高强钢T型MAG焊接过程温度场与应力场的数值模拟与实验研究

摘要

高强钢具有较高的强度、良好的韧塑性，在焊接结构中的应用需求日益增加。然而，由于高强钢理化性能复杂且合金含量较高，其焊接比普通钢复杂得多;此外高强钢焊接接头的失效现象时有发生，严重限制了其在焊接工程领域的应用。为提高高强钢焊接质量，针对高强钢试验成本高、焊接工艺参数复杂造成的强度下降乃至焊件失效断裂等问题，本文对高强钢T型MAG焊接温度场与应力场进行了数值模拟和实验研究。
　　本文采用热弹塑性有限元法，对高强钢T型焊接过程进行数值模拟，对得到的焊接温度场、焊接热循环曲线及应力变形分布进行分析;其次，采用活性气体保护焊，基于热电偶测温原理，对高强钢特征点热循环曲线进行实验，并将模拟结果与实验结果相对比，验证了焊接数值模拟的正确性;最后，分析焊接影响因素，找出焊接速度和电流电压是三个主要因素，并通过正交实验法，得出了最佳的焊接工艺参数组合。
　　数值模拟与实验结果分析表明:
　　(1)焊缝峰值温度和焊接热循环曲线与实验结果吻合较好，验证了焊前所选的热源模型及焊接工艺具有合理性，证实了所建立的仿真模型能够较为准确地模拟焊接温度场和应力场的分布。
　　(2)不同焊接工艺参数对焊接温度场存在不同程度的影响，其中，焊接速度、电流和电压是三个主要影响因素。通过正交实验法，得到多因素条件下最佳的焊接工艺组合为:焊接电流110A，电压25V，焊接速度8mm/s，焊枪角度45°。考虑到工程可操作性，工艺参数值可在上述最优方案值的一定范围内浮动。
　　(3)沿焊缝方向上，节点的等效应力随时间起伏变化，在焊件的冷却过程中，等效应力逐渐趋于一稳定值(300MPa)。分析焊件X、Y、Z方向上的应力后发现，在焊缝的垂直方向上，焊件主要受拉应力作用，最大拉应力为449MPa。在焊缝的两端，焊件主要受压应力的作用，最大值为471MPa。

目录

声明

摘要

1．1 选题背景及意义

1．2 高强钢的焊接简介

1．2．1 高强钢的工程应用

1．2．2 高强钢的焊接工艺及焊接方法

1．3 焊接数值模拟的国内外发展现状

1．3．1 焊接温度场的发展现状

1．3．2 焊接应力场的发展现状

1．3．3 焊接影响因素及参数优化研究现状

1．4 本文的基本内容

第2章 焊接有限元分析理论基础

2．1 焊接温度场有限元分析理论

2．1．1 焊接温度场计算的数学模型

2．2 焊接应力和变形的分析理论

2．2．1 应力应变的数学模型

2．2．2 热弹塑性有限元法

2．3 Simufact．Welding软件介绍

2．4 本章小结

第3章 焊接有限元模型建立及实验平台搭建

3．1 焊接有限元分析模型的简化

3．2 焊接有限元模型的建立

3．2．1 几何模型的建立

3．2．2 定义模型材料性能参数

3．2．3 焊接模型网格划分

3．2．4 初始条件和边界条件的确定

3．2．5 热源模型的选取

3．2．6 生死单元法模拟金属的填充

3．2．7 温度场及应力场的求解

3．3 焊接温度场实验平台搭建

3．3．1 热电偶测温原理

3．3．2 实验设备及焊接材料

3．3．3 焊接工艺及规范

3．3．4 焊接热循环测试系统

3．3．5 测点分布和焊接参数的设定

3．3．6 测试步骤

3．4 本章小结

第4章 焊接温度场模拟结果分析

4．1 焊接温度场模拟结果及分析

4．1．1 焊接温度场分布特征

4．1．2 焊缝中心点焊接热循环曲线

4．1．3 垂直焊缝方向上点的焊接热循环曲线

4．2 实验和模拟结果的对比

4．3 工艺参数对焊接温度场的影响

4．3．1 焊接工艺参数对温度场的影响分析

4．3．2 焊接速度的影响

4．3．3 焊接电流及电压的影响

4．4 基于正交实验法的焊接工艺优化

4．4．1 正交实验法原理

4．4．2 因素水平表和试验安排

4．4．3 极差分析结果

4．5 本章小结

第5章 焊接应力场模拟结果分析

5．1 焊接应力场分布特征

5．2 焊缝中心线上应力分布

5．3 焊接应力对变形的影响

5．4 焊件残余应力的控制和消除方法简介

5．5 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