多层多道焊接残余应力与变形三维数值模拟

大型复杂焊接结构件的主要接头形式为平板对接,开展对平板对接多层多道焊接三维数值模拟研究十分必要。通过控制网格尺寸和边界条件进行优化来平衡模拟精度和计算效率的问题,并采用试验测量和MSC.MARC有限元模拟相结合方法分析焊接残余应力与变形趋势。结果表明,该多层多道焊接数值模拟采用位移约束和弹簧约束混和边界条件,在焊缝最大网格尺寸为2 mm时,计算效率和精度匹配效果最佳,有限元计算结果与试验测量结果吻合良好,证明该有限元模型的合理性。     

陶瓷金属钎焊接头优化与残余应力数值模拟

利用热弹塑性有限元数值模拟方法,在考虑了材料性能参数随温度变化的情况下,研究了接头形式对残余应力的大小和分布的影响规律.研究结果表明,试件形状、接头形式、钎料性能和中间层性能等参数对残余应力的大小有较显著的影响.圆形试件比方形试件的残余应力要小,对可能产生应力集中的棱边进行圆角过渡处理后,也可以降低残余应力峰值,陶瓷的焊接面凸起情况下的残余应力也比平面或凹陷情况下的残余应力要小,钎料和中间层与陶瓷和金属的热膨胀系数差别越小、钎料和中间层的屈服强度越小,残余应力越小.     

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。     

扩散焊接钨/钢接头残余应力的数值模拟

采用有限元法分析钨/钢扩散焊接头残余应力,并探讨添加钒/镍和钒/铜复合中间层对钨/钢扩散焊接头残余应力分布的影响。结果表明:钨/钢扩散焊接头存在较大的残余应力,靠近中间层附近的钨处存在极大的径向压应力,而靠近中间层附近的钢处和整个中间层区域均存在较大径向拉应力;钨/钢直接扩散焊接头的残余应力极大,钨/钒/镍/钢扩散焊接头的残余应力有所降低,钨/钒/铜/钢扩散焊接头残余应力最小;接头力学性能及断裂特征验证了有限元计算结果的准确性。     

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.     

焊接残余应力下氢扩散的数值模拟

利用有限元软件ABAQUS,开发了一个焊接残余应力作用下氢扩散的耦合有限元计算程序,对湿硫化氢环境下16MnR钢液化石油气球罐焊接接头焊态残余应力诱导氢扩散的分布规律进行数值模拟,并与无应力状态下的氢扩散进行了比较,为掌握焊接接头氢致开裂的判据打下基础.结果表明,在焊接残余应力作用下,氢向高应力区富集,经过一段时间后,达到稳定.在热影响区附近,形成一个氢浓度低谷,两侧分别形成浓度梯度界面和应力梯度界面,能够诱导氢向高应力区长程扩散.     

Q390钢多层多道焊接接头残余应力试验分析

为了深入研究Q390钢焊接性能,掌握其在不同焊接工艺条件下焊接接头残余应力分布规律,对40 mm厚Q390低合金高强度结构钢板分别采用埋孤焊和焊条电孤焊2种焊接工艺进行焊接,采用盲孔法测量了焊态下焊接试板的表面残余应力,得到了垂直于焊缝的残余应力分布曲线.结果表明:采用埋弧焊通过施加外在约束可以有效减小焊后试板变形,在焊接接头处得到压应力;经焊条电弧焊自由焊接条件下试板变形较大,在焊缝区得到拉应力,在熔合区和热影响区得到压应力.     

磨球残余应力的数值模拟及分析

通过铸造数值模拟软件ProCAST模拟了磨球铸态下的残余应力分布情况,同时通过X射线衍射仪,测定了热处理后磨球试样上应力分布状态.结果表明,磨球金属型部位先凝固,砂型部位后凝固,磨球内部组织致密、无缺陷;铸态下在磨球内有大量的残余应力,热处理后可以消除一定的铸造残余应力,但仍有大量残余应力存在.     

换热器管子与管板焊接接头残余应力的数值模拟

基于ANSYS平台对油浆蒸发器伸出管板角接头的焊接残余应力进行数值模拟,获得了焊接接头的残余应力分布,成功的解决了焊缝的环形行走和不同部位之间的热传导问题.有限元分析结果表明.接管环焊缝的残余应力分布具有局部性的特点,高应力危险区集中在焊缝周围的管板热影响区.本文焊接条件下管接头环焊缝最大径向焊接残余应力出现在临近焊接热影响区的焊缝根部,对导致出现应刀腐蚀开裂起主要作用.合理的预热措施使最大环向焊接残余应力降低20%左右,同时管桥表面应力也得到明显改善,这就有效降低了管板表面出现应力腐蚀开裂的风险.     

