碳鋼和不銹鋼對(duì)接焊縫溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力分布畢業(yè)論文.doc

碳鋼和不銹鋼對(duì)接焊縫溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力分布摘要：碳鋼和不銹鋼之間的異種鋼焊接對(duì)于不銹鋼結(jié)構(gòu)的高效利用是必要的。焊接結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估需要考慮由焊接引起的殘余應(yīng)力。因此，計(jì)算異種鋼焊接接頭中的殘余應(yīng)力的大小和分布至關(guān)重要?；谟邢拊椒ǖ哪M工具在預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力方面非常有用。但是，異種鋼焊縫中殘余應(yīng)力的數(shù)值再現(xiàn)一般比同種鋼焊縫中的殘余應(yīng)力的數(shù)值再現(xiàn)更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)橐雍系牟牧显跓嵛锢硇阅芎土W(xué)性能方面有差異。在本文作中，使用異種鋼焊接過(guò)程的三維有限元模擬，以確定碳鋼和不銹鋼異種鋼對(duì)接接頭的溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)熱力學(xué)有限元模型以及使用有限元模擬的詳細(xì)方法和結(jié)果都進(jìn)行了討論。模擬結(jié)果表明，異種鋼對(duì)接焊縫中的殘余應(yīng)力的大小或分布與同種鋼對(duì)接焊縫是絕不相同的。關(guān)鍵詞：異種鋼焊接、溫度場(chǎng)、焊接殘余應(yīng)力、有限元模擬、熱性能和機(jī)械性能1.引言 一般來(lái)說(shuō)，不銹鋼由于初始材料成本高，已經(jīng)被視為一種奢侈的解決工程問(wèn)題的方案。但是，不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的頒布和對(duì)不銹鋼附加優(yōu)勢(shì)更好地認(rèn)識(shí)，給傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用包括建筑業(yè)帶來(lái)了更多的利益1。為了有效的利用民用結(jié)構(gòu)的不銹鋼，就必須采用不銹鋼和碳鋼之間的異種鋼焊接。在相同結(jié)構(gòu)中各類(lèi)鋼所在的位置，取決于能否有效經(jīng)濟(jì)的利用該類(lèi)鋼的特殊性能。為了一些工業(yè)的應(yīng)用，異種鋼焊接也被廣泛使用于容器與熱交換器的制造2-5。 焊接是一種在許多工程和結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)中都得到利用的可靠高效的金屬連接方法。焊接工藝的優(yōu)勢(shì)是因?yàn)楹附咏雍闲矢摺⒃O(shè)置簡(jiǎn)單和制造成本低。焊接過(guò)程是由在瞬時(shí)熱源的作用下局部熔合區(qū)的焊縫金屬及母材的熔化和凝固兩部分組成的。由于局部加熱和隨后的冷卻，整個(gè)焊接接頭和母材上都分布著高度不均勻的溫度場(chǎng)，因此，最終不可避免的產(chǎn)生了殘余應(yīng)力。這些應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致焊接結(jié)束時(shí)或在預(yù)定的使用壽命期間焊件的開(kāi)裂。特別是焊縫區(qū)附近的拉伸殘余應(yīng)力一般會(huì)導(dǎo)致不利影響，如應(yīng)力集中、疲勞破壞和脆性斷裂6。因此，準(zhǔn)確的估計(jì)焊接引起的殘余應(yīng)力將會(huì)對(duì)確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和安全性提供很大的幫助。然而，因?yàn)楹附舆^(guò)程的復(fù)雜性包括絕熱升溫、材料性能對(duì)溫度的依賴(lài)性、移動(dòng)熱源等，所以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力是很困難的。