中厚板多层焊温度场和应力场的有限元分析

文章编号:1006-4710(2007)04-0394-04中厚板CO2多层多道焊对接接头焊接残余应力及其分布张敏,周小华,李继红,王莹(西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048)摘要:阐述了焊接残余应力场数值分析的理论基础,确定了计算模型,并采用有限元数值方法模拟计算了CO2多层多道焊对接接头焊接残余应力的大小及其分布。

算例结果表明,模拟结果与试验测试结果基本吻合,证明本文方法正确且有效。

关键词:残余应力;有限元;数值模拟;生死单元中图分类号:TG401 文献标识码:AResearch on Finite Element of Residual Stresses ofC O2Multipass Welding in Mid-Thickness PlateZH ANG M in,ZHO U Xiao-hua,LI Ji-hong,WANG Ying(F aculty o f M aterial Science and Enginee ring,Xi'an U niversity of T echnology,Xi'a n710048,China)A bstract:This pape r states the theoretical foundation o f numerical analy sis of w elding residualstress field and decides the calculation m odel.Acco rding ly,the mag nitude and distributio n of welding residual stress in CO2m ultipass w elding were calculated by finite element num erical sim-ulatio n.The results o btained fro m the calculation examples indicate that the simulatio n results are fo und to be in basic co nsistency w ith those o btained from tests,w hereby proving that the method described in this pape r is co rrect and effective.Key words:residual stress;finite element;numerical simulatio n;birth and death o f element 在焊接过程中,焊接区以远高于周围区域的速度被急剧加热,并局部熔化。

研究与开发厚钢板层流冷却过程中断面温度场有限元分析郭晓波　钟莉莉　单晓伟(鞍钢股份有限公司技术中心)摘要　采用有限元法对厚钢板层流冷却过程中的断面温度场进行了计算,在连续冷却和间断冷却两种不同冷却方式下,找出了厚钢板在宽度方向和厚度方向的温度分布规律。

与连续冷却相比,采取间断冷却时,钢板的芯部与表面的温差较小,有利于提高钢板z向组织的均匀性。

关键词　厚钢板　层流冷却　温度场　有限元法中图分类号:TG335 文献标识码:A 文章编号:1006-4613(2007)04-0012-03Analysis of Secti on Temperature Field of Heavy Steel Plateduring Lam inar Cooling by Finite ElementM ethodGuo X i a obo　Zhong L ili　Shan X i a owe i(Technol ogy Center of Angang Steel Co.,L td.)Abstract　The secti on te mperature field of heavy steel p late during la m inar cooling is calculated by finite ele ment method and temperature distributi on regulati ons in p late width and thickness direc2ti ons are p resented under continuous cooling and inter m ittent cooling pared with contin2uous cooling,inter m ittent cooling can make a s maller temperature difference bet w een p late center andp late surface,which is benefit t o i m p r ove structure eveness in z directi on.Key W ords　heavy steel p late　la m inar cooling　te mperature field　finite element method1　前言中厚板轧后高密度管层流冷却装置的冷却速度一般为3～40℃/s,冷却钢板的厚度为8～50mm,主要用于低碳钢、造船板、锅炉板、容器板、桥梁板、管线钢、工程机械用高强度钢板等的轧后控制冷却。

