坡口形式对SUS304奥氏体不锈钢对接接头残余应力和变形的影响

摘要

SUS304奥氏体不锈钢由于具有良好的综合力学性能和加工性能，适用于制造各种要求耐腐蚀抗氧化、耐高温及超低温的零部件及设备，因而被广泛应用到工业生产当中。
　　焊接过程中，由于存在不均匀温度场，被焊工件不可避免会产生残余应力和焊接变形。奥氏体不锈钢具有较大的线膨胀系数和相对较低的热导率，因而具有产生较大焊接残余应力和变形的倾向。焊接残余应力对不锈钢接头的静载强度、疲劳强度和抗腐蚀性能等都有着非常不利的影响;焊接变形不仅会影响接头的外观质量、降低结构的承载能力，而且矫正焊接变形还会增加制造成本和延误工期。因此，在设计制造过程中控制不锈钢结构的焊接残余应力与变形是个非常值得重视的问题。近年来，如何控制和减小焊接结构的残余应力和变形已成为越来越受重视的研究课题。随着计算机技术的快速发展和计算焊接力学理论的日臻成熟，数值模拟技术被广泛地用于预测实际工程结构中的焊接残余应力和变形。
　　作为基础研究，本文以ABAQUS软件为平台，开发了用于模拟多层多道焊接过程的热-弹-塑性有限元计算方法。利用所开发的计算方法，对板厚10 mm的V形坡口、K形坡口和X形坡口的SUS304不锈钢平板对接接头的温度场、应力场和变形进行数值模拟，并通过试验方法验证了数值模拟结果的准确性。采用数值和试验的方法研究了坡口形式对SUS304不锈钢接头残余应力分布和变形的影响。为改善焊接结构的焊接工艺、控制和减小奥氏体不锈钢焊接残余应力与变形提供理论基础。
　　实验研究表明：坡口形式对接头的残余应力和角变形有显著的影响：V形坡口的高拉伸残余应力区和角变形均明显大于K形坡口和X形坡口，而K形坡口则略大于X形坡口;坡口形式对纵向残余应力的峰值影响较小。
　　另外，我们通过开发有限元计算方法模拟了奥氏体不锈钢SUS304在多层多道焊时的温度场和应力场，探讨了加工硬化和退火软化对焊接残余应力计算结果的影响。

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目录

1 绪 论

1.1选题背景及意义

1.2 SUS304不锈钢焊接接头的研究现状

1.3 SUS304不锈钢焊接过程的难点及关键技术

1.4 数值模拟技术在焊接中的应用、研究现状及展望

1.5本文研究内容

1.6本章小结

2 ABAQUS有限元分析基础理论

2.1焊接温度场的分析理论

2.2控制方程及边界条件

2.3流体力学连续方程：

2.4动量方程：

2.5焊接应力场分析理论

2.6屈服准则

2.7流动准则

2.8强化准则

2.9焊接热弹塑性理论

3 V形坡口SUS304奥氏体不锈钢对接接头残余应力和变形

3.1研究内容

3.2 试验方法

3.3 温度场计算模型

3.4 温度场结果分析与讨论

3.5应力应变计算模型

3.6 模拟结果与试验结果对比

3.7本章小结

4 坡口形式对SUS304奥氏体不锈钢对接接头残余应力和变形的影响

4.1 引言

4.2 试验方法

4.3 有限元计算方法

4.4 结果比较与讨论

4.5 本章小结

5 加工硬化和退火软化对SUS304不锈钢多层多道焊接残余

5.1 引言

5.2 计算案例

5.3 残余应力计算结果

5.4 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录