焊接速度对AH36船用高强钢焊接残余应力及其释放的影响

基于ABAQUS软件二次开发,建立平板对接焊试件焊接残余应力及其释放的有限元模型,利用顺序耦合热力学数值仿真计算3种焊接速度下的焊接残余应力分布,并研究了3种焊接速度下初始焊接残余应力在3种拉伸循环载荷作用下的释放情况。随着焊接速度的增加,沿试件深度方向的初始横向焊接残余应力明显下降。在相同外载荷作用下,随着焊接速度的降低,焊接残余应力释放水平提高、释放量增加。随着焊接速度的增加,第一次循环残余应力的释放量占循环50次后残余应力释放总量的比例增加。     

AH36船用高强钢焊接残余应力释放的数值模拟与试验分析

为了解焊接残余应力及其释放规律,基于顺序耦合热力学有限元方法对ABAQUS软件进行二次开发,模拟平板对接焊的焊接过程,计算焊接残余应力分布及其在0.8σ_s循环拉伸载荷作用下的释放情况,同时开展相应的试验研究,验证有限元计算方法的有效性。讨论循环载荷大小对残余应力释放的影响,计算3种不同水平载荷下焊接残余应力释放情况,得出AH36钢对接焊平板残余应力释放计算公式,通过对比有限元计算结果与试验结果,表明残余应力释放公式具有较好的计算精度,可以用于估算不同载荷作用后焊接残余应力的释放。     

焊接速度对AH36船用高强钢焊接残余应力及其释放的影响

焊接件由于焊接速度不同,焊接残余应力分布存在很大差异,焊接残余应力在循环载荷作用下会产生释放现象,焊接残余应力存在对于结构安全性和稳定性有很大影响,有必要开展焊接速度对于焊接残余应力及其释放影响研究。基于ABAQUS软件二次开发建立平板对接焊试件焊接残余应力以及释放有限元模型,利用顺序耦合热力学数值仿真计算三种焊接速度下的焊接残余应力分布,并开展三种焊接速度下初始焊接残余应力在三种拉伸循环载荷作用下的释放情况研究。     

预拉伸法降低异种钢焊接残余应力的作用研究

采用热弹塑性有限元法计算了Q235钢与304不锈钢平板对接焊在不同预拉伸应力作用下的焊接残余应力场,计算结果表明,焊接残余应力呈现非对称式分布,纵向残余应力的峰值均出现在304不锈钢一侧且高于其屈服强度。预置纵向拉伸应力能显著降低纵向焊接残余应力,而且当预置拉伸应力越大时（低于屈服强度）,降低焊接残余应力的效果越明显。采用红外热像仪测量了焊接过程中焊接材料表面的温度变化情况,有限元计算的结果与其符合较好。     

大厚板内部焊接残余应力分布实验研究

本文采用两次切割轮廓法测试55 mm厚对接焊接接头的内部纵向和横向残余应力分布,分析大厚度板单V坡口多道焊接接头的内部应力特征。测试结果表明:轮廓法测试的内部应力结果和热弹塑性有限元数值计算结果符合较好;焊缝及其邻近区域的纵向应力为拉伸应力,峰值拉伸纵向应力出现在焊缝中心距上表面约10 mm深度;接头上半部分拉伸纵向应力幅值大于300 MPa,高拉伸应力分布宽度小于焊缝宽度;接头下半部分(特别是焊缝根部附近)大于200 MPa的拉伸纵向应力分布宽度远大于焊缝宽度;焊缝中心位置横向残余应力从上表面到下表面呈现拉应力-压应力-拉应力的分布趋势,距下表面0～5 mm区域为高横向拉伸应力区(大于300 MPa),且横向拉伸应力峰值出现在下表面附近。     

