Welding Residual Stress Investigation in Pipe-Plate Joint of Austenitic Stainless Steel & Low Carbon Steel

摘要

焊接主要用于加工高性能结构件，是一种常见的金属连接工艺，广泛地应用于核技术、航空航天、船舶与海洋等现代化工业。焊接热源会使材料微观结构发生改变从而导致焊接残余应力，材料焊接变形及材料性能发生变化等问题。焊接过程中，局部加热与冷却使材料内部产生了很高的焊接残余应力甚至会产生焊接变形。焊接残余应力会影响结构件的尺寸精度及其使用寿命。
　　近年来，许多学者都研究了焊接过程中如何控制焊接残余应力和焊接变形。在工程中采用异种金属焊接结构，不仅能降低成本，而且还能提高效率。由于和母相金属具有不同的物理、机械、冶金性能，与同种焊接相比异种金属焊接更加复杂。在工程中碳钢与奥氏体钢焊接接头具有很广泛地应用，如发电厂蒸汽发生器、核反应堆、石化厂和海洋构件等。
　　本论文提出了一种焊接残余应力计算方法，研究了管板的多道电弧焊接，对比分析了数值模拟结果与真实实验结果，该方法同样适用于其他复杂焊接结构。采用ANSYS有限元软件和自编的子程序对弧焊过程进行了数值模拟。模拟过程中，首先采用非线性分析方法分析了动态温度场的热传导过程，随后采用弹塑性分析法分析了材料残余应力场、应变和位移等。模型中的参数主要有碳钢，奥氏体钢的温度性能参数、焊接顺序等。有限元模型中，焊接过程中金属的填充过程采用了“单元生死”方法来模拟。分别对两道焊和三道焊进行了数值模拟分析。分析了管子两边三道焊的残余应力模拟结果和真实实验的残余应力结果，发现结果基本一致。
　　真实焊接实验与仿真模型具有相同的尺寸、热源参数、材料属性以及边界条件。采用钻孔法测量表面残余应力并与有限元仿真结果对比，发现结果基本一致。本文研究了多道焊接的热效应温度场，管板截面的残余应力分布以及管板内部应力变化趋势。验证了管板焊接的仿真技术参数。分析了关键工艺参数对残余应力分布的影响，例如管子直径、厚度、焊接顺序和焊缝宽度等。此外还模拟了超声波冲击对焊接结构残余应力的影响。
　　本论文介绍了异种材料圆周弧焊结构的残余应力计算技术。通过对比有限元分析结果和实验真实结果发现仿真结果真实可靠,与真实值一致。

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目录

CHAPTER 1 INTRODUCTION

1.1 Purpose

1.2 Welding Residual Stresses

1.3 Research Overviews

1.4 Research Objectives and Innovations

1.5 Organization of Thesis Report

CHAPTER 2 THEORETICAL BACKGROUND

2.1 Metallurgy of Steels

2.2 Welding Metallurgy

2.3 Weldability of Austenitic Stainless Steels

2.4 Electric Arc as a Welding Heat Source

2.5 Welding Heat Source Output

2.6 Development of Stress and Distortion during Welding

2.7 Analytical Model for Analysis of Arc Welding

2.8 Finite Element Formulation

2.9 Conclusion

CHAPTER 3 FE SIMULATION METHODOLOGY

3.1 Introduction

3.2 Welding Simulation Approach

3.3 FE Model

3.4 Heat Source Model

3.5 Modeling of Heat Losses

3.6 Material Model

3.7 Metal Deposition Model

3.8 Structural Analysis

3.9 Conclusion

CHAPTER 4 WELDING INDUCED RESIDUAL STRESSES

4.1 Residual Stress Generation

4.2 Residual Stresses in Welding

4.3 Residual Stress Measurement Techniques

4.4 Experimental Validation

4.5 Thermal Effects of Welding

4.6 Welding Residual Stress Fields

4.7 Conclusion

CHAPTER 5 STUDY ON FACTORS AFFECTING RESIDUAL STRESSES

5.1 Parametric Studies

5.2 Effect of Welding Heat Input

5.3 Effect of Tack Weld Orientation

5.4 Effect of Pipe Outer Diameter

5.5 Effect of Pipe Thickness

5.6 Effect of Weld Gap

5.7 Conclusion

CHAPTER 6 SIMULATION OF WELD IMPROVEMENT TECHNIQUE

6.1 Introduction

6.2 Weld Geometry Modification Methods

6.3 Residual Stress Method

6.4 Ultrasonic Impact Treatment

6.5 Ultrasonic Peening

6.6 Stress Reliving Simulation

6.7 Results and Discussion

6.8 Conclusion

CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS

参考文献

RESEARCH PUBLICATIONS

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