热处理对超厚板焊接残余应力影响的数值分析

基于ABAQUS软件的热弹塑性有限元程序,对390 mm超厚度20MnMoNb钢板拼焊制造EO反应器管板的焊接过程进行焊接残余应力与变形有限元模拟,考察焊后500℃热处理对板内残余应力与变形的影响。结果表明:超厚板焊态在焊缝及热影响区存在高度不均匀的残余应力,由于为了限制管板的变形,在板面上施压有配重,导致先焊面的残余应力较大,特别是在靠近表面的焊缝及热影响区附近存在残余拉应力峰值;后焊面的残余应力相对较小一些;焊缝内部为残余压应力;焊后管板发生了一端翘起的角变形;500℃热处理可明显降低厚板的焊接残余应力,且使应力分布趋于均匀,但热处理后焊接变形有所增大。     

焊缝层数对特厚度管板焊接残余应力与变形影响的有限元分析

基于ABAQUS软件,建立了顺序耦合的焊接残余应力与变形有限元计算程序,对大型环氧乙烷（EO）反应器国产化中采用的390 mm厚20MnMoNb特厚板拼焊反应器管板的焊接过程进行了残余应力与变形计算,并讨论采用不同焊缝层数对管板焊后残余应力与变形的影响.焊接采用双U形坡口,通过翻转管板进行两面坡口的交替焊接,为防止管板发生过度变形,焊接时始终在管板两端压有重量为4.5 MN配重.计算结果表明：焊后管板发生了一端翘起的角变形,在靠近表层的焊缝及热影响区存在较大残余拉应力,在焊缝内部为较大的残余压应力;由于配重对变形的限制导致先焊面的应力大于后焊面;增加焊缝层数,使变形增加,残余应力降低,但并不显著.对如此大型特厚板约束焊,增加焊缝层数不是降低其焊接残余应力的有效手段.     

T型接头焊接残余应力及变形调控研究

基于热弹-塑性理论、有限元理论,以Abaqus软件为平台,利用Fortran语言编辑双椭球热源程序,利用Python语言编辑程序建立分析步、控制焊缝单元的有序填充,建立了T型接头焊接的热力耦合有限元模型;对比数值模拟所得的变形值与实验测量值,验证了所建有限元模型的准确性。同时,分析了焊接路径、约束对残余应力及变形的影响规律。结果表明:焊接路径对T型接头的焊接残余应力、变形有显著影响,两侧顺次、异向焊接所得焊件的残余应力、变形相对最小;与不施加夹具约束相比,施加约束有效地降低了焊接变形,但各方向的残余拉应力峰值有小幅增加。研究结果可为T型接头焊接残余应力、变形的调控,以及焊接工艺的优化提供依据。     

焊接工艺参数对锚拉管焊接残余应力的影响

为了实现不同焊接工艺参数下残余应力的预测,进一步优化相应的焊接工艺,采用数值模拟与试验对比方法研究锚拉管焊接残余应力.利用有限元软件ANSYS模拟T形焊接试件残余应力并与实测应力值作对比,验证了数值方法的准确性.在此基础上,对不同的焊接电压、电流和速度等焊接工艺参数下的锚拉管残余应力进行数值模拟和对比分析.结果表明,锚拉管焊接残余应力与焊接电压、电流呈正相关关系,焊接电流对焊根处纵向残余应力峰值影响较大;与焊接速度呈负相关关系,速度越大,沿焊缝方向上的纵向残余应力明显减小,分布更加均匀,当达到5mm/s时,会出现锚拉管未完全焊,应力峰值位置发生偏移的情况;焊接速度可作为主要的控制参数.基于分析结果,提出锚拉管断面纵向残余应力分布简化模型,以便给锚拉管焊接残余应力研究提供参考.     

板件厚度对钢桥面板顶板纵肋焊接残余应力的影响分析

为考察板件厚度变化对正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力的影响规律,采用ANSYS有限元软件的生死单元技术和热-结构耦合分析方法,对顶板-纵肋焊接细节进行了数值模拟,得到其焊接残余应力分布,并重点分析了板件厚度变化对焊接残余应力的影响规律.研究结果表明,横向残余应力在焊趾和焊根附近达到最大值,其数值约为材料屈服强度的2/3;纵向残余应力在焊缝中心处达到最大值,其数值已超过材料屈服点.板件厚度变化对纵向残余应力影响不明显,对横向残余应力影响较大,当顶板件厚度由12 mm增大到20 mm时,横向残余应力最大值增加45%.基于分析结果,建立了不同板件厚度的焊接残余应力统一分布模型,为顶板-纵肋焊接残余应力的研究与设计提供参考.     