因此有限元（FE）模擬已成為一種預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力的熱門(mén)的工具7-12。異種鋼焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值記錄因?yàn)樾枰紤]材料的物理、機(jī)械、冶金性能的差異，所以要比類(lèi)似的鋼焊縫殘余應(yīng)力的記錄更具挑戰(zhàn)性。在過(guò)去的20年左右的時(shí)間里，重點(diǎn)對(duì)異種鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的有限元模擬有一些顯著的研究活動(dòng)。命名命名bicctEhhcIKx,Ky,KzQQ(t)QAQMr(t)r0體積力比熱容用以反映由于物理機(jī)械材料屬性對(duì)溫度的依賴(lài)而導(dǎo)致的應(yīng)力增量的參數(shù)剪切模量傳熱系數(shù)隨溫度的變化對(duì)流系數(shù)焊接電流導(dǎo)熱率單位體積移動(dòng)產(chǎn)生的熱量率熱通量分布焊接電弧熱輸入高溫熔滴產(chǎn)生的能量工件表面上圓弧中心的極坐標(biāo)原點(diǎn)弧柱半徑TT0UVpdijdeijdpijdthijdTdijDd溫度室溫電弧電壓考慮熔池的體積輻射率總應(yīng)變?cè)隽繌椥詰?yīng)變?cè)隽克苄詰?yīng)變?cè)隽繜釕?yīng)變?cè)隽可叩臏囟葢?yīng)力增量電弧效率波爾茲曼常數(shù)應(yīng)力張量密度泊松比彈塑性材料基體然而，他們中的大多數(shù)都集中于壓力管道元件的圓周焊接，而很少分析已存在的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。因此，對(duì)異種鋼焊縫殘余應(yīng)力的大小和分布研究是必要的。事實(shí)上，del Coz Diazet等人 18 為了比較兩種不同類(lèi)型的不銹鋼對(duì)接焊縫的失真模式和幅度而進(jìn)行了熱應(yīng)力分析。然而，在他們的研究報(bào)告中，并沒(méi)有提到異種鋼對(duì)接焊縫的殘余應(yīng)力分布。Sedek等人19通過(guò)套孔測(cè)定異種鋼對(duì)接焊縫的縱向殘余應(yīng)力，并與類(lèi)似的鋼接頭中的應(yīng)力相比較。但他們只提供了非常有限的信息，并沒(méi)有對(duì)異種鋼對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力分布的詳細(xì)描述。李和昌20,21使用相似的有限元模擬法對(duì)異種鋼對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估。然而，他們使用的是除了屈服和拉伸強(qiáng)度之外抗熱性能和機(jī)械性能都相似的不同種類(lèi)的碳鋼，因此，在本質(zhì)上有不同的抗熱性能和機(jī)械性能的碳鋼和不銹鋼之間的異種鋼對(duì)接焊縫的殘余應(yīng)力還是一個(gè)未知數(shù)。在這項(xiàng)研究中，他們?cè)噲D使用對(duì)碳鋼和不銹鋼的異種鋼對(duì)接焊縫使用三維（3-D）熱機(jī)械有限元分析方法預(yù)測(cè)焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力，特別是在所有應(yīng)力分量中對(duì)一般結(jié)構(gòu)最有害的縱向殘余應(yīng)力。此外，類(lèi)似的鋼的對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力狀態(tài)用于比較研究。2. 焊接過(guò)程中的有限元模擬 熱分析規(guī)范包括焊接過(guò)程模擬，在模擬中，溫度和相變化作為時(shí)間函數(shù)，然后通過(guò)一臺(tái)儀器分析從熱分析法得到的溫度的歷史數(shù)據(jù)。由于熱場(chǎng)對(duì)有較小的反向影響力的應(yīng)力場(chǎng)具有強(qiáng)大的影響力，所以順序耦合分析就已經(jīng)滿(mǎn)足要求。