对接接头I型坡口焊接工艺研究毕业论文.docx
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对接接头I型坡口焊接工艺研究毕业论文
甘肃畜牧工程职业技术学院
毕业设计（论文）
题目
对接接头中I型坡口研究
学生姓名：
张根根
系别：
机械工程系
专业：
材料成型与控制技术
学号：
0903310209
班级：
09.1
指导教师：
摘要
本文基于非线性有限元分析软件MSC.MARC平台，模拟了中碳钢5mm厚I型坡口平板对接焊，以及在不同焊接工艺参数下的温度场、应力场和焊接变形。
利用MSC.MARC软件模拟焊接的基本过程如几何建模、参数设置、分析求解和结果输出等，分析平板在不同外部约束条件的温度场、应力场，并对比分析不同约束条件下的焊后残余应力及焊后变形，由此得出何种约束条件对I型坡口平板对接焊的变形和残余应力影响因素最小，从而指导实际工作。
关键词：
焊接模拟，MSC.MARC，约束条件，残余应力，焊后变形
ABSTRACT
BasedonthenonlinearfiniteelementanalysissoftwareMSC.MARCsimulationplatform,thearticlehassimulatedthejointof5mmthickmedium-carbonsteelplatetype,indifferentweldingprocessparametersofthetemperaturefieldandstressfieldoftheweldingdeformationandresults.UsingMSC.MARCsoftwaretosimulatethebasicprocessofweldingsimulation,suchasgeometrymodelinggeneration,parametersettingsandtheresultsoutputtinganddefinitelyanalyzesthetemperaturefieldandstressfieldandtheweldingdeformationindifferentconstraintconditions,andfinallyconcludedtheeffectofdifferentconstraintconditionsonthetypeofweldingdeformationandresidualstressinfluence,soastoguidethepracticalwork.
Keywords:
Weldingsimulation,MSC.MARC,Constraintconditions,theresidualstress,weldingdeformation.
目录
第1章概论1
1.1课题背景及意义1
1.2焊接应力和焊接变形产生的原因1
1.2.1焊接应力产生的原因1
1.2.2焊接变形产生的原因1
1.3焊接模拟技术国内外现状及发展2
1.3.1焊接模拟技术理论来源2
1.3.2焊接模拟技术发展现状3
1.3.3焊接模拟技术发展趋势3
1.4本文主要任务和研究路线4
第2章MSC.MARC焊接模拟过程5
2.1MSC.MARC功能简介5
2.2焊接模拟基本过程5
2.2.1焊接模拟前处理6
2.2.2焊接模拟分析9
2.2.3焊接模拟后处理9
第3章温度场和应力场的模拟10
3.1焊接工艺方案的确定10
3.2温度场的模拟及分析11
3.2.1瞬态温度场的模拟结果11
3.2.2温度场的对比分析13
3.3应力场的的模拟与分析13
3.3.1等效应力分布14
3.3.2等效应力的对比分析16
3.4本章小结17
第4章约束条件对焊接变形的影响18
4.1有关焊接变形18
4.2焊后变形结果及分析19
4.2.1焊后宏观变形及分析19
4.2.2AB节点方向上的变形结果分析22
