钢结构箱型柱电渣焊接头温度场、残余应力与焊接变形的数值模拟

摘要

在高层建筑钢结构箱型柱中，由于构件尺寸较大，为了提高生产效率、降低制造成本和控制变形，腹板与隔板通常采用电渣焊方法来连接。由于电渣焊的热输入远远大于 CO2气体保护焊、焊条电弧焊等普通的熔焊方法，过大的热输入使得电渣焊接头微观组织粗大并显著降低接头的力学性能。一旦箱型柱在承受诸如地震等冲击载荷时，由于电渣焊接头是整个构件组织和力学性能最薄弱位置，该处将最容易产生脆性破坏并发生断裂的现象。因此，如何有效地控制和减小电渣焊接头在焊接热循环过程中的高温停留时间以提高接头的韧性已成为钢结构工程制造领域中十分突出的问题。此外，由于构件在焊接过程中，经受局部的加热和冷却，因此在焊件中会形成了极不均匀的温度场，这样将不可避免地要产生焊接残余应力和变形。焊接残余应力不仅是引起焊接裂纹的主要原因，也是降低接头疲劳强度，诱发应力腐蚀裂纹和增大结构脆性断裂危险性的重要因素。另一方面，焊接变形不仅会影响产品的外观，降低产品的质量，而且还会带来装配上的问题，矫正焊接变形不仅会延长生产周期而且还会增加制造成本。因此，在实际焊接生产中如何有效地预测和控制焊接残余应力与变形是一个非常重要的研究课题。
　　本文以通用有限元软件 MSC.Marc为平台，开发了用于模拟电渣焊接头温度场、残余应力和焊接变形的热-弹-塑性有限元计算方法。在所开发的计算方法中，采用了等密度椭球体积移动热源模型来模拟电渣焊的热输入，用生死单元技术考虑焊丝填充过程，并采用实测得到的低合金高强钢SM490A材料的高温热物理-力学性能参数模拟了箱型柱中的腹板与隔板电渣焊接头温度场、残余应力和焊接变形。同时，本文用试验方法实测了电渣焊接头典型位置的热循环曲线和焊接变形，并通过制备接头金相观察了接头的焊缝宏观截面形状。通过试验与数值模拟相结合的方法，详细讨论了电渣焊接头温度场分布特征以及焊接残余应力的分布情况，并分析了电渣焊时焊接变形产生的机理。
　　为了提高箱型柱中电渣焊接头的韧性，基于焊接传热理论，提出了采用外部铜块通水冷却（铜冷）和直接喷水冷却（水冷）等强制冷却方式来增加焊件的散热能力，以避免接头产生过宽的热影响区、过长的?t8/5时间和高温停留时间，以利于提高电渣焊接头的韧性的方法。本文基于所开发的热-弹-塑性有限元方法，进一步开发出了电渣焊过程中采用强制冷却（铜冷和水冷）方式来带走焊接过程中热量的计算模型，并基于数值模拟结果详细对比了空冷、铜冷和水冷等三个冷却条件下的温度场、残余应力和焊接变形。本文以铜冷接头为例进行了典型位置温度热循环测量试验，以验证所开发的强制冷却数值计算方法的有效性和准确性。
　　研究结果表明：电渣焊接头中焊缝及热影响区的?t8/5时间远远大于常规焊接方法，且焊缝在相变温度以上停留的时间tH也远远超过常规焊接方法的tH时间，电渣焊热影响区宽度也远远要大于常规焊接方法单道焊所产生的热影响区宽度；电渣焊接头的高拉伸纵向残余应力宽度要远远大于常规焊接方法单道焊所形成的高应力宽度；在焊接变形方面，虽然电渣焊的热输入很大，但是由于试件尺寸较大，自身刚度较大，使得焊后形成的横向收缩和角变形相对较小。基于对比空冷、铜冷和水冷条件下电渣焊接头温度场、残余应力和焊接变形发现：铜冷和水冷式强制冷却方式对熔池的大小影响较小，但可以显著减小接头的热影响区宽度、大大缩短?t8/5时间以及高温停留时间；此外采用强制冷却方式对纵向残余应力峰值影响较小，但是明显改变了腹板底部焊接残余应力大小和分布甚至是应力符号；强制冷却时将减小焊件的横向收缩量，但是增大了焊件的角变形。
　　此外，本文最后采用所开发的热-弹-塑性有限元方法，预测了实际生产中大型整体钢结构箱型柱的焊接残余应力分布情况。
　　本研究开发的数值模拟方法为钢结构箱型柱电渣焊接头温度场、残余应力与焊接变形的理论预测和控制奠定了较坚实的基础。本文获得的主要结论将对设计与制造阶段如何控制电渣焊接头温度、应力和变形以及提高接头韧性有较大的指导意义，取得的研究结果也有较高的工程应用价值。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 电渣焊数值模拟的研究现状

1.3 电渣焊数值模拟的难点及关健技术

1.4 本文研究的内容

1.5 本章小结

2 电渣焊接头的温度场数值模拟

2.1 研究内容

2.2 试验方法

2.3 有限元温度场计算

2.4 温度场计算结果比较与讨论

2.5 本章小结

3 电渣焊接头残余应力与焊接变形的数值模拟

3.1 研究内容

3.2 试验方法

3.3 有限元分析方法

3.4 计算结果比较与讨论

3.5 本章小结

4 强制冷却对电渣焊接头温度场、残余应力和焊接变形影响

4.1 研究内容

4.2 试验方法

4.3 有限元计算方法

4.4 结果的比较与讨论

4.5 本章小结

5 大型复杂钢结构箱型柱构件焊接应力场的数值模拟

5.1 研究内容

5.2 瞬间热源的提出

5.3 瞬间热源-常规熔焊合并焊道数值模拟实用性的探究

5.4 瞬间热源-电渣焊数值模拟实用性的探究

5.5 箱型柱焊接残余应力的数值模拟

5.6 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录A.攻读学位期间发表的论文