超声冲击对海洋工程大厚度高强钢焊接残余应力的影响

对海洋工程大厚度高强钢焊接结构焊后焊缝及母材进行局部超声冲击处理,采用X射线衍射法和小孔法测试冲击前后的残余应力,分析超声冲击工艺对焊接残余应力的影响.研究结果表明:大厚度高强钢焊接结构经覆盖焊缝及母材局部超声冲击处理后,焊接残余应力显著降低,冲击区域拉应力全部转化为压应力,压应力大小均匀,XRD测试压应力均值达到母材理论屈服强度的0.50~0.80倍,小孔法测试压应力均值达到母材理论屈服强度的1.10~1.30倍;EQ47拘束态高强钢焊接结构分别采用冲击强度10 s/cm2与20 s/cm2冲击后,冲击区域形成的压应力基本一致,纵向应力与横向应力大小接近,20 s/cm2冲击强度下纵向应力与横向应力接近水平优于10 s/cm2.     

考虑焊接残余应力释放的结构疲劳寿命分析方法研究

焊接残余应力对于焊接结构的疲劳寿命产生很显著的影响,同时循环载荷作用下焊接残余应力会出现释放现象,因此有必要对焊接件疲劳寿命预测方法进行研究.基于改进的McEvily疲劳裂纹扩展速率模型,同时结合课题组研究得到的AH36钢对接焊平板残余应力释放计算公式,提出考虑焊接残余应力释放的结构物疲劳寿命计算方法.随后,以潜艇锥柱耐压壳的疲劳为例,详细阐述了本文提出的疲劳寿命分析方法的计算流程.考虑耐压壳焊接顺序影响,分析了含半椭圆表面裂纹的锥柱耐压壳疲劳寿命.对比文献的试验结果,表明焊接结构疲劳寿命计算公式有较好的预测效果,可以用于评估带表面裂纹焊接件在拉伸循环载荷作用下的疲劳寿命.     

T型材角接焊的变形和残余应力分析

T型材焊接不仅常用于现代造船工程中,而且在近海平台和桥梁建造中也得到广泛应用.焊接过程中,高温移动热源及之后的快速冷却,使得在焊缝及其附近区域产生了残留的拉应力,由此产生焊接变形和残余应力.焊接变形和残余应力的存在,将影响钢结构的建造质量及疲劳强度.为预测焊接变形,基于ANSYS有限元软件应用于对T 型材焊接过程进行模拟,求解残余变形和残余应力分布情况,以及边界约束条件对它们的影响.通过分析可得出,焊缝上的各点在焊接过程中,加热时受压应力,冷却时受拉应力.在热影响区内,沿焊缝方向多为拉应力,垂直焊缝方向多为压应力,也符合纵向应力比横向应力大的特点.     

热处理对800 MPa级钛合金对接焊平板残余应力影响的数值模拟

钛合金具有高强耐蚀、易焊等优质性能,广泛用于潜艇、深潜器等潜水器的受力构件及耐压耐蚀壳体。在焊接过程中,会不可避免的产生焊接残余应力,较大的焊接残余应力会影响焊接结构的安全性能,而焊后热处理能够有效减少焊接残余应力。本文首先采用数值模拟的方法对TC4对接焊平板热处理前后的残余应力进行计算,通过与试验结果进行对比研究,验证有限元数值模拟的合理性;然后采用该数值模拟方法研究Ti80对接焊平板多层多道焊的整个焊接过程以及焊后热处理方法。结果表明,焊后Ti80对接焊平板表面具有较大横向和纵向残余拉应力,通过热处理工艺后,残余拉应力得到明显降低。因此,通过焊后热处理方法可以在很大程度上降低对焊接结构力学性能可能产生的不利影响的残余拉应力。     

热处理对800 MPa级钛合金对接焊平板残余应力影响的数值模拟

钛合金具有高强耐蚀、易焊等优质性能,广泛用于潜艇、深潜器等潜水器的受力构件及耐压耐蚀壳体。在焊接过程中,会不可避免的产生焊接残余应力,较大的焊接残余应力会影响焊接结构的安全性能,而焊后热处理能够有效减少焊接残余应力。本文首先采用数值模拟的方法对TC4对接焊平板热处理前后的残余应力进行计算,通过与试验结果进行对比研究,验证有限元数值模拟的合理性;然后采用该数值模拟方法研究Ti80对接焊平板多层多道焊的整个焊接过程以及焊后热处理方法。结果表明,焊后Ti80对接焊平板表面具有较大横向和纵向残余拉应力,通过热处理工艺后,残余拉应力得到明显降低。因此,通过焊后热处理方法可以在很大程度上降低对焊接结构力学性能可能产生的不利影响的残余拉应力。     

