采用热弹塑性有限元方法预测低碳钢钢管焊接变形

用有限元分析软件ABAQUS Code开发了用于模拟焊接温度场、焊接残余应力和焊接变形的热弹塑性有限元计算方法。通过建立三维有限元模型,预测了低碳钢钢管多层焊接时的温度场和焊接变形,并通过试验验证了所提出计算方法的精度和有效性。结果表明,在多层焊接条件下,采用有限元方法计算得到的焊接变形与试验结果十分吻合。

焊接变形的高精度测量方法及预测方法研究

基于有限元分析的固有变形逆解析方法是一种获取焊接接头固有变形的新方法。但是,采用该方法计算固有变形时,必须已知焊接前后焊接接头上少数点的三维坐标值。为了提高固有变形逆解析结果的精度,提出利用接触式三维坐标测量仪准确地获得焊件中面上三维坐标的新算法。该算法是通过在被焊件上加工小孔,在每一个小孔附近测量八个点的三维坐标,利用测量得到的坐标值确定小孔的中心位置。以2 mm和3 mm薄板表面堆焊焊接接头为例,以计算得到的小孔中心三维坐标为已知参数,基于逆解析方法求得了各成分固有变形,并采用固有应变法预测了2 mm和3 mm薄板焊接变形。通过比较分析发现,尽管焊件板厚只相差1 mm,但焊接变形的特征和变形量却有显著的差别,采用该测量方法及算法能获得焊接接头中面上较精确的三维坐标,基于逆解析方法获得的固有变形各成分有效准确。

GTA焊接电弧与熔池系统的双向耦合数值模拟

建立了ＧＴＡ焊接过程电弧与熔池双向耦合统一数学模型．该模型考虑了熔池自由表面变化对电弧和熔池的影响，并通过不断更新自由表面形状实现了电弧与熔池相互耦合．电弧和熔池的两组控制及辅助方程采用有限差分法进行求解．计算中采用了适体坐标系以确定不断变化的自由表面形状．用所建模型对３０４不锈钢材料的定点ＧＴＡ焊接过程进行了数值计算分析，取得了良好效果．

局部焊后热处理加热宽度的直接评定方法

局部焊后热处理通常用来改善焊接接头的性能和消除焊接残余应力。影响局部焊后热处理的因素很多 ,其中加热宽度是最重要的一个控制参数。然而对于加热宽度的确定 ,各国标准规定就很不一致。本文采用粘弹塑性有限元分析 ,提出一个基于残余应力消除效果的局部焊后热处理的直接评定方法。该方法可清楚地显示整个热处理过程中的应力变化并可找到临界的加热宽度。对存在原始焊接残余应力的管接头在不同的热处理条件下进行分析。研究表明 ,局部热处理后的最大残余应力随加热宽度的增加而降低 ,当加热宽度达到一定值时 ,残余应力变化十分缓慢 ,可找到一临界加热宽度 ,其残余应力值与均匀热处理时十分接近。采用此方法可评价各种因素对局部焊后热处理的影响 ,并寻求最佳加热条件。通过系列的分析计算表明 ,5rq的加热宽度准则是合理的。

局部焊后热处理两类评定准则的研究

焊后热处理的主要目的有2个: 其一是消除焊接残余应力; 其二是改善焊接接头的性能，因此焊后热处理的评定也应同时考虑这2个方面。局部焊后热处理通常用于炉内整体热处理无法应用的场合。然而至今各国关于局部焊后热处理的评定标准仍存在很大的差异。采用考虑高温蠕变的粘弹塑性有限元等数值方法与试验相结合, 对具有初始焊接残余应力的管子在不同热处理条件下进行了系列分析, 特别是对于局部焊后热处理加热宽度的确定进行了大量研究。基于上述研究提出了2个局部焊后热处理的评定准则, 即基于残余应力消除效果的残余应力准则和基于改善焊接接头性能的均热区温差准则。局部焊后热处理应同时满足这两个准则的条件。

Cr-Mo钢管子局部焊后热处理加热宽度准则的确定

采用粘弹塑性有限元方法从应力释放角度讨论了Cr-Mo钢局部热处理下各种优化加热条件。研究表明,局部热处理过程产生的瞬态和残余应力受蠕变性能和温度关系弹性模量等因素的影响。当加热宽度足够大时,局部热处理后的应力与炉中热处理的应力接近。通过与现有标准的比较,从应力释放角度位于焊缝中心5R t的加热宽度较为合理。提出了考虑焊接冷却过程Cr-Mo低温膨胀现象的相变模型。给出了焊接残余应力与局部焊后热处理应力的试验结果与模拟结果的对比。

焊接结构三维热变形的有限元模拟

采用三维热弹塑性有限元法对焊接过程中的动态应力应变及焊后的残余应力和变形进行了数值摸拟．探讨了焊接时力学行为的特点和提高解的精度和收敛性的途径，并介绍了若干成功的应用实例．

基于粘弹塑性理论局部焊后热处理评定准则

采用考虑高温蠕变的粘弹塑性有限元等数值方法与实验相结合 ,对具有初始焊接残余应力的管子在不同热处理条件下进行了分析 ,特别是对局部焊后热处理加热宽度的确定进行了研究 .提出了 2个局部焊后热处理的评定准则 ,即基于残余应力消除效果的残余应力准则和基于改善焊接接头性能的均热区温差准则 .局部焊后热处理应同时满足这两个准则的条件 .