因此，在這項(xiàng)研究中，焊接過(guò)程中使用的是順序耦合的內(nèi)部采用FE-Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼（FE-WELDSOL）的基礎(chǔ)上制定的三維熱機(jī)械有限元22。 2.1熱分析熱分析為了解決瞬間溫度場(chǎng)和它的與焊接熱流量相關(guān)的歷史記錄問(wèn)題。為了使焊接過(guò)程中的時(shí)間和空間的溫度分布滿(mǎn)足下面的控制偏微分方程我們只考慮內(nèi)部產(chǎn)熱的三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)，把R、K和c只作為溫度函數(shù)考慮。 （1）根據(jù)電弧焊接的性質(zhì)，工件的熱輸入，可以分成兩個(gè)部分。一部分是焊接電弧的熱量，另一部分是熔融液滴的熱量。焊接電弧的熱量通過(guò)高斯分布的表面熱源而模型化，熔融液滴的熱量通過(guò)具有均勻密度的體積熱源而模型化。在任意時(shí)刻t，r0內(nèi)的工件表面的熱通量分布有下面的等式來(lái)定義： （2）其中， （3）另一方面，熔融液體的熱量被作為剛坐在融合區(qū)的單個(gè)元素的熱容與分配的熱通量（DFLUX）。 其中，Vp可以通過(guò)計(jì)算當(dāng)時(shí)焊接區(qū)中的元素的體積分?jǐn)?shù)獲得。把焊接電弧的熱量假設(shè)為焊接總熱量輸入的40，熔融液滴的熱量假設(shè)為焊接總熱量的6023。本分析中，焊接過(guò)程中使用的FCA（藥芯焊絲電?。┖附庸に嚭虶TA（鎢極氬?。┖附庸に嚨碾娀⌒氏禂?shù)被分別假定為0.85和0.7。在時(shí)間變化的過(guò)程中，采用相應(yīng)的方法，通過(guò)焊槍將熱通量施加到工件上。在熱分析的邊界條件中，輻射和對(duì)流都在考慮范圍中。熱循環(huán)過(guò)程中，在熔池及其周?chē)鸁嵊绊憛^(qū)，因輻射而導(dǎo)致的熱量損失占據(jù)主導(dǎo)地位；而遠(yuǎn)離熔池的部分，則是對(duì)流導(dǎo)致的熱量損失占據(jù)了主導(dǎo)地位。這是用來(lái)定義h的模型。在這里，需要考慮兩種不同的導(dǎo)熱系數(shù)。一種是用于碳鋼的24： （5）其中，T0=20 ，=5.6710-8J/（m2k4s）。Hc通過(guò)使用工程公式估算為15W/（m2K），被定義為0.26；另一種是用于不銹鋼25,26： （6） 考慮到熱效應(yīng)與熔池中的熔融金屬有關(guān)，這里我們使用兩種方法：（1）通過(guò)考慮熔解潛熱，對(duì)熔池液-固相轉(zhuǎn)變的影響進(jìn)行模擬；（2）人為增加熱傳導(dǎo)性在假定的熔點(diǎn)以上的溫度下達(dá)到室溫下傳導(dǎo)性值的3倍，以允許對(duì)流攪拌的效果，如6,27所示。在相變過(guò)程中，該系統(tǒng)中存儲(chǔ)和釋放的潛熱和熱能，對(duì)于碳鋼6來(lái)說(shuō)，假設(shè)在固相線(xiàn)溫度1450和液相線(xiàn)溫度1500之間的值為270J/g；對(duì)于不銹鋼來(lái)說(shuō)，假設(shè)在固相線(xiàn)溫度1340和液相線(xiàn)溫度1390之間的值為260J/g。 2.2機(jī)械（壓力）分析隨后的機(jī)械分析，涉及使用由之前所說(shuō)的熱分析，以每個(gè)時(shí)間增量作為輸入（熱負(fù)荷）計(jì)算瞬態(tài)和殘余熱應(yīng)力分布的溫度歷史記錄。兩個(gè)基本方程的集合與力學(xué)分析、平衡方程和本構(gòu)方程有關(guān)，如下所示。平衡方程 其中ij,j具有對(duì)稱(chēng)性，例如ij=ji本構(gòu)方程 在焊接過(guò)程中，因?yàn)樵谶@項(xiàng)研究20,21中使用的低碳鋼受固態(tài)相變殘余應(yīng)力的影響不大，而且并不會(huì)出現(xiàn)在奧氏體不銹鋼中26，所以，應(yīng)變分解性能用于將總應(yīng)變的微分形式分解為如下的三個(gè)部分： （8）彈性應(yīng)變?cè)隽客ㄟ^(guò)使用各向同性的胡克定律，與溫度相關(guān)的楊氏模量和泊松比來(lái)計(jì)算。