交变载荷下厚板对接焊残余应力的松弛行为

对于承受交变载荷的焊接构件,焊接残余应力的存在对于结构的疲劳寿命影响巨大。由于焊接残余应力形成机理的复杂性,当交变载荷作用时,焊接残余应力的松弛演变具有不确定性,导致该领域的研究难度相当大。迄今为止,鲜有文献就交变载荷下的厚板焊接残余应力松弛行为进行深入报道。采用低周疲劳试验,利用X射线残余应力测试仪,对试件表面焊接残余应力的松弛演变行为进行追踪研究,通过在试件表面近焊缝区布置网状测点,采集测点的横向及纵向焊接残余应力进行数据拟合,在试验对比修正的基础上,最终建立焊接残余应力的松弛演变模型。结果表明：在交变载荷作用下,焊接残余应力会发生松弛,并且,应力松弛量的大小与交变载荷的特征值大小紧密相关。     

预热对Q690E斜Y坡口焊接裂纹影响的数值模拟分析

利用有限元软件ANSYS对Q690E斜Y坡口焊接残余应力进行数值模拟分析。计算焊接温度场的时历历程,再利用间接耦合法结合温度场作为塑性分析初始条件得到焊接场应力值和应力分布,得到相应的应力分布,并探讨在不同工艺条件下高强钢焊接残余应力的分布规律。研究结果表明:焊缝横向残余应力小于纵向残余应力且其在坡口位置最大,提高预热温度有利于增加t8/5和t8/3,减小焊接冷裂纹倾向;延长预热温度有利于减少残余应力,延长焊接件的疲劳寿命;提高预热温度有利于减少焊接热裂纹和弧坑裂纹的产生。     

FPSO典型焊接接头残余应力释放及其对疲劳强度的影响

为了在估算结构疲劳强度时计及残余应力释放的作用,合理地解释在以往焊接接头疲劳试验中不能解释的试验结果,借助三维弹塑性有限元法,研究了FPSO典型焊接接头在任意变幅循环载荷作用下的残余应力释放规律,建立了在任意变幅循环载荷作用下残余应力释放大小与残余应力和外载荷大小之间的计算公式,从而定量地分析了残余应力的释放,提高了疲劳强度估算的准确性和可靠性。     

不同焊接顺序下加筋板变形及残余应力的三维有限元研究

针对焊接过程的二维有限元计算与实际情况存在一定差别的问题，使用三维热弹-塑性有限元法对不同焊接顺序下加筋板焊接过程进行了仿真，获得了加筋板焊接引起的温度场、位移场和应力场。结果表明：在4点约束条件下，加筋板横截面的变形为中垂变形，纵筋的变形为中拱变形，方案1横截面变形更小，方案2纵筋变形更小。焊接引起的加筋板残余应力主要表现为横向应力，其在近焊缝区为拉应力，达到材料屈服强度，远离焊缝区表现为压应力，达到0.2倍材料屈服强度。加强筋横向应力峰值出现在起弧端和收弧端，约为0.85倍材料屈服强度，纵向应力峰值出现在焊接起弧端，约为0.3倍材料屈服强度。在加筋板横截面位置，焊接顺序主要影响加强筋处的残余应力；在加强筋位置，焊接顺序主要影响纵向应力。每组焊缝同时同向焊接，且每根纵筋从左向右依次焊接的焊接方案产生更小的残余应力。     