4.2.3CD节点方向上的变形结果分析24
4.3本章小结26
第5章结论27
致谢28
参考文献29
第1章概论
1.1课题背景及意义
焊接是一复杂的物理化学过程，长久以来，焊接工艺主要依靠经验积累和实验测试，成本消耗巨大且焊接质量难以保证、废品率高。
由焊接产生的动态应力应变过程及其随后形成的残余应力，是导致焊接变形、裂纹和接头强度与性能下降的重要因素，因此将传统焊接技术与现代计算机模拟仿真技术结合来预测焊后结果以及解决焊接过程中所纯在的问题，成为当前材料加工领域的主要研究特点之一，其不仅可以节约大量人力财力物力，还可以解决目前实验室无法进行直接研究的复杂问题。
借助计算机技术，对焊接现象进行模拟，是国内外焊接工作者的热门研究课题并得到了越来越广泛的应用。
1.2焊接应力和焊接变形产生的原因
产生焊接应力与变形的基本原因是由于焊接时试板的局部被加热到高温状态，形成了试板上温度的不均匀分布所造成的。
其次，在焊接时，由于不同的焊接热循环作用引起金相组织和宏观体积的变化，当体积变化受到阻碍时便产生了应力，从而出现局部与整体变形。
1.2.1焊接应力产生的原因
焊接应力按应力作用的方向分为纵向应力、横向应力和厚度方向的焊接应力。
纵向焊接应力就是平行于焊缝长度方向的应力。
在焊接过程中，钢板中会产生不均匀的温度场，从而产生不均匀的膨胀。
在靠近焊缝一侧高温区受到热压力作用，而在远离焊缝一侧受到热拉应力的作用。
焊接完毕，试板自然冷却，在近焊缝区段产生拉应力，在稍远区段产生压应力。
横向应力是垂直于焊缝轴线的应力。
产生横向焊接应力的原因可分为焊缝的纵向收缩和横向收缩2个方面。
冷却时，由于焊缝先后冷却时间不同，先焊的先冷却凝固，存在一定强度，阻止了后焊的焊缝在横向的自由膨胀，使其产生横向压缩变形。
后焊的焊缝冷却时，横向收缩受到阻止，而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力。
厚度方向的焊接应力常发生在多层焊中，上下表面温差很大，温度沿厚度方向分布不均，从而导致应力的产生。
1.2.2焊接变形产生的原因
焊接变形分局部变形和整体变形。
局部变形指焊接结构的某部分发生变形，它在焊接中易矫正；整体变形指整个结构的形状或尺寸发生变化，是由于焊缝在各个方向上的收缩所引起的。
焊接变形产生的原因有以下几种：
（1）不均匀的局部加热和冷却是最主要原因。
焊接时，试板的局部被加热到熔化状态，形成了试板上温度的不均匀分布区，使试板出现不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则受到拉应力。
当被加热金属受到的压应力超过其屈服点时，就会产生塑性变形；试板冷却时，由于加热的金属在加热时已产生了压缩的塑性变形，所以，最后的长度要比未被加热金属的长度短些。
（2）焊缝金属在冷却过程中，体积发生收缩，这种收缩使试板产生变形和应力。
焊缝金属的收缩量取决于熔化金属的数量，因而不同的坡口会产生不同的变形，长焊缝的纵向收缩会对试板边缘产生压应力，焊缝横向收缩将会造成试板角变形，综合作用，可能会使试板产生波浪变形。
（3）焊缝金属及焊接热影响区的组织发生变化。
焊缝及焊接热影响区金属在焊接时加热到熔点或固态相变温度以上，冷却过程中其金属组织要发生变化。
由于各种组织的比容不同，因此随之发生体积的变化。
（4）试板的刚性限制了试板在焊接过程中的变形，所以刚性不同的焊接结构，焊后变形的大小就不同。
除上述原因外，焊接方法、接头形式、坡口形式、坡口角度、试板装配间隙、焊接速度和焊接顺序等都会对焊接变形和焊接应力造成影响。
1.3焊接模拟技术国内外现状及发展
1.3.1焊接模拟技术理论来源
焊接是一个涉及传热学、电磁学、材料冶金学、固体和流体力学等多学科交叉的复杂过程
。
焊接工艺的仿真，主要是针对焊接温度场、残余应力、变形等几个方面，旨在改善焊接部件的制造质量，提高产品服役性能，优化焊接顺序等工艺过程。