熱應(yīng)變?cè)隽渴褂脽崤蛎浵禂?shù)來(lái)計(jì)算。對(duì)于塑性應(yīng)變?cè)隽?，率無(wú)關(guān)彈塑性本構(gòu)方程被認(rèn)為與Von Mises屈服準(zhǔn)則，隨溫度變化的機(jī)械性能和線(xiàn)性各向同性硬化規(guī)律有關(guān)。應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的增量形式可以寫(xiě)成下面的形式 (9)其中，Dd被分成彈性范圍內(nèi)的和塑性范圍內(nèi)的。在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中使用了一個(gè)大型的應(yīng)變公式。在熱學(xué)和力學(xué)分析中，與焊縫沉積的金屬元素基團(tuán)中元素出現(xiàn)和消失的技術(shù)被用于模擬焊接填料隨時(shí)間的變化。雖然有限元網(wǎng)格在有限元性能分析之前出現(xiàn)，但是這些參數(shù)使得有限元模型在熱學(xué)和力學(xué)分析中的性能被改變，以便于有限元元件模擬焊接過(guò)程。在熱學(xué)分析中，有限元單元對(duì)應(yīng)于焊縫金屬在沉積前所給出的等同于空氣的熱導(dǎo)率值。在焊縫金屬沉積的過(guò)程中，將熱導(dǎo)率值由空氣的熱導(dǎo)率值改變?yōu)樗褂貌牧系臒釋?dǎo)率值。力學(xué)方面的技術(shù)是為了改變?cè)诤附訁^(qū)的有限元單元的剛度。有限元單元在焊炬還未靠近時(shí)，該材料的剛度是否嚴(yán)重降低就已近被指定好了11。當(dāng)焊炬接觸到單元時(shí)，材料的剛度得到恢復(fù)，而與溫度有關(guān)的機(jī)械性能又已經(jīng)被制定好了，并且沒(méi)有相關(guān)的應(yīng)變歷史記錄。由于熱彈塑性分析是一個(gè)非線(xiàn)性的問(wèn)題，因此使用增量計(jì)算的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。完整的牛頓 - 拉夫遜迭代解決方案28被用于獲得該溶液。 2.3試驗(yàn)驗(yàn)證為了確認(rèn)在本次研究中，有限元分析方法的準(zhǔn)確性，構(gòu)造了一個(gè)厚壁板長(zhǎng)寬高分別是L=600mm，W=400mm，t=25mm的雙“V”對(duì)接接頭焊接標(biāo)本。標(biāo)本的基體材料是低碳鋼（SM400），焊接所使用的是1.2mm直徑的DW-100的焊條。詳細(xì)的準(zhǔn)備工作在21中給出。采用分層技術(shù)，使用2mm的應(yīng)變片（KYOWA KFG-2-120-D16-16T-F7殘余應(yīng)力測(cè)量模式），對(duì)兩軸之間的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量。使用分層技術(shù)通過(guò)應(yīng)變儀測(cè)量，可以得到結(jié)構(gòu)表面上的殘余應(yīng)力進(jìn)而加以評(píng)估。首先，如圖1所示，將應(yīng)變計(jì)連接在試樣表面。將連接好的應(yīng)變片周?chē)鷧^(qū)域切割成邊長(zhǎng)約10mm，厚度約3mm的小的六面體。通過(guò)切割，小片的試樣中的殘余應(yīng)力得到釋放，并對(duì)縱向釋放的應(yīng)力x和橫向釋放的應(yīng)力y進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)當(dāng)指出的是，在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)每個(gè)小片試樣釋放應(yīng)力的測(cè)量進(jìn)行五次，最終的結(jié)果取除去最大值和最小值后的三個(gè)值的平均值，以盡量減少實(shí)驗(yàn)的誤差。然后，縱向殘余應(yīng)力x就可以使用測(cè)得的應(yīng)力并通過(guò)下面的公式得到。 （10）3D熱-力有限元分析即上面所說(shuō)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂玫挠邢拊治龇椒?