薄板焊接变形高精度预测方法的研究

采用固有应变方法预测焊接变形时,传统方法是把纵向收缩、横向收缩和角变形这三成分作为接头的固有变形来估算焊接变形。但是,由于薄板的刚度低,在纵向方向上的弯曲变形也较明显,采用传统方法会影响薄板焊接变形的预测精度。为提高精度,文章对传统的方法进行了改进,开发了包括考虑纵向弯曲在内的四成分固有变形数值计算方法来预测薄板焊接变形。数值模拟结果表明:运用该方法预测薄板的焊接变形时,比传统的方法有更高的精度,而且预测结果与热弹塑性有限元的模拟结果十分吻合。

薄板搭接接头固有变形逆解析方法

文中采用变形测试和数值模拟技术相结合的研究手段对低碳钢薄板搭接接头固有变形的求解方法进行了研究,提出了该接头的固有变形分布简化模型,并利用固有变形逆解析方法推定了3 mm低碳钢薄板的固有变形.使用该方法得到的固有变形值来预测焊接变形能较好的再现试验结果.结果表明,采用文中提出的固有变形分布简化模型能获得高精度的固有变形值,搭接接头固有变形的逆解析算法是正确有效的.

焊接接头非均匀力学性能对J积分和失效评定曲线的影响

由于焊缝填充金属的不同和焊接热循环的作用，焊接接头不同区域有着不同的力学性能。本文将焊接接头模化为由两种材料组成，即母材金属和焊缝金属，用弹塑性有限元分析法计算了焊接接头强度组配对Ｊ积分和失效评定曲线的影响。结果表明，焊接接头不均匀强度组配对裂纹驱动力———Ｊ积分和失效评定曲线的形状与位置有很大影响。对于一个特定的焊接接头，如果接头为低组配或等组配，则以母材金属的极限载荷作为无因次载荷而建立的安全评定图较为保守；如果接头为高组配，则以焊缝金属的极限载荷作为无因次载荷而建立的安全评定图较为保守。

相变塑性对低温相变钢焊接接头残余应力计算精度的影响

基于JWRIAN焊接数值模拟软件,开发了考虑固态相变的热—冶金—力学耦合的数值计算方法来模拟低温相变钢的焊接残余应力.重点讨论了固态相变中的体积变化、屈服强度变化和相变塑性对焊接残余应力的影响.结果表明,相变引起的体积变化和屈服强度变化对最终的焊接残余应力分布和大小有显著影响,相变塑性与前两者相比较影响相对较小,但它对焊缝和热影响区在相变过程中的应力变化趋势有一定的减缓作用,从而适度"松弛"了残余应力.

三维管接头焊后局部热处理加热宽度准则

提出了直接定量评定管接头焊后局部热处理应力释放效果的方法。构造了三维管接头焊接应力和局部热处理温度场。采用粘弹塑性有限元方法对管接头焊后不同局部热处理条件下应力分布特征进行了研究。对单道焊情况 ,不同焊接规范下的焊接应力分布具有相似性 ,焊接顺序对应力峰值位置的影响较小。对管接头热点处焊接应力在不同局部热处理条件下释放程度做了分析 ,在局部热处理加热宽度足够大情况下残余应力明显下降。周向和轴向应力分量与加热宽度的关系不同 ,周向和轴向应力的最优加热宽度分别为 3 .46Rt和 4.8Rt。通过对局部热处理主要工艺参数的计算 。

多层焊焊接应力分布对管子局部热处理应力释放准则的影响

采用有限元方法构造了轴对称模型下多层焊应力分布 ,用粘弹塑性有限元方法对管子多层焊后不同局部热外理条件下应力分量的分布情况进行了研究 .结果表明 ,管子内、外侧残余应力和加热宽度表现出不同的规律 :管子外侧的残余应力随加热宽度的增加缓慢下降 ;管子内侧的残余应力在较小的加热宽度下可以得到有效消除 .残余应力与加热宽度关系表现为两种类型 :一种是理想衰减型 ;另一种为局部最小型 .多层焊形式下的残余应力与加热宽度的关系表现为后一种型式 .加热宽度 2 B=5 Rt较为合理 .过大的加热宽度对局部热处理应力释放的作用不大 .最后 ,进行了管子的多层焊和局部热处理试验 ,并采用 X-射线法对局部热处理后的应力进行了测量 .