Ti80耐压球壳赤道焊缝残余应力研究

钛合金因其优良的性能得到广泛应用,其材料的焊接特点及其结构在使用过程中的安全可靠性问题也越来越引起人们的关注,目前钛合金已成为载人深潜器耐压球壳的首选材料.本文首先对Ti80对接焊厚板残余应力进行了数值模拟以及X射线无损检测试验研究,在得到数值模拟结果后将其与试验测量值进行对比,结果吻合较好,即Ti80对接焊厚板表面横向残余拉应力呈现不对称双峰;焊缝中心线上的纵向残余拉应力较大;焊缝处沿板厚方向的内部横向残余应力和垂向残余应力在近上下表面处均为拉应力,且横向残余应力高于垂向残余应力,沿板厚方向均呈现拉应力-压应力-拉应力趋势.然后基于热弹塑性有限元分析方法,对Ti80耐压球壳赤道焊缝焊接残余应力进行数值模拟研究,得到赤道焊缝表面残余应力和内部残余应力分布规律.结果显示:Ti80耐压球壳内壳表面有较大的残余拉应力;纵向残余拉应力大于横向残余拉应力;球壳外表面有较大的横向残余压应力,而纵向残余应力为拉应力.     

复杂结构焊接残余应力超声冲击处理调控

为降低焊接结构残余应力,提高构件性能和服役安全性,提出超声冲击处理调控焊接残余应力的方法。通过综述国内外学者对超声冲击处理的研究现状,分析超声冲击对复杂焊接结构应力影响的案例。分析结果表明:超声冲击能在冲击区造成2～4 mm压缩应力层;压缩应力峰值达到屈服强度的0. 8～1. 3倍;超声冲击对横向和纵向应力的调控效果一致。     

基于盲孔法的水下承压结构残余应力测试研究

对盲孔法测残余应力中的等轴三角应变花应变释放系数进行有限元标定和塑性修正,得到了塑性修正后的应变释放系数;采用盲孔法对高强度钢水下承压结构典型部位的焊接残余应力进行测量,根据测试得到各测点的释放应变值,结合修正后的应变释放系数计算得到了水下承压结构典型测点的残余应力值。结果表明,水下承压结构焊缝附近纵向残余应力可达0.5倍屈服极限,周向残余应力可达0.4倍屈服极限。     

基于盲孔法的水下承压结构残余应力测试研究

对盲孔法测残余应力中的等轴三角应变花应变释放系数进行有限元标定和塑性修正,得到了塑性修正后的应变释放系数;采用盲孔法对高强度钢水下承压结构典型部位的焊接残余应力进行测量,根据测试得到各测点的释放应变值,结合修正后的应变释放系数计算得到了水下承压结构典型测点的残余应力值。结果表明,水下承压结构焊缝附近纵向残余应力可达0.5倍屈服极限,周向残余应力可达0.4倍屈服极限。     

船体板架纵骨错位对焊接变形及应力的影响

在船体板架的焊接工序中,由于制造误差产生的纵骨错位问题对焊接过程及焊接质量产生不利影响。以典型船体板架为例,在纵骨强制对齐的基础上采用顺序耦合的热弹塑性有限元法对其焊接过程进行数值仿真分析,研究纵骨错位量对焊接变形和应力的影响规律。结果表明,随着错位量的增加,错位纵骨两侧板格焊接变形分布的不对称性逐渐增强,左右两侧板格变形差值最大可增加3.7倍,且当错位量一定时,外板厚度越小纵骨错位的影响越大。此外,纵骨强制装配产生的应力与板架焊后残余应力均随错位量的增大而增加,当错位量为10 mm时,残余拉应力与压应力分别是纵骨未错位情况下的4.4倍与4.9倍。     

垂向力学约束对甲板板架焊接变形与残余应力影响研究

力学约束是一种有效控制焊接变形的方法。本文基于热弹塑性有限元法,研究船体甲板板架结构在垂向力学约束条件下的焊接变形与残余应力情况,分别计算了结构在无约束和5种垂向力学约束方案下的焊接变形和残余应力,通过对计算结果的对比分析,获得最优方案。研究结果表明,垂向力学约束能使整体和局部焊接变形分别减小27%和48%,对甲板板的中面残余应力影响较小,但对板格局部弯曲应力有一定程度影响。