，也使用了與之前試樣制造中相同的焊接條件和工藝參數(shù)。在第2.4節(jié)提到了材料在高溫下的性能，而這些數(shù)據(jù)被用于對(duì)接焊接過(guò)程的有限元模擬。圖2（a）描繪了垂直焊接時(shí)焊接件橫截面的縱向殘余應(yīng)力?？招姆?hào)表示由應(yīng)變計(jì)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)值及通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量位置實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)的有限元計(jì)算值的結(jié)果。比較結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)的趨勢(shì)與實(shí)測(cè)結(jié)果非常吻合。對(duì)于不銹鋼焊縫來(lái)說(shuō)，由有限元分析方法計(jì)算得到的殘余應(yīng)力分布結(jié)果與Seyyedian等人得到的的實(shí)驗(yàn)結(jié)果29相比較。他們使用鉆孔法測(cè)量擁有單道焊對(duì)接焊縫的SUS304不銹鋼的殘余應(yīng)力分布。在其他區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)一些比較具體的細(xì)節(jié)29。圖2（b）顯示的是有限元分析方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)量計(jì)算出的縱向殘余應(yīng)力的比較?？梢钥闯鲇邢拊治龇椒ê蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合。因此，在這里使用碳鋼和不銹鋼異種鋼焊接殘余應(yīng)力的有限元分析方法被認(rèn)為是合適的。 圖1.應(yīng)變儀照片 圖2.有限元分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較（a）碳鋼焊 縫的比較（b）不銹鋼焊縫的比較 2.4有限元模型使用順序耦合的熱力有限元分析方法對(duì)異種鋼的焊接接頭進(jìn)行有限元熱模擬。在圖3（a）中所示的兩個(gè)擁有單一“V”形槽的400mm150mm6mm的接頭假定要通過(guò)一次焊接完成。為了便于比較，類(lèi)似的剛對(duì)接焊縫的熱應(yīng)力分布的有限元分析也采用了相同的焊縫幾何形狀。本研究選擇的基體材料是SM400碳素鋼和SUS304奧氏體不銹鋼，這兩種材料具有類(lèi)似的屈服強(qiáng)度。SM400碳鋼接頭是使用DW-100電極碳素鋼焊接材料焊接的，而SUS304的不銹鋼接頭與異種鋼接頭采用的是Y308L 奧氏體不銹鋼焊接填料焊接的17,19。基體材料和焊接金屬的詳細(xì)信息的詳細(xì)描述見(jiàn)21,26。考慮到實(shí)際焊接條件，此次分析中選擇的焊接參數(shù)列于表1中30,31。如圖3（b）所示，在模擬中使用的三維有限元網(wǎng)絡(luò)模型擁有8-nodeD的等參實(shí)體單元。有四個(gè)層面用于離散計(jì)算域。為了更準(zhǔn)確地知道移動(dòng)熱源通過(guò)某個(gè)區(qū)域的特定的時(shí)間和路徑并預(yù)計(jì)捕捉到界面處的高應(yīng)力梯度不銹鋼填料和碳鋼基本金屬，一種精細(xì)網(wǎng)格被使用在焊接區(qū)及其周?chē)?。逐漸增加單元尺寸到焊縫中心線(xiàn)的距離。網(wǎng)格敏感性研究被用于檢查在分析結(jié)果準(zhǔn)確性方面有限元網(wǎng)格尺寸的依賴(lài)性。結(jié)果，現(xiàn)在所使用的有限元網(wǎng)格最小尺寸0.5mm（橫向）1.5mm（厚度）25.0mm（縱向）被認(rèn)為是使用合理數(shù)量的計(jì)算機(jī)時(shí)和內(nèi)存所能得到的足夠精確的結(jié)果。由于異種鋼焊接所使用的材料的熱和機(jī)械性能的不對(duì)稱(chēng)性，兩塊板材都被包括在計(jì)算機(jī)域中。為了方便熱和力學(xué)模型之間的數(shù)據(jù)映射，除了元素類(lèi)型和應(yīng)用邊界條件，都使用相同的有限元網(wǎng)格細(xì)化方案。