Q460高强钢多层多道焊残余应力数值计算

摘要

Q460高强钢作为一种新型超细晶粒合金钢，具有优良的抗疲劳性能、良好的焊接性、较高的强度以及良好的低温韧性等优点，其厚板或厚壁焊接结构件被大量应用于工程机械、桥梁和钢结构等领域。焊接过程中，由于焊件不均匀受热，导致焊接残余应力产生，从而对结构件的强度、抗疲劳性能、裂纹等产生重要影响，而多层多道焊时残余应力分布更为复杂。但目前针对Q460高强钢的研究主要集中在焊接工艺、组织等方面，对其焊接残余应力的研究较少，从而阻碍了Q460钢的进一步推广应用。本文利用数值模拟技术，通过建立适用的有限元数值分析模型对Q460钢多层多道焊残余应力的分布特征进行研究，为Q460钢焊接工艺参数的优化提供技术支持和基础数据，具有重要的学术价值和工程实用价值。
　　选用生产中常用的Q460高强钢板-板对接、管-管对接以及管-板对接三种结构件作为研究对象进行应力场分析。在不同焊接条件下，采用CO2气体保护焊工艺进行焊接试验，以获得良好焊缝成形，确定最佳工艺参数，并利用小孔法对焊件表面残余应力进行检测。采用基于焊缝形貌的移动温度热源模型表征焊接热输入分布，依据热弹塑性理论，通过ANSYS有限元分析软件建立了Q460钢多层多道焊三维有限元模型，对板-板对接、管-管对接和管-板角接残余应力进行模拟计算，分析其残余应力分特征以及焊道布局对残余应力分布的影响。
　　研究结果表明：Q460钢板-板对接、管-管对接和管-板对接多层多道焊残余应力的计算结果与试验结果吻合良好，从而证明了模型的准确性和适用性。对于板-板对接多层多道焊，焊缝及近逢区产生较大的纵向残余拉应力，应力峰值达466MPa，超过母材屈服强度；随着离焊缝距离的增大，纵向拉应力迅速减小。横向残余应力在焊缝区域表现为较大的压应力，而在焊趾附近为拉应力。当焊道数目增加时，高应力区域宽度变窄。对于管-管对接多层多道焊，除起弧、收弧处位置外，其余位置残余应力相近；管道外表面残余应力相对内表面较小。对于管-板对接焊，管道外表面焊缝及附近区域环向应力是拉应力，轴向应力是压应力；管道内表面焊缝及附近区域环向应力和轴向应力都是拉应力；管道内部平板表面环向应力和轴向应力都为压应力，在焊趾附近，应力值都较大。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 超细晶粒钢的特点、应用前景和研究现状

1.3 焊接残余应力数值模拟研究现状及发展趋势

1.4 本论文主要研究内容及技术路线

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 焊接试验

2.2 残余应力实验

2.3 本章小结

第3章 有限元模型的建立

3.1 焊接热力学有限元分析理论

3.2 基于ANSYS的有限元数值模型

3.3 本章小结

第4章 Q460高强钢焊接温度场数值分析

4.1 引言

4.2 板-板对接温度场结果分析

4.3 管-管对接温度场结果分析

4.4 管-板对接温度场结果分析

4.5 本章小结

第5章 Q460高强钢焊接应力场数值分析

5.1 引言

5.2 板-板对接应力场结果分析

5.3 管-管对接应力场结果分析

5.4 管-板对接应力场结果分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文