SUS304不锈钢薄板激光焊与惰性气体保护焊的焊接变形和残余应力的比较

为了定量比较激光焊(LBW)与惰性气体保护焊(MIG)导致的焊接变形和残余应力的差异,以厚度为4 mm的SUS304不锈钢焊接接头为研究对象,基于有限元软件MSC.Marc,在同时考虑材料和几何非线性的情况下,开发热-弹-塑性有限元方法对两种不同焊接方法所引起的焊接变形和残余应力进行了数值计算。同时采用小孔法和三坐标测量法分别测量了MIG接头的焊接残余应力和变形。结果表明无论是焊接变形还是残余应力,试验结果与仿真计算的结果都有很好的一致性,从而验证了本研究所开发的计算方法的有效性。基于数值模拟的结果可知,与MIG相比,采用LBW可以使薄板的焊接面外变形降低75%左右;LBW导致的纵向残余应力峰值与MIG相比差别不大,但高拉伸应力的分布范围降低了50%左右;对于横向残余应力,无论是峰值还是高拉伸应力的范围,LBE均远小于MIG。此研究得到的结论对于大量推广激光焊用于不锈钢薄板焊接变形与应力的控制提供了借鉴作用。

热源模型对Q420厚板焊接残余应力和变形预测精度的影响

以板厚为40mm的Q420高强钢多层多道焊接头为研究对象,基于有限元软件MSC.Marc,分别采用移动热源模型和瞬间热源模型对接头的残余应力与变形进行了数值模拟,同时也用试验方法测量了接头的焊接残余应力和变形。对比数值模拟结果与试验结果可知,移动热源模型对焊接残余应力和变形都有较高的预测精度;瞬间热源模型只能比较精确的预测焊接残余应力,预测的焊接变形远低于实际测量值,然而,瞬间热源模型能大幅度的缩短计算时间。如果焊接构件只关注焊接残余应力,瞬间热源模型将具有更大的优势。

大型管板结构焊接残余应力的预测与消除

基于有限元软件MSC.Marc开发了2D轴对称热-弹-塑性有限元模型,用于预测其大型管板结构多层多道焊的焊接温度场和残余应力。之后以此焊接残余应力为初始条件,利用所开发的模型,研究了焊后热处理对焊接残余应力的消除情况;同时研究了在热处理过程的保温阶段是否考虑蠕变对焊后热处理后残余应力消除情况的影响。结果表明,该大型管板结构的焊缝及热影响区附近存在较大的焊接残余应力;通过焊后热处理工艺,可以显著地降低焊接产生的高拉伸应力,但对于焊接压缩应力的影响较小;以环向应力为例,在考虑蠕变的情况下,可以使高拉伸应力的峰值降低86%,而在不考虑蠕变的情况下,只能降低60%;焊接残余应力的释放主要发生在升温阶段,而在降温阶段应力有所升高;在考虑蠕变时,保温阶段焊接残余应力得到一定的释放,在不考虑蠕变时,保温阶段应力保持不变。

不同有限元软件对Q390钢厚板T型接头焊接残余应力和变形预测精度与计算效率的比较

以Q390高强钢厚板多层多道焊T型接头为研究对象,分别基于ABAQUS、MARC和SYSWELD三款不同的有限元软件平台,开发"热-弹-塑性有限元方法"模拟接头的焊接温度场、残余应力与焊接变形。采用理论方法检验三种数值模拟软件在计算焊接温度场时的热量损失情况。结果表明,通过ABAQUS软件进行多层多道焊温度场的计算时,在后续焊道单元的添加和激活过程中,会造成热量的损失,对此提出了相应的解决方案;另外两个软件对焊接温度场的计算不存在热量损失问题。同时,采用试验方法实测接头的焊接残余应力和焊接变形。通过对比数值模拟结果与试验结果可知,三种不同的数值模拟软件对焊接残余应力都有较高的预测精度。对于焊接变形,ABAQUS的预测精度最高,然而计算时间最长;MARC次之,与ABAQUS相比计算效率提高了55%;SYSWELD对多层多道焊焊接变形的预测精度相对较差,但其计算效率最高,与ABAQUS相比效率提高了66%。为充分利用各个软件的优势进行焊接数值模拟的研究提供了较好的借鉴和参考价值。

蠕变对焊后热处理残余应力预测精度和计算效率的影响

基于MSC.Marc软件平台,开发了考虑蠕变效应的热-弹-塑性有限元计算方法。采用该方法模拟了Q345平板接头TIG重熔焊接过程和焊后热处理过程中的应力场,并重点研究了焊后热处理过程中蠕变效应对焊接残余应力的影响,基于数值模拟结果研究了焊后热处理消除残余应力的机理。同时,采用盲孔法实测了焊接及热处理后平板接头的残余应力,并与数值模拟结果进行了对比。此外,还探讨了2种不同的蠕变模型对焊后热处理残余应力计算精度的影响,针对Q345低合金高强钢,提出了一种简易高效、适合于工程应用的蠕变模型。结果表明:数值模拟得到的残余应力与实验值吻合良好,验证了所开发的集成计算方法的有效性。热处理计算过程有必要考虑材料的蠕变效应,否则会严重高估热处理后的残余应力。采用本工作提出的简易蠕变模型,在较少损失计算精度的前提下可使计算效率提高10倍左右。

熔敷顺序和管壁厚度对异种钢管板接头焊接残余应力与变形的影响

异种钢焊接接头广泛应用于机械、化工、电力和交通等领域的装备制造中,由于异种钢接头的材料不同,焊接过程中产生的残余应力分布十分复杂,但关于异种钢焊接接头残余应力的研究还很不充分。以SYSWELD有限元软件为平台,开发用于模拟异种钢焊接接头残余应力与变形的热-弹-塑性有限元计算方法。基于此方法,以异种钢管-板焊接接头为对象,研究不同熔敷顺序和管壁厚度对接头焊接残余应力与变形的影响。在数值模拟过程中,针对不同类型的材料采用不同的本构模型来模拟材料的力学行为。采用接触式三维坐标测量仪测量焊接接头特征位置的变形量,验证有限元计算方法的有效性。研究结果表明,管板接头的残余应力分布受熔敷顺序的影响十分显著,变形分布形态也在一定程度上受到了熔敷顺序的影响。随着管壁厚度的增加,圆管径向变形量反而减小,周向残余应力的峰值有所增加,同时圆管与焊缝异材界面处的周向残余应力梯度也明显增大。开发的数值模拟方法将是预测异种钢焊接接头残余应力与变形的有力工具,模拟结果将为焊接结构的健全性评价供理论支撑。

尺寸因素对2D轴对称模型计算不锈钢管焊接残余应力精度的影响

采用数值模拟和实验相结合的方法研究了尺寸因素对2D轴对称模型计算SUS316不锈钢管焊接残余应力精度的影响。基于通用有限元软件MSC. Marc,分别采用2D轴对称模型和3D模型计算了不同尺寸圆管对接接头的温度场和焊接残余应力分布,并将小尺寸管残余应力计算结果与实验测量结果进行了比较。结果表明,2D轴对称模型与3D模型计算结果整体吻合较好,但在靠近内表面的焊缝及近焊缝区域,焊接残余应力的幅值和拉压应力区域的大小存在一定差别,且差别随圆管尺寸的增加而增大。对于实际的工程应用,在不考虑始终端应力问题时,可以用2D轴对称模型代替3D模型计算环焊缝稳定区残余应力,从而节省大量计算时间。