常用的焊接数值模拟方法有：
解析法，即数值积分法、差分法、有限元法和蒙特卡洛法。
数值积分法用在原函数难于找到的微积分计算中。
常用的数值积分法有梯形公式、辛普生公式，高斯求积法等；蒙特卡洛法又称随机模拟法。
即对某一问题做出一个适当的随机过程，把随机过程的参数用由随机样本计算出的统计量的值来估计，从而由这个参数找出最初所述问题中的所含未知量；差分法的基础是用差商代替微商，相应的就把微分方程变为差分方程来求解。
差分法的主要优点是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题，其程序设计和计算简单，易于掌握理解，但这种方法往往局限于规则的差分网格，不够灵活。
在焊接研究中差分法常用于焊接热传导、熔池流体力学、氢扩散等问题的分析；有限元法起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析，现在它已被用来求解几乎所有的连续介质和场的问题。
在焊接领域，有限元法已经广泛的用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等。
经过多年的发展，有限元数值模拟技术已经成为焊接数值仿真的主流方法，因为焊接最为关心的是变形和残余应力的控制，而有限元方法在这方面有着明显的优势。
近年来各种焊接模拟软件和有限元分析软件如ESISysWeld2009、SYSWELD、MSC.MARC等常用于焊接模拟分析中。
其中，本文是基于MSC.MARC的研究。
1.3.2焊接模拟技术发展现状
在计算机技术日益发展的今天，计算机模拟方法为焊接科学技术的发展提供了有利的途径。
1993年，美国能源部组织美国、加拿大、日本、瑞典等25为专家对21世纪焊接科学技术的发展动向作出预测，其中焊接基本现象的模拟和仿真被列为最重要的研究方向之一。
我国国家自热科学基金委员会制定的学科发展战略也将计算机模拟确定为机械热加工的发展方向之一。
近二十几年来，国内外都对焊接模拟技术在焊接中的应用进行了许多的研究，取得了不少的成果。
如日本大阪大学的上田幸雄教授长期以来从事焊接热弹塑性的研究，创建了“计算焊接力学”的新型学科，并出版了焊接力学专著。
焊接数值模拟主要是通过焊接热过程，焊接冶金和焊接应力应变三方面进行分析。
焊接热过程分析包括焊接热源的大小和分布形式分析、热物理性能随温度变化的影响分析，焊接熔池中的流体动力学和传热分析，焊接电弧的传热传质分析，以及各种实际焊接接头形式、焊接程序、焊接工艺方法的边界条件处理等。
焊接热过程的数值分析开始于20世纪70年代，1985年樊丁和M.Ushio在假定电流为高斯分布的条件下，计算了电弧的压力场分布规律，建立了较完善的电弧传热传质数值模型
。
《焊接热过程与熔池形态》
对焊接热过程和熔池形态有具体的分析和总结。
焊接过程冶金分析包括焊接熔池中的化学反应和气体吸收、焊缝金属的结晶、溶质的再分配和显微偏析、气孔、夹渣和热裂纹的形成、热影响区在焊接热循环作用下发生的相变和组织性能变化，以及氢扩散和冷裂纹等的预测
。
1.3.3焊接模拟技术发展趋势
目前，采用数值方法来模拟复杂的焊接现象已经取得了很大的进展，模拟技术已经渗透到焊接的各个领域，主要研究内容有：
（1）焊接热传导分析
（2）焊接熔池流体动力学（3）电弧物理（4）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测（5）焊接应力与变形（6）焊接过程中的氢扩散（7）特殊焊接过程的数值分析，如电阻点焊、陶瓷金属连接、激光焊接、摩擦焊接和瞬态液相焊接等。
同时，焊接数值模拟软件的发展朝着集成化、专业化、工程化等方向发展。
所谓集成化，就是焊接数值模拟将结合焊接工艺库，专家经验与知识库，材料数据库，变得越来功能越为丰富和强大，仿真能力更强，使用也更加方便。