對(duì)于熱模型來(lái)說(shuō)，元素類(lèi)型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有單自由度和溫度。對(duì)于結(jié)構(gòu)模型來(lái)說(shuō)，元素類(lèi)型的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有三個(gè)平動(dòng)自由度。因?yàn)榘宀脑诤附舆^(guò)程中沒(méi)有被夾持，所以去除沒(méi)有邊界條件的，以防止焊接件剛性運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用。 在有限元模擬中，隨溫度變化的熱物理（例如：熱傳導(dǎo)率、比熱和密度）和機(jī)械性能（例如：楊氏模量、熱膨脹系數(shù)、泊松比和屈服應(yīng)力）的基體材料和焊接材料被引入。圖4（a）表示SM400鋼20在高溫下的物理性能。SUS304鋼，熱材料性能列于Deng和Murakawa26中，詳細(xì)見(jiàn)圖4（b）。應(yīng)當(dāng)被指出的是，圖4（a）和（b）中的單元被組織起來(lái)，以便于它們?cè)趫D形上被標(biāo)示得更清楚。對(duì)于焊縫金屬，與溫度相關(guān)的物理性質(zhì)被假定為與那些相應(yīng)的基體材料分別相同。基體材料與溫度相關(guān)的熱機(jī)械性能分別表示于圖5和圖6中20,26。它的屈服強(qiáng)度和彈性模量分別降低到5.0MPa和5.0GPa，以模擬在高溫下低強(qiáng)度基體材料的熔融溫度32。對(duì)于焊縫金屬，如圖所示，只有屈服強(qiáng)度與相應(yīng)的基體材料不同，其它屬性與相應(yīng)的基體材料幾乎完全相同。物理和機(jī)械性能被分配到異種鋼對(duì)接接頭（基體材料和焊縫金屬）的相應(yīng)位置。圖3：分析模型：(a)分析模型和對(duì)接接頭的尺寸 （b）三維有限元模型焊接條件和工藝參數(shù)基體金屬焊接工藝電流（A）電壓（V）速度（mm/s）SM400SUS304和異種鋼焊接FCADTA25023030222.01.3加工硬化現(xiàn)象是焊接過(guò)程中的熱循環(huán)加載引起的，通常發(fā)生在焊接接頭及其周?chē)膮^(qū)域，當(dāng)利用數(shù)值計(jì)算能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力時(shí)應(yīng)當(dāng)仔細(xì)考慮。碳鋼和相應(yīng)金屬的線(xiàn)性應(yīng)變強(qiáng)化率假定為20700溫度范圍內(nèi)為500MPa，1000以上溫度范圍內(nèi)為20MPa6。在700和1000，硬化率之間的線(xiàn)性過(guò)渡是假定的。對(duì)于不銹鋼及其焊縫金屬來(lái)說(shuō)，隨溫度變化的應(yīng)變強(qiáng)化規(guī)則也適用。在高溫下基體金屬和焊縫金屬的應(yīng)變硬化率的測(cè)量和在文獻(xiàn)27中分別給出。圖7顯示的是碳和不銹鋼與溫度有關(guān)的應(yīng)變強(qiáng)化率。圖4.材料隨溫度變化的熱物理常數(shù)：（a）SM400（b）SUS304圖5：SM400鋼及相應(yīng)的焊接金屬與溫度相關(guān)的熱機(jī)械性能圖6：SUS304鋼及相應(yīng)的焊接金屬隨溫度變化的熱力性能圖7：材料依賴(lài)于溫度的應(yīng)變硬化率圖8：焊接過(guò)程中的溫度分布圖9:焊接過(guò)程中最厚的幾個(gè)位置上的熱循環(huán)：（a）SM400（b）SUS3043. 結(jié)果與討論 3.1溫度場(chǎng) 圖8所示的是當(dāng)焊炬到達(dá)焊縫末尾時(shí)對(duì)碳鋼和不銹鋼之間的異種鋼對(duì)接焊縫在時(shí)間間隔內(nèi)使用熱分析得到的溫度場(chǎng)。因?yàn)楹附硬牧蠠嵝阅艿牟町?，所以顯示出的熱流圖是非對(duì)稱(chēng)的。圖9的（a）和（b）是異種鋼焊接熱循環(huán)過(guò)程的比較。