平板焊接殘余應(yīng)力及裂紋對(duì)焊接殘余應(yīng)力影響研究

平板焊接殘余應(yīng)力及裂紋對(duì)焊接殘余應(yīng)力影響研究

平板焊接殘余應(yīng)力及裂紋對(duì)焊接殘余應(yīng)力影響討論:焊接在船舶制造過程中有重要作用,船體結(jié)構(gòu)在焊接過程中會(huì)采納不同的坡口進(jìn)行對(duì)接焊。

在焊接過程中由于結(jié)構(gòu)四周的固定方式不同等緣由會(huì)導(dǎo)致焊縫中有殘余應(yīng)力存在。

同時(shí)焊接過程中會(huì)有裂紋等焊接缺陷發(fā)生。

本文運(yùn)用和軟件對(duì)焊接殘余應(yīng)力及裂紋對(duì)焊接殘余應(yīng)力影響進(jìn)行討論。

:焊接;殘余應(yīng)力;裂紋一平板焊接殘余應(yīng)力本文采納軟件中的間接耦合法對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行討論。

間接耦合法就是對(duì)熱過程先進(jìn)行分析,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析時(shí),把溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)上進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算。

本文所選用的鋼板材料為345鋼,其屈服強(qiáng)度=345,極限強(qiáng)度=460,1011,[1]。

焊條或焊絲的屬性與母材的屬性很相近,因此,在進(jìn)行焊接數(shù)值模擬時(shí)把焊縫處的材料屬性和母材屬性設(shè)為一樣。

15030的平板焊接而成,采納型坡口,坡口角度為60。

,坐標(biāo)軸方向?yàn)榇怪焙缚p方向,坐標(biāo)軸的方向?yàn)榇怪卑搴穹较?坐標(biāo)軸方向?yàn)檠刂缚p的方向。

如圖1所示:,焊縫區(qū)域是一種受阻收縮的狀態(tài)。

把焊接初始溫度設(shè)置為室溫25℃。

℃。

焊接速度為10,,焊接電流為150,電壓設(shè)置為24[2]。

焊接模型采納多層多道焊接,焊接方向從軸零坐標(biāo)開頭到模型末端,有限元模型邊界條件以及焊道布置如圖2、3所示。

圖2結(jié)構(gòu)約束模型,溫度場(chǎng)如圖4~圖6所示:=30時(shí)的溫度場(chǎng)=60時(shí)的溫度場(chǎng)圖4焊接第一層時(shí)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)=270時(shí)的溫度場(chǎng)=300時(shí)的溫度場(chǎng)圖5焊接第三層時(shí)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)=720時(shí)的溫度場(chǎng)=14700時(shí)的溫度場(chǎng)圖6冷卻至室溫時(shí)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)從上述的溫度場(chǎng)可以看出,熱源輸入時(shí)的溫度最高,高溫區(qū)域主要集中在焊縫區(qū)域。

隨著冷卻進(jìn)行,熱影響區(qū)的范圍在不斷擴(kuò)大,溫度梯度進(jìn)一步縮小,直至到室溫狀態(tài)。

=14700時(shí)的上表面等效應(yīng)力場(chǎng)=14700時(shí)下端面的等效應(yīng)力場(chǎng)圖7=14700等效應(yīng)力場(chǎng)如圖7所示,此時(shí)為冷卻到室溫的等效應(yīng)力場(chǎng),此時(shí)等效應(yīng)力最大值為326,應(yīng)力場(chǎng)分布主要集中在焊縫熱影響區(qū)。

在每層焊縫的相交處也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

橫向殘余應(yīng)力分布縱向殘余應(yīng)力分布圖8型坡口殘余應(yīng)力圖8為在室溫狀態(tài)下模型的橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力。

把沿著焊縫方向的應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力,由于本文中方向?yàn)楹缚p方向,所以縱向殘余應(yīng)力為軸方向的殘余應(yīng)力。

縱向應(yīng)力主要是由于縱向的冷卻收縮導(dǎo)致的。

把和焊縫垂直的方向的應(yīng)力稱為橫向應(yīng)力。

本文中軸方向?yàn)榇怪焙缚p方向,所以軸方向的殘余應(yīng)力為橫向應(yīng)力。

為了更好地定量的分析殘余應(yīng)力的分布規(guī)律,在試件上表面定義三條路徑。

如圖9所示。

圖9路徑的定義從圖9所示,圖中路徑1為焊縫中心處,路徑2為平行于焊縫左側(cè)一半中心處,路徑3為垂直板縫方向中心處。

路徑1上的殘余應(yīng)力路徑2上的殘余應(yīng)力路徑3上的殘余應(yīng)力圖10不同路徑下殘余應(yīng)力曲線圖如圖10所示,可以看出:1路徑1沿焊縫長(zhǎng)度方向中橫向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

橫向殘余應(yīng)力的大小沿著焊縫長(zhǎng)度方向分布較為平穩(wěn),在焊縫兩端區(qū)域有肯定波動(dòng),最大殘余應(yīng)力100左右。

焊縫中部區(qū)域的殘余應(yīng)力主要在20左右。

縱向殘余應(yīng)力也表現(xiàn)為壓應(yīng)力,焊縫的兩端區(qū)域的壓應(yīng)力最大,最大值在150左右。

在焊縫中部區(qū)域較為平穩(wěn),在140左右。

2路徑2沿焊縫長(zhǎng)度方向中的橫向殘余應(yīng)力,在焊縫的起始階段表現(xiàn)為拉應(yīng)力,且拉應(yīng)力漸漸減小,最大拉應(yīng)力在50左右。

橫向殘余應(yīng)力在中部區(qū)域基本為0。

在焊縫末端區(qū)域主要為壓應(yīng)力。

縱向殘余應(yīng)力在焊縫的兩端主要為壓應(yīng)力,在焊縫的中部區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力,在焊縫中部區(qū)域拉應(yīng)力達(dá)到最大值在80左右。

3路徑3垂直焊縫長(zhǎng)度方向中橫向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,母材區(qū)域的應(yīng)力分布比較平穩(wěn),焊縫區(qū)域的應(yīng)力分布波動(dòng)較大,最大值在40左右。

縱向殘余應(yīng)力在母材區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力,在焊縫上表現(xiàn)為拉應(yīng)力,兩道焊的焊縫中心處拉應(yīng)力最大,最大值在85左右。

路徑1上的路徑3上的圖11不同路徑下曲線圖如圖11所示:1路徑1沿焊縫長(zhǎng)度方向中焊縫的等效應(yīng)力曲線呈型分布,焊縫兩端位置等效應(yīng)力消失最值。

焊縫起始位置處等效應(yīng)力最大,最大值接近320。

焊縫兩端區(qū)域的等效應(yīng)力向中間遞減,中間區(qū)域等效應(yīng)力最小。

2路徑3垂直焊縫長(zhǎng)度方向中在焊縫熱影響區(qū)的等效應(yīng)力波動(dòng)最大,最大值為210,遠(yuǎn)離熱影響區(qū)區(qū)域應(yīng)力接近0。

,選取裂紋的長(zhǎng)度和深度分別為5、1,4、,3、。

裂紋中心點(diǎn)坐標(biāo)為0,17,150。

圖12為長(zhǎng)度為5,深度為1的裂紋四周有限元模型。

,計(jì)算得到含單裂紋模型的橫向殘余應(yīng)力重分布云圖,如圖13、14所示。

5裂紋焊接接頭部分應(yīng)力圖5裂紋四周局部應(yīng)力圖圖13橫向殘余應(yīng)力分布4裂紋四周局部