Q345/304L异种钢电弧焊过程数值模拟开题报告

全文总字数：5905字

1. 研究目的与意义（文献综述）

随着国民经济的快速发展和科技水平的日益进步，新设备不断产生，新方法、新材料的应用也日益广泛，从而对各类工程机械构件的性能，如硬度、耐磨性、导电性、耐腐蚀性、磁性、低温韧性等提出了更高的要求^[1-3]。在这种趋势下，单一某种金属材料都已经很难完全满足使用要求，即使存在某些高性能材料满足要求，也经常因为生产成本较为高昂，而不能广泛应用到工业生产中^[3]。因此，釆用焊接方法制造异种钢结构部件受到了人们的广泛重视，它不仅能够充分利用各组成材料的优异性能，达到工程使用要求，还能降低成本，增加经济效益^[4-6]。

不锈钢作为一种具有塑性好、强度高、耐腐蚀性能优异的金属材料，逐渐用代替传统金属材料，提高油气设备运营的稳定性，减少事故，降低经济损失。由于不锈钢的生产成本比普通钢高许多，从设备的使用条件和经济性的角度考虑，在结构设计上，往往会采用不绣钢和异质金属材料进行焊接^[5]。304l不锈钢与q345 碳钢的异种钢焊接结构既可以满足不锈钢部分耐腐蚀、碳钢部分承载结构力的要求，同时还可以节省大量的不锈钢材料，在工程应用中应用非常广泛^[7]。

但异种金属因其化学成分、组织结构、物理性能的不同，故其比同种金属焊接要复杂很多，所以其安全性受到人们的广泛重视。据相关国内外文献报道，在工程实际应用中曾发生多次异种金属接头的断裂失效事故^[8-10]。因此，对于异种钢焊接研究有十分重要的意义。目前国内外学者对异种钢焊接工艺及其组织性能开展了大量研究工作，已经有相当多关于异种钢的文献报道^[11]。贺诚^[18]等探究了304l与345b异种钢焊缝裂纹原因，并提出如下解决办法：(1)控制焊接材料化学成分，选择309mo型焊材，可防止凝固裂纹发生。(2)采用钨极氩弧焊（tig）打底，焊条电弧焊或熔化极气体保护焊填充盖面的工艺，可弥补钨极氩弧焊效率低的问题。(3)采用小电流快速焊，防止产生凝固裂纹，根部焊道热输入控制在18kj/cm以内，其余焊道控制在20kj/cm以内。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

本课题主要从以下几个方面进行研究：

（1）根据焊条电弧焊的特点，选择较贴切实际的高斯热源模型，建立运动电弧作用下的三维瞬态温度场的数值模拟模型。

（2）将三维有限元模型进行有限元分析，通过ANSYS 的 APDL 语言编制求解焊件瞬态温度场及应力应变场的计算机程序。

（3）根据计算机模拟结果，分析焊接温度场和应力应变场的分布，探究过渡层对304L/Q345异种钢焊接接头性能的影响。

（4）对焊后模型进行模拟焊后热处理分析其热处理过程中的温度变化以及热处理后的残余应力变化。

2.2 研究目标

1、采用数值模拟手段研究Q345/304L异种钢电弧焊的热行为和力学行为

2、研究过渡层对温度、应力和变形的影响

3、进一步研究焊后热处理对焊接应力和变形的影响

2.3 技术方案

1、材料分析

Q345为Ⅱ型珠光体钢，碳量较高，合金元素较少；304L（022Cr19Ni10）为Ⅹ型奥氏体耐酸钢,是高合金钢。二者组合接头熔焊时，有如下焊接特征：

(1)焊缝金属因稀释而出现马氏体组织。应选用奥氏体类焊材，尽量焊缝被珠光体侧母材金属的稀释，使焊缝获得奥氏体组织或奥氏体-铁素体双相组织。

(2)珠光体钢侧的熔合区出现脆性过渡层，熔合线界面附近将形成碳扩散层。碳扩散层附近，Q345母材因脱碳而软化，而奥氏体焊缝则因增碳而硬化。需要在Q345一侧坡上用钒、铌、钛含量较高的奥氏体焊材堆焊隔离层，再用与304L相适应的奥氏体焊接材料进行填充焊接。