激光焊接中的温度场与应力分析激光焊接是当前一种应用广泛的金属焊接技术，它具有结构紧凑、能耗低、工作稳定等优点。

而激光焊接中的温度场分析和应力分析则是保证激光焊接连接强度和质量的重要技术手段。

本文就激光焊接中的温度场和应力分析进行了深入探讨。

一、激光焊接中的温度场分析在激光焊接中，由于热源本身具有高的温度和较小的热影响区，所以焊接过程中产生的热量主要作用在局部的焊缝上。

在焊接过程中，由于材料的物理性质和热传递速率的不同，会在焊缝上形成不同的温度场。

为了分析并控制激光焊接中的温度场，需要运用有限元分析等方法进行模拟计算，得出焊缝温度分布曲线。

激光焊接中的温度场分析有利于确定焊接过程中的温度控制参数，从而保证焊接质量。

常见的温度控制参数包括激光功率、焊接速度、预热温度等，这些参数的优化和控制可以使得焊接质量更为稳定，同时也可以有效降低成本。

二、激光焊接中的应力分析激光焊接中的应力主要来自于焊接过程中的热冲击和材料内部应力的释放。

在焊接过程中，由于局部高温和快速冷却的作用，会使得焊件发生热变形，从而产生应力。

应力分析是为了控制焊接质量和避免铆接开裂等异常情况出现而进行的重要分析方法。

应力分析需要考虑到焊缝的几何形状、材料的物理性质、热传导、膨胀系数等因素，这些因素共同决定了焊接过程中的应力分布。

最常用的应力分析方法是有限元法，通过建立焊接模型，输入激光功率、焊接速度、预热温度等参数，得到局部应力变化规律，进而预测焊缝的应力分布，并指导焊接工艺优化。

三、激光焊接的应用激光焊接由于其高效、快捷、节能的特点，近年来已经广泛应用于机械、汽车、航空航天等领域的生产制造过程中。

例如，汽车发动机缸头、汽车轮毂、机械结构件等均采用激光焊接工艺制造。

同时，激光焊接也被广泛应用于高新技术领域，例如微电子封装、薄膜材料加工等领域。

激光焊接的应用需要依靠温度场和应力分析，保证焊接质量、连接强度和可靠性。

同时，激光焊接还需要在实际应用场景中不断进行工艺优化和改进，以适应新材料和新领域的应用需求，推动激光焊接技术的发展。

机械工程中的温度场与应力场分析机械工程是一门应用学科，研究机械结构的设计、制造和维护等方面的知识。

而在机械工程中，温度场与应力场分析是非常重要的一部分，它们直接影响着机械结构的性能和寿命。

本文将介绍机械工程中的温度场与应力场分析，探讨其原理、应用以及相关技术。

一、温度场分析1. 温度场的定义与意义温度场是指在空间中不同位置的温度分布情况。

在机械工程中，温度场对于材料的热胀冷缩、热变形以及热应力等方面的影响非常重要。

通过对温度场的分析，可以确定机械结构在不同温度条件下的性能，进而进行合理的设计和优化。

2. 温度场分析的方法温度场分析可以通过数学建模和计算机仿真两种方法进行。

数学建模方法包括一些传统的热传导方程求解技术，如分析法、二维和三维有限元法等。

计算机仿真方法则是通过建立数学模型，并运用计算机软件进行数值计算，得到温度场的分布情况。

3. 温度场分析的应用温度场分析在机械工程中有着广泛的应用。

例如，在锻造、焊接、铸造等工艺过程中，温度场分析可以帮助工程师确定材料的热历史，预测材料的变形情况，从而指导工艺参数的选择。

此外，在机械结构的设计中，温度场分析可以帮助工程师确定合理的材料选择、结构改进，提升机械结构的耐高温性能。

二、应力场分析1. 应力场的定义与意义应力场是指在机械结构内部不同位置的应力状态。

应力是材料内部的力学性质，对于机械结构的强度、刚度、耐久性等方面具有重要影响。

通过对应力场的分析，可以确定机械结构在工作载荷下的应力分布情况，进而进行合理的设计和优化。

2. 应力场分析的方法应力场分析可以通过数学建模和计算机仿真两种方法进行。

数学建模方法包括一些传统的力学方程求解技术，如静力学、弹性力学等。

计算机仿真方法则是通过建立数学模型，并运用计算机软件进行数值计算，得到应力场的分布情况。

3. 应力场分析的应用应力场分析在机械工程中具有广泛的应用。

例如，在机械结构的设计中，应力场分析可以帮助工程师确定机械结构的合理尺寸、形状和材料，确保机械结构在工作载荷下不会发生失效。

