平板焊接殘余應力及裂紋對焊接殘余應力影響研究

平板焊接殘余應力及裂紋對焊接殘余應力影響研究

平板焊接殘余應力及裂紋對焊接殘余應力影響討論:焊接在船舶制造過程中有重要作用,船體結構在焊接過程中會采納不同的坡口進行對接焊。

在焊接過程中由于結構四周的固定方式不同等緣由會導致焊縫中有殘余應力存在。

同時焊接過程中會有裂紋等焊接缺陷發(fā)生。

本文運用和軟件對焊接殘余應力及裂紋對焊接殘余應力影響進行討論。

:焊接;殘余應力;裂紋一平板焊接殘余應力本文采納軟件中的間接耦合法對焊接殘余應力進行討論。

間接耦合法就是對熱過程先進行分析,在進行結構應力分析時,把溫度作為載荷施加到結構上進行應力場的計算。

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

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

15030的平板焊接而成,采納型坡口,坡口角度為60。

,坐標軸方向為垂直焊縫方向,坐標軸的方向為垂直板厚方向,坐標軸方向為沿著焊縫的方向。

如圖1所示:,焊縫區(qū)域是一種受阻收縮的狀態(tài)。

把焊接初始溫度設置為室溫25℃。

℃。

焊接速度為10,,焊接電流為150,電壓設置為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結構約束模型,溫度場如圖4~圖6所示:=30時的溫度場=60時的溫度場圖4焊接第一層時不同時刻的溫度場=270時的溫度場=300時的溫度場圖5焊接第三層時不同時刻的溫度場=720時的溫度場=14700時的溫度場圖6冷卻至室溫時不同時刻的溫度場從上述的溫度場可以看出,熱源輸入時的溫度最高,高溫區(qū)域主要集中在焊縫區(qū)域。

隨著冷卻進行,熱影響區(qū)的范圍在不斷擴大,溫度梯度進一步縮小,直至到室溫狀態(tài)。

=14700時的上表面等效應力場=14700時下端面的等效應力場圖7=14700等效應力場如圖7所示,此時為冷卻到室溫的等效應力場,此時等效應力最大值為326,應力場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力集中現(xiàn)象。

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

把沿著焊縫方向的應力稱為縱向應力,由于本文中方向為焊縫方向,所以縱向殘余應力為軸方向的殘余應力。

縱向應力主要是由于縱向的冷卻收縮導致的。

把和焊縫垂直的方向的應力稱為橫向應力。

本文中軸方向為垂直焊縫方向,所以軸方向的殘余應力為橫向應力。

為了更好地定量的分析殘余應力的分布規(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上的殘余應力路徑2上的殘余應力路徑3上的殘余應力圖10不同路徑下殘余應力曲線圖如圖10所示,可以看出:1路徑1沿焊縫長度方向中橫向殘余應力表現(xiàn)為壓應力。

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

焊縫中部區(qū)域的殘余應力主要在20左右。

縱向殘余應力也表現(xiàn)為壓應力,焊縫的兩端區(qū)域的壓應力最大,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沿焊縫長度方向中的橫向殘余應力,在焊縫的起始階段表現(xiàn)為拉應力,且拉應力漸漸減小,最大拉應力在50左右。

橫向殘余應力在中部區(qū)域基本為0。

在焊縫末端區(qū)域主要為壓應力。

縱向殘余應力在焊縫的兩端主要為壓應力,在焊縫的中部區(qū)域為拉應力,在焊縫中部區(qū)域拉應力達到最大值在80左右。

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

縱向殘余應力在母材區(qū)域為壓應力,在焊縫上表現(xiàn)為拉應力,兩道焊的焊縫中心處拉應力最大,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沿焊縫長度方向中焊縫的等效應力曲線呈型分布,焊縫兩端位置等效應力消失最值。

焊縫起始位置處等效應力最大,最大值接近320。

焊縫兩端區(qū)域的等效應力向中間遞減,中間區(qū)域等效應力最小。

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

,選取裂紋的長度和深度分別為5、1,4、,3、。

裂紋中心點坐標為0,17,150。

圖12為長度為5,深度為1的裂紋四周有限元模型。

,計算得到含單裂紋模型的橫向殘余應力重分布云圖,如圖13、14所示。

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