非熔化盘式电极焊缝清根温度场与应力场的模拟研究

摘要

在球罐、储罐及压力容器等大型厚壁金属容器的焊接施工中，为了满足焊透和其他焊接要求，均需进行焊缝清根操作。清根质量好坏不仅关系到焊缝的最终质量，同时还影响工程的进度和成本。清根规律的研究，不仅能够为工艺制定和优化清根工艺参数提供依据，也为后续焊接过程做好基础理论准备。
　　 因此，本文基于新研制的非熔化盘式电极自动清根技术，对焊缝清根规律进行了研究。针对非熔化盘式电极原理与结构特点，借鉴传统体积热源模型，推导了相应的热流分布模式。并根据传热学与热弹塑性理论，利用ANSYS软件建立了清根温度场与应力场的模型，采用间接法处理二者的弱耦合效应，分析了温度场与应力场的动态演变过程以及最后的残余应力。讨论了清根电流、清根速度等参数对温度场影响规律。
　　 模拟结果表明：清根时瞬时输入能量大，刨削速度快，被刨金属瞬时熔化，而后又被及时吹走，造成对周围金属传热时间很短，导致了温度场变化十分剧烈，产生极大的温度梯度，热影响区T8/5冷却时间只有0.8 s。随着清根速度的减小或清根电流的增加，温度场的分布加宽，热循环的峰值温度升高，在高温时刻的停留时间增加，冷却速度减慢。而且清根速度增大，坡口截面面积减小。模拟中采用电压为22 V，电流为600 A，清根速度分别为10 mm/s，15 mm/s，20 mm/s时，清根坡口截面有效面积分别为17.96mm2，14.00 mm2，11.08 mm2；而随着清根电流的增加，坡口截面面积增加。模拟中采用电压为22 V，清根速度为15 mm/s，电流分别为500 A，550 A，600 A时，清根坡口截面的有效面积分别为11.84 mm2，13.12 mm2，14.00 mm2。应力场模拟结果显示，清根坡口附近为拉伸残余应力，向板边过渡为压缩残余应力。坡口两侧的高拉应力区域很窄，最大残余应力达到227 MPa，而远离坡口的残余等效应力较小且较均匀，约为25～50 MPa，形成非常陡峭的残余应力分布形式。从工件上表面应力来看，在紧靠坡口处为较小的拉应力，然后迅速上升，达到峰值后又迅速下降，此时纵向应力转为压应力，而横向残余应力直接趋于0应力状态，并且纵向应力远大于横向应力。从厚度方向的残余应力来看，在清根坡口底部存在三向应力集中。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前 言

1.1 焊缝清根技术研究现状

1.1.1 碳弧气刨

1.1.2 电弧刨割

1.1.3等离子弧清根

1.1.4清根发展方向

1.2温度场与应力场的研究进展

1.2.1焊接温度场的研究

1.2.2焊接应力场的研究

1.2.3焊接模拟的发展动向

1.3课题研究的意义

1.4课题的主要工作

第2章盘式电极清根原理与电弧分析

2.1清根原理

2.2电弧分布与能量分析

2.2.1 电弧的产生

2.2.2电弧分布规律

2.2.3电弧的热效率

2.3清根热流分布模式

第3章焊缝清根温度场的有限元计算模型

3.1 工程应用的有限元法

3.2温度场理论分析

3.2.1清根传热的基本形式

3.2.2数学控制方程及定解条件

3.2.3温度场的有限元分析方法

3.3物理模型的建立

3.3.1基本假设

3.3.2几何模型与网格划分

3.3.3单元类型与材料属性

3.4载荷的加载

3.4.1边界的处理

3.4.2移动热源

3.5熔化金属吹除的模拟

3.6温度场求解的选项设置

第4章温度场模拟结果分析

4.1温度场动态变化过程

4.2清根温度场特点分析

4.3清根参数对温度场的影响

第5章焊缝清根应力场有限元计算模型

5.1应力场理论分析

5.1.1 热弹塑性解析的特点与简化

5.1.2塑性理论

5.1.3热弹塑性有限元分析

5.2温度应力的耦合求解方法

第6章应力场的模拟结果分析

6.1动态应力分布与分析

6.2残余应力分布与分析

6.3应变与变形

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致 谢