更便于将焊接工艺结果反馈给结构设计工程师，使之在设计早期即可得到结构焊接后的力学性能，便于其对设计实现更改；
所谓专业化，就是焊接模拟软件不断细化，将各种类型的焊接仿真技术模块化，形成适于各种类型焊接工艺的模板库。
例如点焊工具，激光焊工具，电子束焊接工具，钎焊工具，搅拌摩擦焊工具等等；
所谓工程化，就是仿真的结果更方便地为工程实际所应用。
通过焊接仿真，找到优化的焊接工艺参数和焊接顺序，选择合适的焊接材料，融入更多焊接实际工程经验，包括积累的材料数据库等等。
焊接数值模拟技术虽然取得了可喜的成绩，然而应该看到这些研究还是初步的，还有许多深入的工作要做。
焊接数值模拟更重要的作用是优化结构设计和关于设计，提高焊接接头质量，同时焊接数值模拟必须建立在牢固的实验基础之上，否则便偏离真实的物理现象和本质。
可以相信，随着人们对焊接过程和现象认知的进一步深入以及计算机技术的高度发展，焊接数值模拟技术也将越来越发展并具有广阔的应用前景。
1.4本文主要任务和研究路线
对接时，不同的坡口形式对焊接结构的变形和焊后焊件中的残余应力具有较大的影响。
哪种坡口形式的结构件变形及焊接残余应力最小，至今还没有相关文献报道。
为了更好地指导生产实际焊接中，对坡口形式的选择，以及焊接工艺与焊接变形有必要对此进行相关的研究和分析。
本文基于非线性有限元分析软件MSC.MARC集中研究焊接时，坡口形式为I形如图1，对中碳钢在不同的拘束条件下的焊接温度场和应力场以及平板焊接变形进行了数值模拟，具体内容包括：
1.基于非线性有限元分析软件MSC.MARC软件，采用双椭球热源模型，模拟中碳钢I型坡口平板对接的焊接温度场和应力场以及焊后变形。
2.讨论不同的外部约束条件对焊接应力场以及平板焊后变形的影响。
3.通过对模拟结果进行比较，得出何种外部约束条件对I型坡口的变形和残余应力影响因素最小，从而指导实际工作。
图1
第2章MSC.MARC焊接模拟过程
2.1MSC.MARC功能简介
Marc是功能齐全的高级非线性有限元软件的求解器，体现了40多年来有限元分析的理论方法和软件实践的完美结合。
它具有极强的结构分析能力，可以处理各种线性和非线性结构分析。
它提供了丰富的结构单元、连续单元和特殊单元的单元库。
Marc的结构分析材料库提供了模拟金属、非金属、聚合物、岩土、复合材料等多种线性和非线性复杂材料特性的材料模型。
分析采用具有高数值稳定性、高精度和快速收敛的高度非线性问题求解技术。
为了进一步提高计算精度和分析效率，Marc软件提供了多种功能强大的加载步长自适应控制技术，可自动确定分析加载步长。
Marc卓越的网格自适应技术以多种误差准则自动调节网格疏密，既保证了计算精度，同时也使非线性分析的计算效率大大提高。
此外，Marc支持全局自动网格重划，用以纠正过渡变形后产生的网格畸变，确保大变形分析继续进行。
对非结构的场问题，如包括对流、辐射、相变潜热等复杂边界条件的非线性传热问题的温度场，以及流场、电场、磁场，提供了相应的分析求解能力；并具有模拟流-热-固、土壤渗流、声-结构、电-磁、电-热以及热-结构等多种耦合场的分析能力。
为满足高级用户的特殊需要和进行二次开发，Marc提供了方便的开放式用户环境。
这些用户子程序入口几乎覆盖了Marc有限元分析的所有环节，从集合建模、网格划分、边界定义、材料选择、分析求解到结果输出，用户都能访问并修改程序的默认设置。
在Marc软件的原有功能框架下，用户能极大的扩展Marc有限元软件的分析能力。
2.2焊接模拟基本过程
非线性问题的求解过程比线性问题更加复杂、费用更高和更具有不可预知性。
因此，非线性有限元程序不仅需要做复杂的算式和有效的数据管理，而且必须包括合理的逻辑来指导求解过程。
非线性问题大致可分为以下三类：
几何非线性、材料非线性、非线性边界条件或载荷。
非线性求解的整个分析流程如图2-1所示。