核电SA508-3钢厚壁圆筒纵向焊接残余应力分析

针对由某公司生产首次应用到核电设备上的SA508-3钢,为了获得焊接残余应力分布及规律,采用ANSYS有限元软件对60 mm厚圆筒纵焊的焊接接头进行温度场及残余应力数值模拟,并将模拟结果与相同工艺条件下焊接试验结果进行比较验证.结果表明,模拟结果与试验结果基本吻合;焊接时热源周围极窄区域温度高,梯度大,远离热源温度峰值急剧下降;圆筒外表面残余应力大于内表面残余应力;焊缝及近焊缝区的残余拉应力值较大,远离焊缝中心残余拉应力值逐渐减小;圆筒两端和中部的残余应力在方向上或数值大小上不同;这对控制圆筒残余应力提供了理论依据.     

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.     

锥柱耐压壳典型焊接接头残余应力的数值模拟

基于热-弹塑性相关理论,采用ANSYS的APDL语言编制焊接残余应力数值模拟程序,采用生死单元技术及间接耦合法模拟了典型焊接接头只焊一条焊缝、两条焊缝同时焊和两条焊缝分开焊三种模拟方法的轴向焊接残余应力σx。结果表明:采用不同模拟方法,典型焊接接头的变化规律一致,均在焊缝附近达到最大值;但采用不同方法得到的σx应力水平不同,两条焊缝的残余应力会相互影响,在进行相关研究时这种影响需要考虑在内。两条焊缝分开焊与同时焊相比,分开焊可以在一定程度上减小焊缝中心附近区域的轴向焊接残余应力,且在焊缝的凸面这种减小作用更加明显。     

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.     

超细晶Q460钢CO2气体保护焊焊接接头组织与性能

采用CO2气体保护焊选择ER55-G焊丝焊接了超细晶Q460钢,研究了焊接接头显微组织、断口形貌以及力学性能。结果表明,焊缝主要由铁素体和少量珠光体构成,焊缝中大量针状铁素体的生成有利于提高焊缝金属的强度和韧性。焊接接头热影响区粗晶区为贝氏体组织,相变重结晶区和不完全重结晶区未出现软化现象。焊缝金属同热影响区冲击断口均为韧窝状韧性断裂,由于超细晶Q460钢材质的高度纯净化以及焊接过程中较小线能量的选择,焊接接头热影响区表现出优异的冲击韧性。     

补焊长度对P92补焊残余应力的影响

基于有限元模拟软件SYSWELD,通过建立P92钢板补焊过程的三维有限元模型,计算了补焊过程的温度场及应力场分布,讨论分析了不同补焊长度对残余应力分布的影响. 结果表明,无论是横向还是纵向残余应力,较大的拉应力水平都出现在焊缝和热影响区附近,同时在母材处应力值逐渐降低. 随着补焊长度的增加,横向残余应力在结构表面中心,热影响区和焊缝位置均存在下降趋势. 对于纵向残余应力来说,随着补焊长度的增加,应力值在焊缝位置呈下降趋势,而结构表面中心和热影响区变化较小.     

铝合金薄壁圆筒纵直缝焊接残余应力数值模拟

利用热弹塑性有限元方法对薄壁铝筒纵直焊缝TIG焊进行了数值模拟计算,建立了分析模型,定量地描述了准稳态温度场和残余应力场计算数值以及在整个圆筒上的分布情况,并进行了试验验证.结果表明,焊接时热源周围极窄区域温度高、梯度大,离开热源,温度峰值急剧下降;纵向残余应力在焊缝及热影响区为拉应力,最大值位于焊缝长度中心截面上;纵向残余应力在圆周上表现出拉压区交替变化的趋势.利用应力释放法对焊接件进行应力测量,测量结果与模拟计算结果吻合良好.     

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.     

用瞬间热源模拟Q390高强钢厚板多层多道焊T形接头的焊接残余应力

文中以钢结构中常用的厚板T形接头为研究对象,建立有限元模型,采用所开发的瞬间热源模型,对板厚为30 mm的Q390高强钢多层多道接头的焊接残余应力进行了数值模拟,并与移动热源模型的计算结果进行对比.同时,采用瞬间热源模型,探究了有限元网格密度对焊接残余应力的计算精度和计算时间的影响.此外,采用盲孔法实测了T形接头的焊接残余应力.结果表明,采用所开发的瞬间热源模型,不仅可以保证焊接残余应力有较高的计算精度,而且还可以大幅度缩短计算时间.比较发现,采用瞬间热源模型时,焊缝长度方向的网格大小对计算结果的影响很小,采用粗网格可进一步缩短计算时间.