低合金高强钢焊接残余应力与变形的数值模拟

摘要

低合金高强钢由于综合力学性能好、成本相对较低以及加工性好等优点，现已被广泛运用于桥梁、建筑结构、工程机械、船舶以及海洋平台等领域。熔化焊接是低合金高强钢最常用的连接方式。由于低合金高强钢自身冶金特点的原因，在焊接过程中不可避免地要发生固态相变，而固态相变过程中会产生体积变化以及材料力学性能变化等因素，对焊接残余应力和变形的形成过程有重要的影响。焊接过程中产生的应力往往是导致热裂纹、冷裂纹和层状撕裂裂纹的主要原因。同时焊接残余应力是导致结构疲劳强度降低、诱发应力腐蚀裂纹和促使脆性断裂的重要因素。焊接变形是造成焊接结构尺寸精度降低的主要原因，它不仅直接影响产品的外观质量，而且矫正变形还会增加成本延误工期。因此，对于低合金高强钢焊接残余应力与变形的研究，具有重要的理论意义和工程应用价值。然而，由于实验测量残余应力成本较高、工作量大以及对材料有破坏性等方面的局限性，采用实验的手段直接测量实际工程中的焊接残余应力会有较大的困难。同时，常规的实验方法不能准确的获得焊接接头内部的残余应力分布。近20年来，数值模拟方法取得了很大的进展，焊接数值模拟有可能从根本上解决测量残余应力困难这一工程难题。　　本课题以大型有限元软件SYSWELD为平台，开发了考虑“热-冶金-力学”耦合的非线性有限元计算方法，来计算系列低合金高强钢典型焊接接头的温度场、组织分布、残余应力以及焊接变形。首先，采用所开发的计算方法对Q345钢单道重熔和两道重熔焊接接头温度场、组织、硬度以及残余应力进行了数值模拟；同时采用实验手段验证所开发的有限元模型的准确性。基于Satoh模型的数值模拟结果，澄清了在不同热循环作用下，Q345钢焊接残余应力形成过程与演化机理。研究结果表明：在本研究采用的焊接条件下，Q345 钢单道重熔焊缝以贝氏体为主，平均硬度值约为310 HV；热影响区组织包含有贝氏体、铁素体、珠光体以及少量的马氏体组织，随着到熔合线距离的增加，硬度值呈下降趋势；母材的组织为铁素体和珠光体，平均硬度值约为167 HV。由数值模拟结果可知，考虑固态相变的影响，焊缝及热影响区的纵向拉伸残余应力峰值达到580 MPa，显著高于母材的常温屈服极限。而不考虑相变的影响，焊缝及热影响区的纵向残余应力峰值仅有460 MPa。远离焊缝和热影响区的区域，纵向残余应力的大小和分布几乎不受焊缝和热影响区的固态相变影响。　　采用本研究开发的数值模拟方法，以Q345钢的研究内容为基础，对比研究了固态相变对不同强度等级的低合金高强钢（Q420、Q690 及 Q960）焊接残余应力的影响。研究结果表明：随着材料强度升高（或碳当量升高），固态相变对残余应力的影响更加明显。特别是，对Q960钢而言，焊缝中的纵向拉伸残余应力峰值仅有200 MPa，远低于材料常温时的屈服极限，该结果表明固态相变对Q960钢的残余应力有着显著的影响。　　本研究以SUS304/Q235异种钢管板接头为研究对象，采用实验方法测量接头的焊接变形，同时采用数值模拟方法计算了接头的焊接残余应力与变形，并讨论了不同熔敷顺序和管壁厚度对焊接残余应力与变形的影响。基于数值模拟结果，探究焊接始终端位置的残余应力分布特征。结果表明：对于SUS304/Q235异种钢管板接头而言，焊接残余应力分布受熔敷顺序的影响十分显著，变形分布形态也在一定程度上受到了熔敷顺序的影响。随着管壁厚度的增加，圆管径向变形量反而减小，周向残余应力的峰值有所增加，同时，圆管与焊缝异材界面处的周向残余应力梯度也明显增大。　　此外，本文以“轮式装载机后轴桥焊接结构”为例，重点研究了固态相变对后轴桥焊接结构残余应力与变形的影响，此外，以固态相变为基础，还研究了焊接顺序以及焊接方向对后轴桥焊接结构变形的影响。研究表明：轮式装载机后轴桥焊后主要发生马氏体和贝氏体相变，固态相变能后显著降低焊缝的纵向拉伸残余应力峰值。同时，固态相变对焊接变形有一定的影响，忽略固态相变的影响，会使预测的焊接变形偏大。不同的焊接顺序对轮式装载机后轴桥焊接变形影响不明显，但变形模式存在一定的差异。　　本文系统的研究了固态相变对不同强度等级低合金高强钢焊接残余应力与变形的影响。获得的研究结果可以预估“固态相变”对不同强度等级低合金高强钢焊接残余应力与变形的影响程度，为建立预测工程应用中焊接结构的残余应力与变形的有限元模型提供理论指导。

目录

1 绪 论

1.1研究背景

1.2 国内外低合金高强钢焊接残余应力与变形的研究现状

1.3 数值模拟中固态相变问题的研究

1.4研究意义

1.5主要研究内容

2 Q345钢单层多道焊接残余应力的演化机理

2.1 引言

2.2 实验方法

2.2.1 焊接试板的制作

2.2.2 常温拉伸实验

2.2.3 焊接残余应力测量

2.2.4金相观察及硬度测试

2.3有限元计算方法

2.3.1 温度-组织计算

2.3.2 应力计算

2.3.3 热源模型

2.3.4 Q345钢的材料模型

2.3.5 Q345钢的有限元模型及边界条件

2.4 结果与分析

2.4.1 Q345钢的温度、组织与硬度数值模拟结果

2.4.2 Satoh数值实验结果

2.4.3 Q345钢的应力场数值模拟结果

2.5 本章小结

3 固态相变对不同强度等级低合金高强钢焊接残余应力的影

3.1 引言

3.2 有限元计算方法

3.2.1 不同强度等级低合金高强钢的材料模型

3.2.2 不同强度等级低合金高强钢的有限元模型及边界条件

3.3 结果与分析

3.3.1 碳当量与强度级别的关系

3.3.2 不同强度等级低合金高强钢的温度场数值模拟结果

3.3.3 不同强度等级低合金高强钢的应力场数值模拟结果

3.4 本章小结

4 熔敷顺序和管壁厚度对异种钢管板接头焊接残余应力与变

4.1 引言

4.2 实验方法

4.3 有限元计算方法

4.3.1 异种钢管板接头的有限元模型及边界条件

4.4 结果与分析

4.4.1 异种钢管板接头的焊接变形数值模拟结果

4.4.2 异种钢管板接头的应力场数值模拟结果

4.5 本章小结

5 轮式装载机后轴桥焊接结构残余应力与变形数值模拟

5.1 引言

5.2 有限元计算方法

5.2.1 轮式装载机后轴桥焊接结构的材料模型

5.2.2 轮式装载机后轴桥的有限元模型及边界条件

5.3 结果与分析

5.3.1 轮式装载机后轴桥焊接结构的温度场模拟结果

5.3.2 固态相变对轮式装载机后轴桥焊接残余应力与变形的影响

5.3.3 焊接顺序对轮式装载机后轴桥焊接结构变形的影响

5.3.4 焊接方向对轮式装载机焊接结构变形的影响

5.4 本章小结

6 结 论

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据采集

致谢