边界约束对中厚板焊接残余应力的影响

基于已有试验数据及有限元模型计算结果,对约束、自由边界下中厚板焊接残余应力进行了数值模拟,通过改变热、力学边界,得到了焊前预热、焊后热处理,力学约束程度、约束距离改变对不同外边界焊接残余应力的影响。结果表明：预热将显著降低热影响区残余应力,约束条件下母板残余应力的降低与预热温度成正相关,自由边界残余应力基本不受预热影响;焊后热处理使得高温非线性区(焊缝及热影响区)纵、横向残余应力降低,约束条件下横向应力在整个母板表面改变明显,而自由状态下纵向应力仅在板边缘发生波动;约束增强仅增大应力值,不改变应力分布趋势;板端约束对残余应力的影响存在单向性,横向约束的改变对纵向残余应力的影响可以忽略;约束大小保持不变,约束距焊缝的远近程度的改变对近缝区残余应力的影响较小,有限元计算在保证一定精度的前提下可以适当的减小建模尺寸以提高求解速率。     

X80钢曲面对接焊缝残余应力尺寸效应

以试验测得的X80钢高温性能参数为基础建立了曲面对焊结构仿真模型,并进行了试验验证,研究了曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度等尺寸效应对曲面对接焊缝残余应力分布的影响规律。结果表明：曲面外径、曲面壁厚和焊缝宽度的变化均会对曲面对接焊缝残余应力的分布规律产生影响;随着曲面径向截面面积的增大,焊趾处径向残余拉应力逐渐增大,残余压应力峰值逐渐减小;曲面径向截面面积和焊缝宽度的增加,均会引起焊趾处残余拉应力峰值的增大并导致曲面对焊结构中焊接残余应力水平的升高,降低结构整体的耐腐蚀性能和疲劳性能;在选用曲面壁厚小于4 mm的曲面结构进行工程设计时,焊接残余应力分布对壁厚的变化十分敏感,极易导致结构内部残余拉应力的增大并产生应力集中区域。     

高强度U肋加劲钢板残余应力测试及模拟分析

为研究Q420级高强度U肋加劲钢板纵向焊接残余应力分布特点及影响因素,利用切割法对U肋加劲钢板进行了纵向残余应力测试,通过三维实体热弹塑性有限元模型和单元生死技术模拟了焊缝填充和焊接过程,比较分析了高强度钢和普通强度钢的残余应力分布特点,探讨了母板厚度及U肋的厚度、间距、宽度、高度对加劲板焊接残余应力的影响.研究结果表明,U肋两侧的焊接先后顺序并不影响加劲板的残余应力分布;非焊接区域残余压应力峰值和分布特点与板件材料的屈服强度基本不相关;板件厚度、U肋顶宽和U肋高度是影响高强度U肋加劲钢板焊接残余应力的主要因素.     

双相不锈钢管道焊接残余应力参数的数值模拟

焊接残余应力一直为人们所关注，其大小和分布与焊接热源、接头形式和材料性能等多种因素有关，作者利用热弹塑性理论为基础的有限元数值模拟技术，对SAF2205双相不锈铜管道接头环焊缝残余应力进行有限元数值模拟，得到了管道内外表面残余应力的分布规律，即，在管道的焊缝及近缝区，内表面轴向残余应力是拉伸应力，外表面轴向残余应力是压缩应力，而内外表面环向残余应力都是拉应力；研究了不同的焊接线能量、管内径与壁厚比值R1／d和多层焊对焊接残余应力的影响，结果表明，残余应力受焊接能量变化的影响不大，外表面残余应力和内表面轴向残余应力部随着壁厚增大而增大，多层焊的残余应力有不同程度降低。     

相同热输入条件下参数匹配对SUH409L焊缝组织的影响研究

为研究铁素体不锈钢在相同的热输入下焊接速度对其焊缝组织的影响,使用TIG焊接方法对1.5mm厚的SUH409L不锈钢板进行了焊接,9组参数的焊接电流和焊接速度同比例变化,使得焊接热输入保持不变。使用共聚焦显微镜、维式硬度计分析了不同参数下焊缝的组织和硬度分布。结果表明,焊接热输入和散热情况共同影响熔池尺寸,进而影响焊缝组织。当热输入定为178J/mm时,焊接速度超过483mm/min后,熔池长宽比大于2.0,焊缝等轴晶比例大于20%,焊缝硬度分布较为平缓,可以有效地改善焊缝在受载时的应力应变集中。焊接速度超过650mm/min后,焊缝中等轴晶比例增加幅度不明显,同时焊缝会出现下塌的情况,抵消了等轴晶对应力应变集中的贡献。     