SA508-3钢厚壁圆筒纵焊温度场及应力场有限元分析陈重毅;麻永林;邢淑清;迟露鑫【摘要】基于ANSYS有限元分析软件建立了SA508-3钢厚壁圆筒多层多道焊接有限元模型.在此基础之上,以体生热率热源作为焊接热源模型得到了多层多道焊接温度场结果；通过热-结构间接耦合法,得到了焊接应力场结果.模拟计算结果表明,以体生热率热模型作为焊接热源,温度场分布和应力场分布基本符合实际焊接情况；多层多道焊接对焊接构件厚度方向上的残余应力影响较大,该方向在焊缝稳定区产生的最大残余应力为100 MPa；焊缝稳定区残余应力分布有规律,从焊缝到母材,残余应力不断减小；焊缝两端过渡区的残余应力分布较为复杂；焊接构件的焊缝和熔合区的等效应力最大,最大等效应力为490 MPa.【期刊名称】《内蒙古科技大学学报》【年(卷),期】2011(030)002【总页数】5页(P163-166,185)【关键词】SA508-Ⅲ钢;多层多道焊接;单元生死技术;焊接温度场;焊接应力场【作者】陈重毅;麻永林;邢淑清;迟露鑫【作者单位】内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010【正文语种】中文【中图分类】TG457.11核压力容器材料SA508-3钢广泛用于核反应堆压力容器的制造，适用于制造压力容器筒体、顶盖、法兰、封头等，在核电站中还应用于蒸汽发生器压力壳、稳压器压力壳和主泵压力壳等部件［1］.由于核压力容器使用的特殊性，不但要求基体材料的物理及力学性能满足核设施制造的要求［2］，而且更要求其焊接接头的性能满足此方面的要求.在诸多影响材料性能的因素中，焊接残余应力的影响显得尤为重要.焊接残余应力不仅影响焊接接头的抗疲劳性能，还有可能产生细小的微裂纹，这些不确定的因素将大大影响压力容器的使用安全和使用寿命［3］.所以，研究核压力容器材料的焊接性和焊后残余应力的大小就尤为重要.在本文中，基于ANSYS有限元分析软件建立了SA508-3钢厚壁圆筒多层多道焊接有限元模型.对焊接温度场和应力场进行了有限元计算，得到了在一定焊接参数下的焊接温度场和应力场，为实际SA508-3钢的焊接提供了一定的参考依据.对均匀、各向同性的连续介质，其材料特征与温度无关时，在能量守恒的基础上，可以得到热传导微分方程为［4］:式中，T为温度;λ为材料的热传导系数;t为过程进行的时间;C为材料的质量比热容;ρ为材料的密度; Q为单位体积输出或消耗的热能.焊接应力场弹塑性变形的根本原因是由于温度场的存在，焊接残余应力的本质是由于在焊接过程中产生了不可恢复的塑性变形，因此应力场的本构关系为［5］:式中，{dσ}为应力增量;{dε}为应变增量;d T为温度增量;［D］为弹性或弹塑性矩阵;{c}为与温度有关的量.材料选用SA508-3钢，图1为SA508-3钢焊接有限元模型，模型参数如表1所示，焊接工艺见表2.焊接过程温度场分析选取了焊接第六道次来进行详细分析.图2为第六道次不同时间点的温度云图和等值线图.图2(a)，(b)为第六道次焊接过程中10和20 s时的温度云图，从图2可以看出，此时的温度分布已经达到了准稳态阶段，温度场的分布是有规律地向焊接方向移动，直至焊接结束［6］.焊接热源中心最高温度为1 352℃.由于焊接热源后方是热源经过的区域，所以热源前方温度下降最为剧烈，而在热源后方则较为缓慢，热源两边为中等梯度.图2(c)为焊接第六道次25 s时的温度云图，从图中可以看到，焊接热源已经移动到了焊缝末端，在焊接收弧的时候，焊接温度迅速升高，到达了1 400℃.图2(d)为焊接第六道次结束后冷却50 s后的温度场云图，从图中可以看到，随着冷却的进行焊接接头的温度分布向母材扩展，温度值缓慢下降，冷却50 s后，焊缝的温度梯度较大，且温度最高.选取了Z=－0.13 m截面处焊缝区节点一个、熔合区节点1个和热影响区节点4个，共选取节点6个.节点选取如图3所示，它们的节点编号为:A-3386，B-3482，C-10570，D-17764，E-17372，F-11748.从布置中可以看出，它们距离焊缝距离是不断变大的.图4为节点B-3482的热循环曲线图.从图4可以看出，节点B位于焊接接头的熔合区，焊接的第一道次由于远离热源，当热源移动到该节点区域时的最高温度为610℃，之后，随着热源的远离，焊接温度迅速降低到500℃，经过400 s的冷却，节点温度缓慢降低到150℃;第二道次和第三道次距离该节点较近，当热源接近该节点所在区域时，该节点的温度从150℃迅速上升到1 150和850℃.