带有埋藏裂纹的焊接接头电磁热强化及力学性能分析

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1、第32卷第10期焊接学报Vol．32No．102011年10月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONOctober2011带有埋藏裂纹的焊接接头电磁热强化及力学性能分析郑丽娟，柴璇，韩晓娟，付宇明(燕山大学机械工程学院，秦皇岛066004)摘要:采用ANSYS分析软件对45钢焊接接头电磁热强化过程进行了数值仿真，并对其强化后的温度场和残余应力场进行了分析．结果表明，电磁热强化使焊接接头内部裂纹尖端钝化，减少了应力集中，焊接裂纹尖端形成了3向残余压应力场．通过ZL-2

2、型脉冲放电装置对45钢焊接接头进行了电磁热强化试验，并对其进行了强化前后力学性能对比分析．经过脉冲放电强化后的焊接接头抗拉强度和断后伸长率均有所提高，其力学性能得到了改善．数值分析和试验研究均证实了电磁热强化技术应用到焊接领域的可行性．关键词:焊接接头;埋藏裂纹;电磁热强化;数值分析;力学性能中图分类号:TG442文献标识码:A文章编号:0253－360X(2011)10－0005－04郑丽娟0序言1焊接接头电磁热强化数值分析焊接接头在焊接结构中属于薄弱环节，在残余焊接裂纹绝大多数是三维裂纹，而这些裂纹大应

3、力的直接作用下，一般在接头内起裂，然后偏向母多可以简化为椭圆形深埋裂纹、半椭圆形表面裂纹材并在其中扩展，进而发展成整个结构的破坏．焊或1/4椭圆形角裂纹．文中对焊接接头内存在的裂接裂纹是一种具有尖锐端头且开口位移长、阔比极纹简化成纵向椭圆埋藏裂纹．运用ANSYS间接耦高的断裂型非连续性缺陷，在焊件中经常出现．焊合法计算焊接接头电磁热强化后的残余应力场．接裂纹大多存在于焊缝金属内，例如，对运行中的1．1模型的建立及假设217台板式压机进行复查，有56%的焊缝区中有裂所选模型尺寸大小为60mm×20mm×8mm

4、，［1］纹;445个压辊中有57%的焊缝有裂纹．这些焊接头形式为V形接头，如图1所示．接裂纹是焊接接头中最危险的缺陷，它会严重削弱材料强度．在制造过程中遗留的焊接裂纹会在构件中迅速的扩展，使构件破坏．利用脉冲放电实现碳素钢焊接接头的电磁热效应强化技术不但能实现接头的表面强化，同时对于［2］焊接接头内部强化的效果也非常明显．强脉冲电流仅在焊接接头处产生绕流集中效应，由于电磁热内部强化是一个相当复杂的过程，因此用传统的方图145钢焊接接头法不能完全、准确地分析强化过程的温度场和残余Fig.1Weldedjoin

5、tof45steel应力场．ANSYS有限元仿真可将电磁热处理过程的物理现象和焊接接头的几何造型有机地结合起来，模型由两种材料组成，其中焊板由中碳钢45钢实现动态逼真的模拟，很容易获得焊接接头电磁热组成，焊缝处选用ER50-6牌号焊条进行焊接，因此强化温度分布、温降历程以及残余应力场的分布，为在确定参数时，焊板与焊缝材料的物理参数相同．电磁热强化技术应用到焊接领域打下基础．45钢常温下的物理性能参数如表1所示．45钢的焊接性能较差，因此焊接缺陷较明显，其中必然存在收稿日期:2010－08－26冷、热微观裂纹

6、，从焊接接头中部对焊缝进行线切基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675190，51075351，51105325)割，切出8mm×5mm×5mm的试块，并在金相显6焊接学报第32卷微镜下观察．图2为焊接接头在金相显微镜下的实际焊接裂纹．表145钢常温下性能参数Table1Propertieparameterof45steelatnormaltem-perature密度热导率比热容电阻率ρ/(kg·m-3)-1·℃-1)c/(J·kg-1·℃-1)ρ/(μΩ·m)λ/(W·me图4带有埋藏裂纹的焊接接头

7、温度场云纹图785048480290Fig.4Temperaturecontourbandsofweldedjointwith弹性模量泊松比屈服强度切变模量线膨胀系数E/GPaμReL/MPaG/GPaα/10-6K-1embeddingellipsecrackl2090．28435580．211．3［4］止裂纹的瞬间开裂，对焊接接头起到强化作用．在电磁热强化瞬间温度场计算完成的前提下，进行焊接接头的冷却过程模拟计算，使焊接接头均［5］匀达到室温．用与热电单元SOLID69相对应的热分析单元SOLID70建

8、立和热电温度场相同的模型，使其和热电模型具有相同的尺寸及网格划分．冷却阶段热传导考虑自身的热传导及外界的对流换热．冷却阶段热传导实现方式是在ANSYS中定义材料的热传导系数．对流换热主要发生在焊接接头［6］与空气之间，通过设置对流换热系数来体现．图2焊接裂纹图5为焊接接头冷却过程的温度变化，由图5可知，Fig.2Weldedcrack将45钢焊接接头中冷、热微观裂纹简化为纵向的椭圆埋藏裂纹，椭圆的长半轴为5mm，