(3)异种钢组合因两种母材线膨胀系数和导热能力相差较大引起的残余应力无法通过热处理消除。焊后采取时效处理，可消除因焊接局部加热冷却产生的残余拉应力。

2、焊接参数

焊接模拟采用手工焊条电弧焊。焊板尺寸为：100mmx50mmx4m，平板对接，开V型坡口，坡口角度为60°，焊缝用两道焊，第一道冷却时间为150s，第二大道焊后冷却时间为300s。根据GB/T983-2012设计如下焊接工艺参数：

表1：焊接参数

依照以上参数进行模拟分析比较后，选取性能更优的一组进行300℃时效处理，进一步探究热处理对接头性能的影响：将焊接接头缓慢均匀加热到300℃后，保温2h，然后取出试件空冷至室温。

3、温度场模拟过程

(1)单元类型确定

选取实体单元SOLID98、SOLID5；平面单元 PLANE13。先用平面单元 PLANE13 划分平面，后拉伸成体单元；在焊缝区使用 SOLID98，精确计算单元热负荷；在远离焊缝区，为了减少随机存储单元，选择 SOLID5。

(2)划分网络

在划分网格时，将焊缝区的网格用较细的映射网格划分，将远离焊缝区域采用较疏的映射网格划分，焊缝过渡区域采用自由网格划分。

(3)选取热源模型

采用高斯分布热源模型。

(4)生死单元技术

在实际焊接过程中，焊接部分是逐渐加上去的，因而用到了生死单元技术。

(5)移动热源加载

要实现整个热源在焊件表面移动的过程，需要将热载荷按时间分成多个载荷步。将长度为 L 的焊缝等分成 n 份，每一份作为一个时间步。每一份施加生热率。将单载荷步进行多次连续的求解即可实现热源的加载过程。

(6)确定时间步长

采取大致估计初始时间步长的方法，逐步增大时间步长。

(7)后处理

通过用户界面，可以获得求解过程的计算结果并显示出来：可以图形和数据两种方式显示显示温度、位移、应力、应变、速度和热流等。

4、应力场模拟

焊接应力场的分析建立在温度场分析的基础上，釆用间接耦合法：

1) 通过命令将温度场的模型的热单元转化成结构单元;

2) 定义材料的泊松比、热膨胀系数、弹性模量、本构关系等属性;

3) 施加位移约束，将温度场的计算结果作为荷载施加在结构单元上;

4) 计算分析过程和温度场相同，只是在激活死单元之后读入此时的各节点的温度值;

5) 计算的荷载步数以及子步数和温度场相同。

5、层对温度、应力和变形的影响

在Q345一侧堆焊隔离层，再用与304L相适应的奥氏体焊接材料进行填充焊接，并进行温度场、应力应变场模拟，与未加过渡层的情况进行对比，分析过渡层对温度、应力和应变的影响。

6、焊后热处理对焊接应力和变形的影响

焊后热处理模拟采用时效处理，选取性能更优的一组进行300℃时效处理，进一步探究热处理对接头性能的影响：将焊接接头缓慢均匀加热到300℃后，保温2h，然后取出试件空冷至室温。通过对照失效处理前后焊接残余应力形分布情况，分析焊后热处理对焊接应力和变形的影响。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，确定技术方案，并完成开题报告。

第4－7周：按照设计方案，学习相关软件，完成模型建立。

第8－12周：完成主体程序的设计、计算与调试，研究焊接参数及过渡层等对应力和变形的影响。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] faberg, gooch t. welded joints between stainless and low alloy steels current position[j].soudage tech.connexes,1983,37(3):109-114.

[2] michalskaj,sozanska m.qualitative and quantitative analysis of σ and χ phases in 2205duplexstainless steel [j].materials characterization, 2005, 56(6):335-362.

[3]潘春旭，孙国正.异种钢焊接性的研究现状和进展[j].水利电力机械，1998,