大功率条件下蜂窝状冷凝板激光焊接变形的控制

以CO2 激光焊接304不锈钢蜂窝状冷凝板为研究对象,针对出现焊接变形问题,研究了因激光焊接功率不同导致焊缝尺寸不同对蜂窝状冷凝板焊接接头最大承载载荷、焊接残余应力与应变的影响,采用小孔法测量不同工艺条件下焊接残余应力,并提出了控制蜂窝状冷凝板焊接变形的方法。研究表明：当焊接功率为1.4、1.8 kW时,两种工艺条件下纵向弯曲挠度和纵向收缩应力比与焊缝截面积之比相同为1.000∶1.328;测量所得焊接残余应力之比为1.000∶1.391,与计算所得值相近。分析发现焊缝最大承载能力与焊缝截面积有一定的关系,并提出了该新型函数关系表达式。提出了内外循环式焊接顺序,此方法能减少焊接变形的发生,又几乎不影响焊接生产效率,极大提高了蜂窝状冷凝板的生产质量。     

钢桥面板顶板与U肋接头焊接残余应力分析

对钢桥面板顶板与U肋接头焊接残余应力进行分析。采用热-结构直接耦合方法,分析了构件焊接温度场及应力场,得到构件中心截面母板纵向、母板横向、U肋纵向及焊缝中心竖向的残余应力分布曲线。结果表明:母板及U肋近焊缝区存在较大的残余拉应力,残余拉应力峰值接近材料屈服强度;自焊缝中心往外,残余拉应力值下降并转变为压应力;热影响区之外,母板及U肋纵向残余应力主要表现为压应力,并向两端缓慢下降;母板横向残余应力主要表现为拉应力,近焊缝区存在应力突变;沿焊缝竖向纵、横向应力变化趋势基本相同。     

波形钢腹板工字形梁焊接残余应力研究

采用数值模拟与试验的方法对Q345钢波形钢腹板工字形梁焊接温度场与残余应力分布进行了研究. 采用完全耦合法建立了波形钢腹板工字形梁热弹塑性三维有限元模型,得到其焊接温度场与应力场,并通过在有限元模型中定义多条研究路径的方法,研究了不同路径上纵、横向焊接残余应力的分布规律. 在波形钢腹板工字形梁的焊接过程中采用红外线测温法与电阻应变计法进行焊接温度与残余应力的试验研究. 结果表明：焊接残余应力的数值模拟结果与实测结果吻合较好,验证了数值模拟方法的正确性和可行性;焊接过程中热源中心稳定温度高达1 401 ℃,远离热源中心温度迅速降低,当与热源中心距离大于25 cm时温度已趋近室温;波形钢腹板弯折角处焊缝的最大Von Mises应力为395 MPa,远高于材料的屈服强度;腹板表面距焊缝0.5 cm处的纵向残余应力高达351 MPa,而波形钢腹板表面的横向残余应力呈抛物线形式波动,最大值为48.5 MPa;波形钢腹板工字形梁上的焊接残余应力以纵向应力为主,且主要分布于距焊缝20 cm的范围内. 研究结论可为实际工程中波形钢腹板工字形梁的残余应力消除提供参考依据.     

补焊位置对S355J2W对接接头残余应力分布影响

为研究不同补焊位置下的焊接残余应力的分布规律,本文运用SYSWELD软件,以S355J2W钢为例,建立平板对接接头焊缝不同部位补焊的有限元模型,分别针对焊缝中心补焊和热影响区补焊残余应力场进行数值模拟,绘制分析曲线研究焊接残余应力大小及变化规律.结果表明:补焊使得焊缝中心及热影响区处残余应力有不同程度的增加;但在远离热影响区的母材处,影响效果不明显.通过对比分析,得出补焊后残余应力分布规律,为实际补焊修补提供理论依据.     