通过监测电极位移的模糊控制铝合金点焊

利用热弹塑性有限元来仿真研究铝合金的点焊过程 ,分析了焊接电流和电极挤压力对点焊质量的影响。研究了电极位移与焊接电流和挤压力间关系 ,证明电极位移表征了点焊质量 ,只要电极位移控制在一个合适的范围内 ,就能得到理想的点焊质量。在此基础上 ,提出监控电极位移 ,利用模糊控制方法 ,实时改变点焊的电流 ,从而控制点焊熔核尺寸 ,达到良好的点焊质量。由于模糊控制的引入 ,极大地扩大了点焊对挤压力等的适应能力 。

T形焊接接头固有变形逆解析方法的开发

基于固有应变方法的弹性有限元方法是适用于大型复杂焊接结构件变形预测的有效方法,但这一方法得以运用的必要条件是必须已知存在于焊缝附近的固有变形.文中利用物理试验和数值模拟技术相结合的研究手段开发了典型焊接接头固有变形的逆解析数值计算方法.利用逆解析得到的固有变形值,采用固有应变弹性有限元方法对T形焊接接头的焊接变形进行了预测.通过比较数值模拟结果和试验测量值,验证了基于数值模拟技术的逆解析方法的求解精度.结果表明,T形焊接接头固有变形的逆解析算法是正确有效的.

熔池表面Marangoni力诱导的表面速度奇异现象

通过对焊接熔池流体流动与传热过程控制方程组、合金元素气化方程、Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力方程以及其他辅助方程的耦合求解，定量计算了ＦｅＣｒＮｉＳ合金系中具有不同Ｓ含量时焊接熔池的表面温度分布和浮力、电磁力、Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力共同作用下的表面速度分布．结果表明，在微量的Ｓ含量条件下，熔池表面上的Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力会出现一个最大值．随Ｓ含量增大，Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力减小，Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力的最大值对应的温度增大．在Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力诱导下，熔池内会形成两个方向相反的涡流环路，它们具有不同的温度，并在熔池表面上逆向而流，相遇处产生很大的温度梯度，从而在该部位引发表面速度奇异峰值．当Ｓ含量较小时，表面速度奇异峰值发生在液相线前沿，当ｗ（Ｓ）大于０．０３％时，速度奇异性消失．

表面活性元素对Marangoni流和熔池形状影响的数值分析

根据合金熔化与凝固过程液相区、固相区和糊状区共存的特点，建立了适合于ＧＴＡ焊接熔化与凝固过程的统一模型控制方程和辅助方程，并用控制容积积分的有限差分法对其进行了数值求解。能量方程中考虑了固／液相变潜热、表面合金元素的气化、表面对流和辐射热损失， 动量方程中考虑了浮力、电磁力和Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力驱动流。重点讨论了Ｆｅ－１８Ｃｒ－９Ｎｉ合金中表面活性元素—硫 （Ｓ） 对Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力诱导的熔池内涡流环路和熔池形状的影响。结果表明， Ｓ质量分数较小时， 每半个熔池内存在两个相反的涡流环路， 随着Ｓ质量分数的增加向外的流体环路逐渐减弱并消失， 面向内的流体环路逐渐增强与扩大， 造成熔池深度的增加。

表面张力与合金汽化对激光加热表面温度的影响

通过数值计算考察了激光诱导的合金元素汽化和表面张力驱动流对加热表面温度分布和最高温度的影响。结果表明 ,当 |σ/T|很小或用纯导热模型计算时 ,汽化热损失对表面温度分布和表面最高温度的影响很大 ,此时汽化热损失是决定表面最高温度的主要因素 ;当 |σ/T| >3 .0× 1.0 -4 N/m2 时 ,汽化热损失的影响很小 ,此时表面张力驱动流是决定表面最高温度的主要因素。

AN FEM MODEL OF BUCKLING DISTORTION DURING WELDING OF THIN PLATE

In the analysis of buckling distortion during welding of thin plate both material nonlinearity and geometrical nonlinearity should be taken into account. The numerical simulations were performed using a 3 D thermal elastic plastic large deformation FEM model. The transient distortions during welding cycle were analyzed to show the generation of buckling phenomenon in a thin plate. The residual distortions and stresses can be also obtained. The computed distortions were compared with experimental values by laser measuring system and good agreement was obtained. The investigations show that buckling phenomenon is caused in the heating stage and it will turn to the opposite direction in the cooling stage and the deflection increases with the increasing of compressive stresses in the plate.