碳钢和不锈钢对接焊缝温度场和残余应力分布毕业论文

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1、碳钢和不锈钢对接焊缝温度场和残余应力分布摘要：碳钢和不锈钢之间的异种钢焊接对于不锈钢结构的高效利用是必要的。焊接结构的结构完整性评估需要考虑由焊接引起的残余应力。因此，计算异种钢焊接接头中的残余应力的大小和分布至关重要。基于有限元方法的模拟工具在预测焊接残余应力方面非常有用。但是，异种钢焊缝中残余应力的数值再现一般比同种钢焊缝中的残余应力的数值再现更具挑战性，因为要接合的材料在热物理性能和力学性能方面有差异。在本文作中，使用异种钢焊接过程的三维有限元模拟，以确定碳钢和不锈钢异种钢对接接头的温度场和残余应力状态。对热力学有限元模型以及使用有

2、限元模拟的详细方法和结果都进行了讨论。模拟结果表明，异种钢对接焊缝中的残余应力的大小或分布与同种钢对接焊缝是绝不相同的。关键词：异种钢焊接、温度场、焊接残余应力、有限元模拟、热性能和机械性能1.引言一般来说，不锈钢由于初始材料成本高，已经被视为一种奢侈的解决工程问题的方案。但是，不锈钢结构设计规范的颁布和对不锈钢附加优势更好地认识，给传统的结构工程应用包括建筑业带来了更多的利益[1]。为了有效的利用民用结构的不锈钢，就必须采用不锈钢和碳钢之间的异种钢焊接。在相同结构中各类钢所在的位置，取决于能否有效经济的利用该类钢的特殊性能。为了一些工业

3、的应用，异种钢焊接也被广泛使用于容器与热交换器的制造[2-5]。焊接是一种在许多工程和结构部件生产中都得到利用的可靠高效的金属连接方法。焊接工艺的优势是因为焊接接合效率高、设置简单和制造成本低。焊接过程是由在瞬时热源的作用下局部熔合区的焊缝金属及母材的熔化和凝固两部分组成的。由于局部加热和随后的冷却，整个焊接接头和母材上都分布着高度不均匀的温度场，因此，最终不可避免的产生了残余应力。这些应力可能会导致焊接结束时或在预定的使用寿命期间焊件的开裂。特别是焊缝区附近的拉伸残余应力一般会导致不利影响，如应力集中、疲劳破坏和脆性断裂[6]。因此，准

4、确的估计焊接引起的残余应力将会对确保结构设计的合理性和安全性提供很大的帮助。然而，因为焊接过程的复杂性包括绝热升温、材料性能对温度的依赖性、移动热源等，所以准确预测焊接残余应力是很困难的。因此有限元（FE）模拟已成为一种预测焊接残余应力的热门的工具[7-12]。异种钢焊接残余应力的数值记录因为需要考虑材料的物理、机械、冶金性能的差异，所以要比类似的钢焊缝残余应力的记录更具挑战性。在过去的20年左右的时间里，重点对异种钢焊接接头残余应力的有限元模拟有一些显著的研究活动。命名命名bicctEhhcIKx,Ky,KzQQ(t)QAQMr(t)r

5、0体积力比热容用以反映由于物理机械材料属性对温度的依赖而导致的应力增量的参数剪切模量传热系数随温度的变化对流系数焊接电流导热率单位体积移动产生的热量率热通量分布焊接电弧热输入高温熔滴产生的能量工件表面上圆弧中心的极坐标原点弧柱半径TT0UVpεdεijdεeijdεpijdεthijdTdσησσijρν[Dd]温度室温电弧电压考虑熔池的体积辐射率总应变增量弹性应变增量塑性应变增量热应变增量升高的温度应力增量电弧效率波尔兹曼常数应力张量密度泊松比弹塑性材料基体然而，他们中的大多数都集中于压力管道元件的圆周焊接，而很少分析已存在的传统结构构

6、件。因此，对异种钢焊缝残余应力的大小和分布研究是必要的。事实上，delCozDiazet等人[18]为了比较两种不同类型的不锈钢对接焊缝的失真模式和幅度而进行了热应力分析。。然而，在他们的研究报告中，并没有提到异种钢对接焊缝的残余应力分布。Sedek等人[19]通过套孔测定异种钢对接焊缝的纵向残余应力，并与类似的钢接头中的应力相比较。但他们只提供了非常有限的信息，并没有对异种钢对接焊缝残余应力分布的详细描述。李和昌[20,21]使用相似的有限元模拟法对异种钢对接焊缝残余应力进行评估。然而，他们使用的是除了屈服和拉伸强度之外抗热性能和机械性

7、能都相似的不同种类的碳钢，因此，在本质上有不同的抗热性能和机械性能的碳钢和不锈钢之间的异种钢对接焊缝的残余应力还是一个未知数。在这项研究中，他们试图使用对碳钢和不锈钢的异种钢对接焊缝使用三维（3-D）热机械有限元分析方法预测焊接温度场和残余应力，特别是在所有应力分量中对一般结构最有害的纵向残余应力。此外，类似的钢的对接焊缝残余应力状态用于比较研究。2.焊接过程中的有限元模拟热分析规范包括焊接过程模拟，在模拟中，温度和相变化作为时间函数，然后通过一台仪器分析从热分析法得到的温度的历史数据。由于热场对有较小的反向影响力的应力场具有强大的影响力

8、，所以顺序耦合分析就已经满足要求。因此，在这项研究中，焊接过程中使用的是顺序耦合的内部采用FE-Fortran语言编写的代码（FE-WELDSOL）的基础上制定的三维热机械有限元[22]。2.