高强钢焊接过程及焊后热处理的数值模拟研究

摘要

焊接是指同种或异种材质的构件，通过加热或加压或两者并用，添加或不添加材料，将构件不可拆卸的永久性连接在一起或在基材表面堆敷覆盖层的加工工艺。结构采用高强钢制造，既可以节省材料、减轻结构自重，又可以提升整体的机械性能，高强钢与普通结构钢相比化学成分更加复杂，对焊接残余应力的敏感性更高，焊接过程中除了要求使用专门焊剂或专门保护层的复杂合金焊接材料外，甚至还需要进行焊前预热处理和焊后热处理以减少焊接残余应力可能引起热裂纹、冷裂纹等工艺缺陷以及焊接变形引起结构形状和尺寸的偏差。
　　 焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接是一个局部快加热到高温，随后快速冷却的过程，伴随着热源的移动，整个焊接件的温度随着时间和空间急速变化，材料的物理性能参数也随着温度急速的变化，同时还存在相变时的潜热现象和融化现象，因此，焊接温度场的分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。焊后热处理过程中热对流占据主导因素，热处理过程也属于典型的非线性瞬态热传导问题。在以往的焊接研究中，多采用试验的方法，然而焊接试验费时费力，效果也不尽人意，采用数值模拟的方法可以较好的模拟焊接过程以及焊后热处理的温度场与应力应变场，对优化焊接结构设计和焊接工艺设计，减少实验工作量，提高焊接结构整体质量有比较重大的现实意义和经济价值。
　　 本文利用有限元分析软件ANSYS对高强钢焊接过程及焊后热处理的温度场与应力应变场进行分析，研究的内容主要包括：采用直接法对平板对接焊的焊接过程温度场与应力场的双向藕合场进行分析，考虑焊接母材材料的非线性，建立三维分析模型，采用分段热源模拟焊接件开V形坡口的焊接过程；采用间接法对T形焊缝的焊接过程温度场与应力场进行分析，将热源作为焊缝单元内部生热率的形式施加载荷并利用生死单元技术模拟材料的逐步添加；对焊后热处理前后平板对接焊接件的应力场对比分析并结合试验对数值模拟结果的精确度进行比较。