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.     

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。     

换热器管子与管板接头拉脱力的研究

通过试验和三维有限元分析研究了换热器中管子与管板连接的液压胀接、焊接以及胀焊结合接头(包括先焊后胀以及先胀后焊两种情况)的拉脱力大小和失效形式。有限元分析考虑了接头的几何非线性、材料非线性、接触非线性以及热固耦合,从而能模拟接头材料的弹塑性变形、热塑性以及先胀后焊过程中焊接热对胀接的影响。研究结果表明,焊接接头的拉脱力远大于液压胀接接头的拉脱力,并且略大于胀焊结合接头的拉脱力;对于先胀后焊或者先焊后胀接头,拉脱力并没有明显的变化;在拉力作用下,胀接接头的破坏主要是管子与管板接触面间的拉脱破坏,而焊接接头的破坏主要为焊缝的剪切破坏。     

焊接顺序对Q690钢T型接头残余应力和变形的影响

利用ABAQUS有限元软件分析了Q690钢T型接头焊接顺序对接头残余应力和变形的影响,建立了K型坡口双面双道焊的温度场与应力场仿真模型.分析结果表明:对于残余应力,先焊完一侧再焊另一侧的方案三所产生的整体残余应力水平最小,焊缝区高应力范围也较小,而两侧交替焊接的方案一和方案二的整体应力水平稍大,焊缝区高应力范围也较大;对于焊接残余变形,则是两侧交替焊接的方案一与方案二变形较小,并且两侧变形较为对称,先焊完一侧后焊另一侧的方案三变形最大并伴有整体的倾斜变形.     

网架焊接空心球节点残余应力实测及数值模拟

为了研究焊接空心球节点中管球连接焊趾处残余应力的分布规律和数值大小,采用盲孔法对球面焊趾和管面焊趾处的焊接残余应力进行测定。得到焊接残余应力数值大小和分布规律。并采用Visual-Environment有限元模拟软件得到焊缝处温度场和残余应力场,以及残余应力分布曲线。结果表明:焊接残余应力在整个焊接空心球节点上呈周期性、随机性的特点,两者规律性吻合良好。同时,由有限元分析结果可知球面及管上均存在残余拉应力及残余压应力,并且在整个试件上焊接残余应力处于自平衡状态。研究结果将为后续研究焊接空心球节点网架结构的疲劳性能奠定基础。     

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。     

气动冲击对顶板-U肋焊接残余应力的影响

为研究气动冲击技术对钢桥面板焊接结构残余应力场的影响,建立气动冲击处理顶板-U肋焊接有限元模型.首先对顶板-U肋焊接进行模拟,得到顶板-U肋焊接残余应力场的分布.焊接结果表明:顶板-U肋连接焊缝区域存在较大的残余应力,焊趾及焊根中部位置处存在较大的横向拉应力.在此基础上,建立气动冲击处理焊缝的动力学模型,研究冲击速度、角度和冲击头大小对焊趾附近横向应力的影响.气动冲击结果表明:气动冲击可以将焊缝处的残余拉应力转为残余压应力,形成半椭球形的压应力区,并通过试验对模型进行了验证.冲击参数中,冲击速度和冲击头尺寸对横向应力的影响较大,冲击速度及冲击头尺寸的增大,能提高压应力值大小及压应力区的范围.     

A105钢振动焊接接头的断裂韧度分析

采用阀门用钢A105为试验材料,机械振动焊接与常规埋弧自动焊相结合的对比试验方法,通过残余应力的测试结果可见,振动焊接消除了熔合线附近的应力峰,应力幅值低、分布平缓.从断裂力学的角度分析机械振动对焊接接头韧度的影响,结果表明:焊缝的断裂韧度明显大于热影响区(HAZ);振动焊接工艺下焊缝和HAZ的CTOD(Crack tip opening displacement)值明显高于常规焊接下焊缝和HAZ的CTOD值;且振动焊接使得焊接接头的各部分之间断裂韧度的差别明显缩小,断裂韧度更趋均匀化.经断口的扫描电镜观察可知:振动焊接下焊缝的韧窝密度明显大于常规焊接下焊缝的韧窝密度,且HAZ为整个焊接接头的薄弱环节.     