图2-1非线性焊接分析流程图
2.2.1焊接模拟前处理
2.2.1.1几何建模与网格生成
本课题采用Marc有限元分析软件，模拟中碳钢平板对接焊接过程的温度场、应力场和变形。
采用长宽高分别为100mm×50mm×5mm的钢板进行熔化极CO2气体保护焊。
在网格生成菜单中建立如图2-2的模型。
图2-2
热源在平板上焊接时起点为焊缝中心O点，终点为I点，坐标系方向如图所示。
注意在网格划分过程中在焊缝附近要用更细数目的网格来描述，其是为了精确地捕获热梯度。
2.2.1.2设置母材和焊缝的材料参数
在焊接过程的数值模拟中，进行温度场分析时必须确定下列热物理参数：
导热系数（W/m.℃）、换热系数（W/mm2.℃）、密度（Kg/m3）、比热（J/Kg.℃）、焓（J/m3）；应力场分析时则必须确定泊松比、弹性模量（N/m2）、热膨胀系数（1/℃）、密度（Kg/m3）和屈服极限（MPa）等参数。
对于本课题母材材料和焊缝填料均选择45#钢。
由于在Marc软件材料库中有45#钢，因此在此45#钢的材料参数在软件中为默认值。
2.2.1.3焊接路径的设置
本课题采用单层单道焊，模型只有一条焊缝，因此只需设置一条焊接路径，创建原始曲线和辅助曲线，焊接路径如图2-3。
由于焊接路径的创建，焊接路径在此地的坐标被载入MSC.MarcMentat。
Z轴代表焊接运动方向，Y轴代表焊接电弧方向，X轴代表焊缝宽度方向。
图2-3
2.2.1.4初始边界条件的设置
由于模型材料选择为45#中碳钢，焊接性较差，需焊前预热，一般预热温度为200-300℃。
因此设预热温度为200℃，设置模型所有节点初始温度为200℃。
设环境温度30℃，空气换热系数0.02N/mm2/sec/℃。
不同的外部约束条件和拘束部位对平板焊后变形有很大影响。
本课题即研究不同的拘束部位对焊后变形和残余应力的影响。
添加外部约束条件假定为三种方案：
方案1：
拘束平板上4个点GHJK的区域，如图2-4。
方案2：
拘束平板上靠近焊缝处4个点PQMN的区域，如图2-5。
方案3：
拘束平板四个顶点LRST的区域，如图2-6。
图2-4图2-5
图2-6
焊接热源对于通常的焊接方法如手工电弧焊、钨极氩弧焊，采用高斯分布的函数就可以得到较满意的结果。
对于电弧冲力效应较大的焊接方法，如熔化极气体保护焊和激光焊接，常采用双椭球形热源分布函数
。
为求准确，还可将热源分成两部分，采用高斯分布的热源函数作为表面热源，试板熔池部分采用双椭球形热源分布函数作为内热源。
表面热源其热流密度分布公式即，
式中Q为热输入量，r为电弧有效加热半径。
双椭球形热源分布公式即，
式中Q为热输入量，a、b、c为椭球轴的大小。
本文根据所需模拟精度及焊接方法选择双椭球的热源模型进行模拟。
热源计算公式为Q=UIη，单位为N.mm/s,U为电压，I为电流，η为电弧效率。
2.2.2焊接模拟分析
2.2.2.1载荷工况的定义
在MAIN主菜单中拾取LOADCASE，进入载荷工况定义子菜单。
在连铸、挤压、轧钢、冲压、焊接等许多加工过程中，工件产生变形的同时往往伴随着温度的变化。
准确的分析这些加工过程中的温度和应力变化通常不应把温度场的求解和应力场的的分析分解开来。
因为除了温度变化对结构变形和材料性质产生影响外，结构变形反过来会改变热边界条件，进而影响温度变化。
对于温度与位移存在强耦合作用的问题，若先算温度，后分析热应力的解耦方法，分析会产生较大误差，比较精确地分析是按照热-机耦合场的求解方法，同时处理热传导和力平衡两类不同场方程
。
本课题用热机耦合工况来进行焊接分析，包括热传导分析和热应力分析。
由焊接速度和板长可得焊接时间为16.7s。
2.2.2.2工作参数定义并提交运行
在MAIN主菜单中单击JOBS，进入子菜单，进行热机耦合工况条件加载。
最后提交并运行。
2.2.3焊接模拟后处理