溫度場(chǎng)沿著焊縫中心線(xiàn)上不同位置的最厚處，這就是結(jié)束焊接時(shí)焊縫的產(chǎn)長(zhǎng)度。沒(méi)有任何標(biāo)記的曲線(xiàn)代表距離焊縫中心線(xiàn)1.0mm處的溫度記錄；帶有實(shí)點(diǎn)的虛線(xiàn)代表著距焊接中心線(xiàn)5.0mm處的溫度記錄；帶有空心點(diǎn)的實(shí)線(xiàn)代表著距焊接中心線(xiàn)10.0mm處的溫度記錄；帶有空心點(diǎn)的虛線(xiàn)代表著距焊縫中心線(xiàn)20.0mm處的溫度記錄。從這個(gè)圖中可以觀察到隨著到焊縫中心線(xiàn)的距離的增加，碳素鋼的溫度變得比不銹鋼的溫度低。這歸因于一個(gè)事實(shí)，即碳素鋼冷卻速率高于不銹鋼，這是因?yàn)樘妓劁撚休^高的熱導(dǎo)率和熱傳遞率。 3.2殘余應(yīng)力分布所有的應(yīng)力和應(yīng)變分量都可以從應(yīng)力分析得到。在這里我們將只討論相關(guān)數(shù)據(jù)。在該討論中，三個(gè)詞語(yǔ)“縱向”、“橫向”和“厚度方向”是用來(lái)表示三個(gè)相互垂直的方向上的殘余應(yīng)力分量?！翱v向”通常是用于焊接方向，“橫向”是用于垂直方向上的長(zhǎng)度（即沿板寬方向），最后的詞語(yǔ)“厚度方向（正常）”是用于垂直方向上的縱向和橫向（即沿板厚方向）。圖10（a） - （c）所示的整個(gè)異種鋼對(duì)接焊縫中，在焊接件的橫截面上，垂直于焊接線(xiàn)，通過(guò)焊接長(zhǎng)度的一半，分別為縱向，橫向和厚度方向（正常）的型材殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)。應(yīng)力分布在焊接件的最厚處并寫(xiě)出到焊縫中心線(xiàn)距離的函數(shù)。殘余應(yīng)力在類(lèi)似的鋼焊縫中的分布的比較在圖11中。圖11的（a）和（b）分別顯示的是碳素鋼和不銹鋼對(duì)接焊縫中殘余應(yīng)力在橫向、縱向和厚度方向上的分布。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在不銹鋼異種鋼側(cè)的焊縫中，應(yīng)力在類(lèi)似的鋼對(duì)接焊縫中的分布是相似的，即達(dá)到施加在焊縫上的最大縱向拉伸殘余應(yīng)力與橫向壓縮殘余應(yīng)力在遠(yuǎn)離焊縫中心線(xiàn)的區(qū)域平衡的目的。此外，在的焊縫金屬和母材金屬的交界處發(fā)生縱向殘余應(yīng)力顯著降低的現(xiàn)象，最有可能的原因是屈服強(qiáng)度方面的差異。與此相反，橫向殘余應(yīng)力幾乎全部為拉伸應(yīng)力并且拉平為零。厚度方向上的殘余應(yīng)力在有起伏的型材之間存在拉伸和壓縮的差異。然而，在碳素鋼一側(cè)的異種鋼焊接，其應(yīng)力分布與與其相似的鋼焊縫中的應(yīng)力分布大不相同。這是顯而易見(jiàn)的，在界面處引發(fā)由界面顯示出來(lái)的的急劇的應(yīng)力變化，是由于不銹鋼填料和碳素鋼基體材料之間的熱膨脹系數(shù)不匹配?？v向應(yīng)力成分的變化更明顯。與與其相類(lèi)似的鋼對(duì)接焊縫比，較高的應(yīng)力產(chǎn)生在與基體金屬相鄰的焊縫中，而低得多的應(yīng)力在靠近焊縫的母材中產(chǎn)生。這些趨勢(shì)，在橫向和正常的應(yīng)力分量中也能觀察到。值得注意的是，在焊縫及其附近的縱向拉伸殘余應(yīng)力超過(guò)在室溫下相應(yīng)的鋼材的屈服應(yīng)力的，在研究中還發(fā)現(xiàn)如33所示的現(xiàn)象。應(yīng)變硬化率可以被認(rèn)為是解釋較高殘余應(yīng)力的的主要因素。請(qǐng)注意，不銹鋼一側(cè)靠近基體金屬的焊接區(qū)的縱向殘余應(yīng)力高于碳素鋼。同樣清楚的是，不銹鋼一側(cè)受到拉伸應(yīng)力的范圍也比較寬。異種鋼結(jié)果之間的差異，尤其是由于熱導(dǎo)率和熱傳遞率，熱膨脹系數(shù)，和加工硬化性能差異而產(chǎn)生的縱向殘余應(yīng)力的差異。不銹鋼較大的熱膨脹系數(shù)與較高的應(yīng)變硬化率的一起產(chǎn)生的較高的拉伸縱向應(yīng)力與轉(zhuǎn)變率較高的壓縮應(yīng)力相平衡。