运用ANSYS对焊缝残余应力及温度场分析

在焊接过程中,高温移动热源及之后的快速冷却,使得在焊缝及其附近区域产生了残留的拉应力,由此产生热应力场和残余应力。为预测焊接变形,采用有限元软件ANSYS中生死单元技术和热-结构耦合技术对异种材料钢铜连接处的铝焊缝进行数值分析,得出焊缝焊接残余应力、温度场分布情况,进而为制定正确的焊接工艺、改善焊缝性能等实际生产和使用提供理论依据。     

SiC/Al双面焊的残余应力分析

运用有限元软件ANSYS对SiC/Al的双面焊过程进行了数值分析.采用高斯圆柱热源模型模拟激光焊源,利用APDL编写循环程序实现热源的移动,得到SiC/Al双面焊过程的温度场分布和冷却后的残余应力场.从平行焊接方向陶瓷侧靠近焊缝处的横向和纵向残余应力分布曲线可见:第一道焊表面(正面)的纵向残余应力在其边缘端均为压应力,并迅速向内转变为拉应力;而第二道焊表面(反面)的纵向残余应力却正好相反,其边缘端均为拉应力,并迅速向内转变为压应力.而横向残余应力均为压应力,最大值分布在两侧.在焊缝两侧,横向与纵向残余应力均发生跳跃变化.     

Q370qE钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力试验研究

为研究Q370qE钢桥面板顶板-纵肋焊接细节残余应力,采用钻孔应变法对足尺正交异性钢桥面板试件进行了试验研究,得到了顶板表面纵、横焊接残余应力分布,分析了不同强度钢材对残余应力分布模型的影响.结果表明:顶板下表面的纵向残余应力σZ约为上表面的2倍,而横向残余应力σX则差别不大;由于残余应力受焊接顺序影响较大,导致较晚施工的焊缝所在顶板上表面σZ减小而σX增大,而顶板下表面σZ增大而σX减小.基于实测数据和数值模拟结果,提出了适用于Q370qE钢的纵向残余应力分布模型,其较Q235A或Q345钢材在焊缝附近具有更高的应力峰值和更大的应力梯度,在远离焊接区域则具有较小的压应力值.     

焊接残余应力的非接触无损测量实验

焊接残余应力是降低焊接接头力学性能的主要因素之一,传统的残余应力测量多采用破坏性方法,如盲孔法,测量精度低、重复性差、人为影响因素多。X射线衍射法是非接触式无损的应力测量方法,测量精度高、数据稳定性好。学生采用X射线衍射法完成了焊接残余应力的测量实验,结果表明随着与焊缝距离的增大残余拉应力的峰值降低,热处理和超声波处理都能够有效地降低焊接残余拉应力,甚至能够把焊缝表面的残余拉应力转变为压应力。实验有助于学生了解焊接残余应力的基本分布规律,从而深刻理解焊接过程的特点,取得了较好的实验教学效果。     

核级管端法兰面在线堆焊修复的残余应力

采用数值模拟的方法研究了某一核级管端法兰面在线堆焊修复过程中的焊接顺序及堆焊厚度对残余应力和变形的影响。模拟结果表明,由于法兰内外侧厚度不同以及内外壁连接管的刚性差异,采用从内至外的焊接顺序可以得到整体较小的焊接残余应力和变形。当堆焊厚度为20 mm时,外壁管道焊缝处的轴向残余应力接近材料的屈服强度;当堆焊厚度不超过15 mm时,外壁管道焊缝处的残余应力远低于屈服强度。采用优化的焊接工艺制作了等比例模拟件,并采用X射线衍射法测试模拟件的残余应力,计算结果与测试结果吻合良好,进一步验证了数值模型及模拟分析结果的可靠性。     

厚板钢梁节点焊接过程监测评估与有限元分析

针对厚板钢梁节点焊接温度和残余应力,以天津某场馆为依托,进行监测评估和有限元分析.对不同板厚(35,mm、50,mm、80,mm、100,mm)和不同路径的横向、纵向残余应力以及焊接温度和支座处混凝土的状态等情况进行了全面监测,分析了厚度对焊接温度和焊接残余应力的影响.结果表明:焊接过程是一个传热过程,属于非均匀瞬态温度场,存在热量传输的"热滞后"现象.沿板宽方向的最高温度出现在钢板中心处,呈中间高、两端低的分布特点,与横向残余应力的分布特点完全一致.随着焊接钢板厚度的增加,纵、横向残余应力及其沿厚度的变化率均明显增大;但厚度超过80,mm后,残余应力的增长速率有明显降低,说明多层、多道焊接方法可有效减小残余应力.