Mentat的后处理功能以图形、动画、曲线、表格和文件等多种形式显示Marc程序进行分析后生成的结果。
在程序运行完成后提取不同约束方案的温度场、应力场和不同方向焊后变形曲线，同时对变形结果进行比对分析，得出结论。
第3章温度场和应力场的模拟
3.1焊接工艺方案的确定
本文是在如前所述三种方案的拘束条件下来进行模拟的，通过比较平板的宏观和微观变形来讨论不同外部约束条件对焊接变形的影响。
欲获得良好的焊接接头，必须正确选择焊接方法，了解材料的焊接性，正确掌握基本操作，选择合适的焊接规范。
CO2气体保护焊的焊接参数选择要求如下：
1.焊丝直径的选择当钢板厚度大于4mm时，应采用直径大于或等于1.6mm的焊丝，直径1.6mm的焊丝可用于短路过渡和细滴过渡焊接。
2.焊接电流的选择焊接电流的作用是熔化焊丝和工件，，同时也是决定熔深的最主要因素。
焊接电流使用范围随焊丝直径和熔滴过渡形式的不同而不同。
焊丝直径为1.6mm且短路过渡的焊接电流在200A以下时，能得到飞溅小、成形美观的焊道。
细滴过渡的焊接电流在350A以上时，能得到熔深较大的焊道，常用于焊接厚板。
3.电弧电压的选择电弧电压是焊接参数中很重要的一个参数，电弧电压的大小决定了电弧的长短和熔滴的过渡形式，它对焊缝成形、飞溅、焊接缺陷以及焊缝的力学性能有很大的影响。
实现短路过渡的条件之一是保持较短的电弧长度，即低电压。
但电弧电压过低，电弧引燃困难，焊丝会插入熔池，电弧也不能稳定燃烧；若电话电压过高，则由短路过渡转化为粗滴的长弧过渡，焊接过程不稳定。
4.焊接速度的选择选择焊接速度主要根据生产率和焊接质量。
焊速过快，保护效果差同时使冷却速度加大，使焊缝塑性降低，且不利于焊缝成形，易形成咬边缺陷；焊速过慢，熔敷金属在电弧下堆积，电弧热和电弧力受阻碍，焊道不均匀，且焊缝组织粗大。
在实际生产中，焊速一般不超过8.3mm/s。
5.焊丝伸长长度的选择当其他焊接参数不变时，随着焊丝伸出长度的增加，焊接电流下降，熔深也减小；焊丝上的电阻热增大，焊丝熔化加快，从提高生产效率上看这是有利的。
但是当焊丝伸出长度过大时，焊丝容易发生过热而成段熔断，飞溅严重，焊接过程不稳定。
同时焊丝伸出长度增加后，喷嘴与工件间的距离亦增大，因此气体保护效果变差。
焊丝伸出长度过小，会妨碍观察电弧，影响焊工操作；同时飞溅金属容易堵塞喷嘴；另外还会使导电嘴过热而夹住焊丝，甚至烧毁导电嘴。
很据经验，合适的焊丝伸出长度一般为焊丝直径的10-12倍。
6.电流极性的选择CO2焊主要采用直流反接法。
能得到飞溅小，电弧稳定，焊缝成形好，熔深大，焊缝金属含氢量低的焊缝。
7.气体流量的选择气体流量主要根据对焊接区域的保护效果来决定。
在焊接电流较大、焊接速度较快、焊丝伸出长度较长以及室外作业等情况下，气体流量要适当加大。
粗丝CO2焊气体流量在15-25L/min。
基于本课题，5mm单道焊平板对接模型，通过查取《熔焊方法与设备》
和《实用焊接手册》
，选择熔化极CO2气体保护焊，滴状过渡，焊丝为H08Mn2SiA，焊丝直径1.6mm，焊接层数1层，具体参数如下：
电弧电压U=30V，焊接电流I=300A，焊接速度为6mm/s，气体流量15L/min。
3.2温度场的模拟及分析
3.2.1瞬态温度场的模拟结果
图3-1、图3-2、图3-3、图3-4是平板分别在1.01s、8.5s、16.7s和冷却后的温度场分布。
图3-1
图3-2
图3-3
图3-4
图3-5是平板在如图所示节点方向上从焊接开始到焊后冷却整个过程的温度曲线。
图3-5
3.2.2温度场的对比分析
从图3-1、3-2、3-3我们可以看到，平板的初始温度为200℃，即焊前预热温度。
在焊接过程中试板上形成稳定的温度场，图上等温线的形状呈现为以焊接方向为长轴的近似1/4椭圆形。
焊接热源前方等温线密集，
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