此外，不銹鋼較低的熱傳導(dǎo)率和熱傳遞率結(jié)合較大的熱膨脹系數(shù)對(duì)較大的抗拉應(yīng)力的分布區(qū)域有利。分別除去碳鋼和不銹鋼焊接填料之間的界面處顯著的應(yīng)力變化，在異種鋼一側(cè)的橫向和厚度方向的殘余應(yīng)力分布是相似的。通過(guò)現(xiàn)有的分析，在厚度方向上得出了類(lèi)似的結(jié)果，這里就不做說(shuō)明了。4. 結(jié)論 在本研究中，我們對(duì)異種鋼焊接過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，以確定溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力的分布，特別是一般對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性最有害的應(yīng)力分量-縱向殘余應(yīng)力，而碳鋼和不銹鋼之間的異種鋼對(duì)接接頭在本質(zhì)上有不同的熱和機(jī)械性能，我們利用將實(shí)驗(yàn)測(cè)量與采用有效性被驗(yàn)證的依次耦合三維熱-機(jī)械有限元分析方法相比較來(lái)驗(yàn)證。為了進(jìn)行比較，我們還探討了同類(lèi)鋼的對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)研究結(jié)果，可以得出以下意見(jiàn)和結(jié)論：(a)在異種鋼對(duì)接焊接過(guò)程的熱流量與溫度分布由于在焊接的材料熱性能方面的差異決所以絕對(duì)不是對(duì)稱(chēng)的。此外，由于到焊縫中心線(xiàn)的距離的增加，碳素鋼側(cè)溫度變得低于不銹鋼側(cè)的溫度。這是因?yàn)?，碳素鋼有較高熱導(dǎo)率和熱傳遞率即碳素鋼冷卻速度是高于不銹鋼的。 (b)它不能簡(jiǎn)單地假設(shè)在異種鋼焊縫中的焊接殘余應(yīng)力在那些相似鋼焊縫中的幅度或分布是相同的。在異種鋼焊縫不銹鋼的一側(cè)，應(yīng)力分布與相應(yīng)的鋼對(duì)接焊縫是相似的，而在異種鋼焊縫碳素鋼的一側(cè)，應(yīng)力分布與類(lèi)似的鋼的對(duì)接焊縫應(yīng)力分布大不相同，這是由于熱膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致的不銹鋼焊接金屬和碳素鋼基體材料界面處應(yīng)力快速變化引起。縱向應(yīng)力成分的變化更明顯。(c)不銹鋼側(cè)附近的焊接區(qū)域的基體金屬中的縱向殘余應(yīng)力是高于那些在碳素鋼側(cè)的。此外，在拉伸應(yīng)力的范圍內(nèi)是在不銹鋼側(cè)寬。不銹鋼較大的熱膨脹系數(shù)與較高的應(yīng)變硬化率的一起產(chǎn)生的較高的拉伸縱向應(yīng)力與轉(zhuǎn)變率較高的壓縮應(yīng)力相平衡。此外，不銹鋼較低的熱傳導(dǎo)率和熱傳遞率結(jié)合較大的熱膨脹系數(shù)對(duì)較大的抗拉應(yīng)力的分布區(qū)域有利。(d)除了焊接殘余應(yīng)力，焊接變形也是焊接構(gòu)件結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)的一個(gè)主要問(wèn)題。因此，在今后的工作中把對(duì)碳素鋼和不銹鋼之間的異種鋼對(duì)接焊縫的失效作為目的進(jìn)行調(diào)查，從而促進(jìn)了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用，包括高效利用不銹鋼工程的建設(shè)。圖10 垂直于焊接線(xiàn)中的異種鋼對(duì)接焊縫中殘余應(yīng)力分布：（a）的縱向殘余應(yīng)力，（b）橫向的殘余應(yīng)力，（c）厚度方向上的殘余應(yīng)力圖11 垂直于類(lèi)似的鋼材對(duì)接焊縫的焊接線(xiàn)的殘余應(yīng)力分布：（a）SM400鋼焊接，（b）SUS304鋼焊縫參考文獻(xiàn)：1 L. 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