限元软件,对60 mm厚Q690钢的焊接过程进行了模拟,研究了焊接温度场和预热温度(层间温度)对焊接残余应力和变形的影响规律。结果表明,不预热时,焊接接头的残余应力水平很高。提高预热温度(层间温度)时,可以降低纵向残余应力、横向残余应力、板厚方向残余应力以及Von Mises等效残余应力峰值水平。采用200℃预热温度(层间温度)时,Von Mises等效残余应力峰值水平可以降低200 MPa。焊接后存在残余变形,但是提高预热温度(层间温度)对焊后残余变形的影响不是很大。     

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。     

Q345R钢焊接接头不同部位补焊残余应力的有限元分析

Q345R钢由于具有良好的性能而广泛应用于压力容器与管道的制造,其焊接接头部位常出现裂纹,焊接残余应力是主要影响因素之一.利用有限元软件ABAOUS,开发了一个顺次耦合的热应力计算程序,对焊接接头焊缝区域与热影响区补焊的残余应力分布进行了数值模拟,得到了补焊残余应力的分布位置及大小.结果表明,补焊后,残余应力值比焊态下残余应力值有所增加,纵向应力和横向应力值增加幅度不同.为此,对实际补焊修复提出了建议,为优化补焊工艺、控制残余应力提供了参考依据.     

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.     

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。     

大型火电用改良型9Cr1Mo铸钢补焊工艺

大型9Cr1Mo铸钢件存在缩孔缩松等缺陷,需要进行补焊修复,在补焊时工艺处理不当,会再次形成危害性缺陷。为了消除铸件本身缺陷以及补焊后再次形成的缺陷,采用新的工艺进行补焊,结果表明,仔细清理缺陷和熔渣,待修复区域形状规则圆滑,严格控制预热及层间温度、首层及其它层补焊工艺参数,同时使用锤击松弛应力,并进行焊后热处理等措施可以很好消除改良型9Cr1Mo铸钢件的缺陷。     

颚式破碎机机架焊接残余应力有限元分析

运用大型有限元分析软件ABAQUS,对实验用小型颚式破碎机的机架进行焊接残余应力数值模拟分析。采用轴对称模型,选择双椭球热源,考虑材料热物理性能与温度的非线性关系,运用生死单元法模拟多道焊的焊接过程,探讨了预热和焊后热处理对焊接残余应力的影响。分析表明,对破碎机机架进行预热后,残余应力减小了14.66%,经过焊后热处理,残余应力减小了45.11%。     

压力容器吊耳多层多道焊不同焊接顺序的数值模拟

采用有限元软件对压力容器吊耳的焊接进行三维多层多道焊仿真模拟,运用生死单元技术对2种不同焊接顺序进行焊接填充仿真,得到不同焊接顺序下焊接接头的温度场、残余应力场以及变形场,对结果进行数值分析及比较,并对性能较好的工艺进行计算及硬度测试验证。结果表明:焊接顺序对残余应力及变形有很大影响,后续道次的焊接对已填充完成的焊缝有预热作用,并消除部分残余应力;焊缝方向中心区域应力水平超过材料屈服强度,为耳板焊接结构易断裂区域;单边依次焊接方案较双边交替焊接方案获得的残余应力小,硬度试验及强度计算结果表明,该方案满足实际工程要求,为实际焊接提供参考依据。     

考虑初期残余应力对Q345高强钢厚板多层多道焊接残余应力影响的数值模拟分析

在实际生产过程中,焊接试件在实施焊接之前,一般都会经过一系列的热加工和机械加工。如此一定会使得焊件在焊前就已经存在一定分布的应力,即初期残余应力。为了研究该初期应力对焊接残余应力分布及其数值的影响,尤其是对多层多道焊接的影响,本文基于有限元分析软件MSC.Marc,开发了用于模拟厚大接头多层多道焊的焊接温度场、应力场和变形的热-弹-塑性有限元计算方法,以钢结构中常用的对接接头为研究对象,建立有限元模型,采用所开发的方法,对板厚为20 mm的Q345高强钢焊接残余应力和变形进行了数值模拟。在该有限元模型计算中,采用生死单元技术,并仔细考虑了焊缝与母材随温度变化的高温热物理性能和力学性能数据来模拟焊接过程中的热-力学行为。研究结果表明,初期应力对焊接区域焊接残余应力的影响较小,但是对远离焊接区域无论是分布还是数值均有一定的影响;初期应力对最终的焊接变形的数值有一定的影响,但是对变形的分布影响较小。     

吸附塔支撑圈结构焊接残余应力有限元分析

采用有限元分析软件Abaqus对吸附塔支撑圈结构焊接残余应力进行有限元分析,讨论了不同焊接热输入、焊后热处理温度、预热温度对焊接残余应力的影响规律。结果表明:在焊接接头角焊缝处产生了较大的纵向残余应力,这是引起疲劳失效的主要原因。焊接热输入越大,筒体外壁热影响区残余应力越大。焊后热处理能够有效降低残余应力。较高的预热温度有利于降低焊接残余应力,但预热温度也不能太高,应控制在150~200℃。为保证吸附塔支撑圈结构完整性,应综合考虑预热、焊接工艺及焊后热处理等因素,以充分降低焊接结构的残余应力。     

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.