随着焊接道次的增加，热源远离该节点区域，之后该节点的最高温度逐步下降，从1 150℃降低到280℃.焊接结束后，冷却开始，之后节点温度缓慢冷却，温度趋于平缓，冷却到3 000 s时的温度为120℃.图5为焊接第三道次过程中各节点的热循环曲线，从图5可以看到，熔合区B节点的温度最高，其次为焊缝处节点A;再次为热影响区的C节点.之后，其他节点温度随距离的增大而越来越小.B节点升温速率为336℃/s，冷却速率为40℃/s.在相变点(700℃)以上停留的时间为2 s.最高温度为840℃.A节点升温速率为186℃/s，冷却速率为30℃/s.无相变点(700℃)以上停留时间.最高温度为680℃.其他节点的加热速率和冷却速率很小，无相变点以上停留时间，最高温度没有超过350℃.该部分的内容是通过建立路径，分析焊件冷却到室温下焊接接头各方向上的残余应力分布情况，得出焊接中央处焊接接头的残余应力分布规律.所建路径共有3条，路径1，2，3位于焊接接头截面Z=－0.12 m处，所建路径如图6所示.从图7中可以明显看出，3条路径呈现出了不同应力变化，表明了焊接接头不同区域的应力分布.由于焊缝不是关于焊缝中心左右对称，所以焊接残余应力也不是关于焊缝中心对称.呈现了类似对称的曲线;路径1的横向残余应力变化比较剧烈.路径1整个焊缝处的横向残余应力为压应力，最大压应力为300 MPa，熔合区和热影响区的横向残余应力为拉应力，最大拉应力为150 MPa;路径2和路径3焊缝处的横向残余应力均为拉应力，其中内表面处的焊缝横向残余应力最大，达到230 MPa;路径2在熔合区出现了压应力，热影响区为拉应力;路径3从熔合区到热影响区都为拉应力.路径3的应力分布与平板对接焊相似，而路径1和路径2的应力分布取决于圆筒的厚度和焊接层数.此模型为多层多道焊接，所以呈现的应力分布不同于薄壁圆筒纵焊.图8为Y方向残余应力曲线图.Y方向的残余应力是沿壁厚方向上的残余应力.由于焊接对厚度方向的影响较小，在工程中很少考虑，但是当焊接厚度较大时，出现多层多道焊接时，厚度方向的残余应力就变的不容忽视了.从图8可以看出，路径1和路径2应力变化比较小，最大拉应力为30 MPa，最大压应力60 MPa，焊缝和熔合区的应力变化较为剧烈，热影响区和母材的应力变化很小;路径3位于截面的中央，应力变化剧烈，最大拉应力为65 MPa，最大压应力为110 MPa.图9为Z方向残余应力曲线图.从图9可以看出，由于焊缝冷却，Z方向发生收缩，引起焊缝Z方向残余应力;Z方向残余应力的最大值出现在了焊缝中心线上.在焊缝处，路径1的应力值较小，路径2和路径3的应力都处在较高的水平;在熔合区，3条路径的应力为拉应力，远离焊缝的热影响区的应力为压应力.(1)通过模拟计算结果分析得到了厚壁圆筒多层多道焊接温度场分布规律;其中，位于第二焊道的A节点在430～550 s内的升温速率为353℃/s，冷速为68℃/s;在相变点(750℃)以上停留的时间为4 s;最高温度为1 210℃.(2)得到了厚壁圆筒多层多道焊接应力场分布规律;多层多道焊接对焊接构件Y方向(厚度方向)上的残余应力影响较大，该方向在焊缝稳定区产生的最大残余应力为100 MPa;焊缝稳定区残余应力分布有规律，从焊缝到母材，残余应力不断减小;焊缝两端过渡区的残余应力分布较为复杂;焊接构件的焊缝和熔合区的等效应力最大，等效应力为490 MPa.【相关文献】［1］宋忠臣，刘恩清，田洪波.国产SA508-Ⅲ钢焊接性试验研究［J］.压力容器，1995，12(2):35-39.［2］郭守仁.核反应堆材料手册［M］.北京:原子能出版社，1987.1-44.［3］冯德诚.核压力容器材料国产化的可行性评述［J］.核动力工程，1989，10(3):7-11.［4］张文钺.焊接传热学［M］.北京:机械工业出版社，1989.1-142.［5］佘昌莲.焊接结构的残余应力研究［D］.武汉:武汉理工大学，2006.［6］武传松.焊接热过程数值分析［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1990.1-54.。

