对接焊法兰的残余应力特性的有限元分析.doc

对接焊法兰的残余应力特性的有限元分析宋永伦，杨晓红，郭魏然，肖田娇，严泗博?机械工程与应用电子技术学院，北京工业大学，北京100124，中国高等教育出版社和施普林格出版社柏林海德堡2011 摘要：利用有限元模拟铝合金2014在交流TIG焊条件下的焊接，模拟结果和板在实际焊接参数下测得的残余应力可以很好的吻合，此外焊接残余应力的特性可以根据焊接结构、焊接顺序、间隔时间、预热以及补焊等方面进行研究。断续焊在实际焊接中更方便，并且在减少焊接残余应力方面更有优势；而补焊在不含区域范围内可能会造成更大的残余应力。 关键词：有限元法，高强度铝合金，对焊，应力，焊接工艺1 引言 法兰密封，真空度，以及焊接质量要求非常高的航空航天压力容器核电等产业此外，焊缝质量可能直接影响后续加工和使用寿命。预测和控制的法兰焊接残余应力和变形此外，大型商业有限元软件（例如，ABAQUS软件，ADINAT，ANSYS，SYSWELD，等等）正在开发和广泛应用在焊接热和力学分析，它可以充分证明，有限元预测焊接应力和变形分析（FEA），??已经非常有效的[5]，此外，它复杂的，立体化，集成化，精确，高效方向 热弹塑性有限元法分析和预测对接焊法兰的残余应力特性的各种焊接过程中的影响考虑在内首先，热分析已经完成，然后，这个瞬态温度场可以进行力学分析，得到的残余应力和变形然而，大多数作者采用或T型接头简单板的热和力学测试因为非线性瞬态分析长的计算时间和大量的计算能力 [5-7]首先，有限元分析结果的合理性和准确性用的电阻应变片测试验证，然后残余应力的可以焊接结构，焊接顺序，时间间隔等几个方面详细的。2 数值模型及验证 2.1 模型理论 焊接温度场的分析应该集中在热传导的研究，为了采用有限元进行计算，焊接过程中瞬态温度场模型采用以下假设： （i）熔池金属的流动在温度场计算的影响可以忽略不计;熔敷金属的填充效果可忽略不计;该材料是各向同性的根据能量守恒原理，瞬态矩阵方程如下[8-9][C]是系统内部的能量增加可采取的比热矩阵 是温度T对事件t的导数， [K]是导率矩阵包括导热系数，对流系数和热辐射率，以及形状因子对于弹性行为，它是一个应力和应变之间的线性关系d是总的应力增加；是总的应变的增加；[D]表示弹性或塑性矩阵，也就是说是在弹性状态，是在塑性状态；{C}是一个与温度有关的矢量，也就是说，是在弹性状态，是在塑性状态；dT是温度的增加量。 2.2 模型的简化及建立 图2给出了一个厚度为6mm,半径为90mm的法兰，其中有一个直径为50mm的孔洞。用常规的四边形进行网格划分，为了减少计算的错误在熔合区附近网格尺寸尽可能的小些，经过划分后得到了19243个网格和25666个单元。 然后，设置材料的属性。铝合金2014的属性见参考[10]，其中泊松比和密度随着温度的变化对有限元的计算影响很小；因此，它们的值可看成是恒定的，分别为0.33和2.8x10-6kg/mm3. 图2 焊接工艺过程的焊接线（a）连续焊，（b）断续焊 在填丝TIG焊接工艺过程中，不仅交流TIG电弧能够产生作用于熔池的力，熔化的焊丝也能向熔池中传递一部分热量，因此TIG焊电弧的热源可能不应该简单地看作是面热源，如高斯分布或双椭面热源，双椭球体热源可以在这个工件中采用。体积热源作用于工件划分成沿着坐标系轴的前部分，所以相应的热通量分布的表达可以被描述为在文献?[6]和[10]。详细的仿真参数如表1所示η p/w 数值 6 9 6.6 6 0.65 4500 主要模拟了两种焊接工艺过程（如图2所示），一种是连续焊，焊接起始点标记为0。?，是焊缝X轴标记为360°，顺时针方向一个周期如图所示2。另一种是断续焊，即，它已经进行了六个小部分以顺时针方向。各六个小部分如下：349.2°到10.8°（），79.2°，100.8°（），270°，349.2°（），180°至270°（），100.8°至180°（），和10.8°至79.2°（）详细过程。?最后，表面的对流，辐射和边界条件进行有限元计算。TIG对接焊测试结果表明，在某些点除了纵向焊缝残余应力相对较大纵向残余应力基本吻合如图所示23-30 MPa，也有一些其他偏差然而，测试和模拟之间的偏差值可能在25兆帕，这测试误差范围内。因此，模拟的结果基本上与试验3 结果及讨论 法兰焊缝应力轴向应力可能非常小，因为其厚度只有6毫米，因此，更应当注意两个主要方向应力，即径向应力σr和圆周应力σθ。下面焊接结构，焊接顺序，时间间隔方面残余应力。因为法兰中心距离104已经进行了加厚和加固处理，刚性非常大，焊缝直径不小于160毫米是意义的?各种焊缝的起步