用局部逐层去除法测量厚壁圆筒的内部残余应力

采用局部逐层去除法对厚壁圆筒热处理后的残余应力进行测量,拟合得到了圆筒轴向和环向残余应力的分布规律。结果表明,局部逐层去除法能有效地得到厚壁圆筒热处理后内部残余应力的大小及分布;厚壁圆筒热处理后的轴向残余应力在焊缝区域为压应力,内、外表面距离焊缝较远的区域为拉应力,且拉应力的最高值出现在厚壁圆筒接头的外表面热影响区附近,内部为压应力;厚壁圆筒热处理后环向残余应力在焊缝区域为拉应力,峰值出现在圆筒内部靠近内表面一侧,焊缝周围的母材区域为压应力。经过焊后热处理,厚壁圆筒的残余应力总体水平相对较低,环向残余应力和轴向残余应力均降至100MPa以下。     

石油膨胀套管的力学性能及膨胀后的残余应力

针对选用的X52石油膨胀套管,通过不同的热处理工艺进一步改善其膨胀性能,研究了膨胀加工前后材料性能的变化规律.对于经扩径膨胀率达20%的管材,使用应力释放法测量了膨胀前后内外壁及焊缝熔合区、热影响区的轴向和环向残余应力.结果表明:经扩径膨胀后,管外壁的轴向和环向残余应力均为残余压应力,焊缝熔合区和热影响区的残余应力由拉应力向压应力转化,其中轴向残余应力变化幅度较大;管内壁膨胀后轴向与环向的残余应力均为残余拉应力.另外,对于不同膨胀率下力学性能与残余应力之间的关系中呈现的异常现象也进行了分析.     

焊接后热处理对20g抗腐蚀性能的影响

焊接残余应力对焊接构件的抗应力腐蚀性能有严重的影响.焊接后热处理是一种新的降低焊接残余应力的技术,使用焊接后热处理的方法,对三块20g试板分别采取在室温下进行焊后自然冷却、预热到400℃和500℃进行焊接焊后保温,然后用小盲孔法测量焊接残余应力,同时测定三块试板在不同腐蚀介质中的腐蚀速率.实验结果表明焊接后热处理能够有效降低焊接残余应力,并显著提高焊件的抗腐蚀性能.     

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.     

磁处理降低焊接残余应力中磁场方向的影响

为了解磁处理可降低铁磁性材料残余应力的内在机理和作用规律,通过实验研究了焊接试板在经不同磁场方向的磁场处理前后的残余应力分布,发现焊板平面内垂直于焊缝方向磁场处理后,焊缝区附近的残余应力有明显的降低;沿板厚方向磁场处理后,焊缝区附近残余应力也有所下降;而磁场方向沿焊缝方向进行处理,残余应力降低不明显。这说明磁场方向垂直于最大主应力方向时最有利于残余应力的降低。该文还初步分析了磁处理降低焊接残余应力时,磁场方向影响其效果的机理。     

减摩法调控结构钢焊接残余应力技术研究

根据焊缝固态收缩对焊接残余应力形成的作用，课题组进一步研究了将滑动摩擦变滚动摩擦的方法来减轻焊件自重拘束以达到调控焊接残余应力的目的，对不同板厚的薄钢板对接接头进行了试验研究，通过盲孔法测试了近缝区的焊接残余应力，试验结果表明，在采取减轻自重拘束工艺措施的情况下，薄板对接接头上的焊接残余应力峰值及平均值均显著降低。     

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。     

基于盲孔法的网架焊接空心球节点球面焊趾处残余应力的测试

基于盲孔法对3种规格的焊接空心球节点球面焊趾处焊接残余应力进行了试验测量,根据常规模型和Kirsch理论解对比计算了本次试验选取的应变片的应变释放系数。依据Scara-Mangas经验公式对计算得到的球面径向、环向焊接残余应力进行塑性修正,最终得出球面焊接残余应力分布图。探讨了焊接残余应力对工程领域中节点疲劳的影响。     

焊接空心球节点钢管焊趾处应力集中试验研究与有限元分析

采用试验和有限元的方法研究了焊接空心球连接节点中钢管焊趾处的应力集中特性。研究表明:焊接空心球连接节点的钢管焊趾处的垂直焊缝应力、环向应力和径向应力均为拉应力,其中垂直应力最大,环向应力约为垂直应力的1/2,径向应力最小。钢管焊趾处的热点应力随空心球外径和钢管壁厚的增大而增大,随空心球壁厚、钢管外径和焊脚尺寸的增大而减小。建立焊接空心球节点钢管焊趾处的热点应力集中系数求解公式,为建立以热点应力幅为参量的焊接空心球节点钢管焊趾处的疲劳设计方法奠定基础。     

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。     

考虑残余应力的钢桥面板-肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法

建立焊接分析有限元模型,对顶板-纵肋双面焊构造的焊接过程进行数值模拟,拟合得到顶板焊趾细节沿板厚方向分布的横向残余应力分布经验公式;建立钢桥面板断裂力学数值模型,结合统一的权函数表达式,推导适用于顶板焊趾处裂纹最深点和表面点应力强度因子的新权函数,并将权函数计算的应力强度因子与有限元计算的应力强度因子进行对比。研究结果表明：顶板-纵肋双面焊顶板焊趾处残余应力沿板厚方向处于拉—压—拉状态,呈正弦函数分布;在二次应力分布下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.4%,表面点应力强度因子最大相对误差为4.1%;在焊接残余应力场下,权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.6%,表面点应力强度因子最大相对误差为8.6%;权函数法能有效计算钢桥面板-肋双面焊顶板焊趾处疲劳裂纹应力强度因子。