焊接过程中的温度场与应力场仿真焊接是一种常见的金属加工方法，通过加热和冷却的过程将两个或多个金属零件连接在一起。

在焊接过程中，温度场和应力场是两个重要的物理现象，对焊接质量和工件性能有着重要的影响。

本文将探讨焊接过程中温度场和应力场的仿真分析。

1. 焊接过程中的温度场仿真焊接过程中，电弧或激光等热源会将焊接区域加热到高温，使金属材料熔化并形成焊缝。

温度场仿真可以帮助我们了解焊接过程中的温度分布情况，进而优化焊接参数和工艺。

首先，我们可以使用有限元分析方法进行温度场仿真。

有限元分析是一种基于数值计算的方法，将复杂的物理问题离散化为有限个简单的子问题，通过求解这些子问题来获得整体的解。

在焊接过程中，我们可以将焊接区域离散化为一系列的小单元，然后根据热传导方程和边界条件，求解每个小单元的温度分布。

通过将这些小单元的温度场拼接起来，就可以得到整个焊接区域的温度场分布。

其次，我们还可以使用计算流体力学（CFD）方法进行温度场仿真。

CFD方法是一种基于流体力学原理的计算方法，可以模拟流体的运动和传热过程。

在焊接过程中，焊接区域的气体和熔池的流动对温度场分布有着重要的影响。

通过建立焊接区域的几何模型、设置边界条件和求解流动和传热方程，我们可以得到焊接过程中气体和熔池的温度分布情况。

温度场仿真可以帮助我们分析焊接过程中的热效应，进而优化焊接参数和工艺。

例如，通过仿真分析，我们可以确定合适的预热温度和焊接速度，以控制焊接区域的温度分布，避免产生焊接缺陷和变形。

2. 焊接过程中的应力场仿真焊接过程中的温度变化会引起金属材料的热膨胀和收缩，从而产生应力。

应力场仿真可以帮助我们了解焊接过程中应力的分布情况，预测焊接区域的变形和残余应力。

与温度场仿真类似，应力场仿真也可以通过有限元分析和CFD方法来实现。

在有限元分析中，我们可以将焊接区域离散化为一系列的小单元，并根据材料的本构关系和边界条件，求解每个小单元的应力分布。

通过将这些小单元的应力场拼接起来，就可以得到整个焊接区域的应力场分布。

焊接温度场和应力场的有限元分析张华波;刘志义【摘要】本文通过ANSYS有限元分析软件平台,实现了高斯移动热源载荷下平板堆焊的焊接温度场和应力场的数值模拟分析,得到了焊接温度场和应力场的分布情况和变化规律.【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2016(019)009【总页数】4页(P27-30)【关键词】温度场;应力场;ANSYS;有限元模拟【作者】张华波;刘志义【作者单位】中南大学材料科学与工程学院, 湖南长沙 410083;中南大学材料科学与工程学院, 湖南长沙 410083【正文语种】中文焊接是一个快速升温并随后快速冷却的过程，焊接物理现象包括焊接时的传热过程、金属的熔化和凝固、电磁、冷却时的相变、变形、焊接应力等。

焊接时，在焊件上将产生局部高温的不均匀温度场，焊缝中心处的温度可达1500℃以上，焊缝填料受热向外膨胀但受到周围母材的约束，从而在焊件内产生较大的温度应力，此应力会随着温度和时间发生不断的变化，某些部位的焊接应力甚至达到材料的屈服强度而发生塑性变形，在焊件冷却后残存于内部成为残余应力。

焊接所产生的残余应力和变形，可对焊接结构质量产生重大影响。

在实际结构中，多数开裂都是从焊缝处发起的［1］，因此对焊接温度场和应力场进行分析是十分必要的。

焊件尺寸及相关参数如下：焊件材质为低碳钢25#，焊丝为H08Mn2SiA，焊件几何尺寸为120 mm×120 mm×6mm，焊缝位于焊件的Y-Z平面中心线。

焊接电压25V，电流180 A，焊接速度10 mm/s，电弧有效半径r=6mm，焊接热效率η=0.75。

在ANSYS有限元分析中，经常会涉及到对称性的构件。

ANSYS给我们提供了对称和反对称两种对称分析类型。

如果分析对象呈对称的几何形状，且所受载荷也对称的话，根据其对称性，可以只考虑采用计算模型的一半进行分析，采用对称分析可以节省计算时间，提高工作效率。

对称面每增加一个，有限元模型就相应地减少近一半［2］。