鋼結(jié)構(gòu)箱型柱電渣焊接頭溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力與焊接變形的數(shù)值模擬.pdf

1、在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)箱型柱中，由于構(gòu)件尺寸較大，為了提高生產(chǎn)效率、降低制造成本和控制變形，腹板與隔板通常采用電渣焊方法來連接。由于電渣焊的熱輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 CO2氣體保護(hù)焊、焊條電弧焊等普通的熔焊方法，過大的熱輸入使得電渣焊接頭微觀組織粗大并顯著降低接頭的力學(xué)性能。一旦箱型柱在承受諸如地震等沖擊載荷時(shí)，由于電渣焊接頭是整個(gè)構(gòu)件組織和力學(xué)性能最薄弱位置，該處將最容易產(chǎn)生脆性破壞并發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。因此，如何有效地控制和減小電渣焊接頭在焊接熱循環(huán)過

2、程中的高溫停留時(shí)間以提高接頭的韌性已成為鋼結(jié)構(gòu)工程制造領(lǐng)域中十分突出的問題。此外，由于構(gòu)件在焊接過程中，經(jīng)受局部的加熱和冷卻，因此在焊件中會(huì)形成了極不均勻的溫度場(chǎng)，這樣將不可避免地要產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形。焊接殘余應(yīng)力不僅是引起焊接裂紋的主要原因，也是降低接頭疲勞強(qiáng)度，誘發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋和增大結(jié)構(gòu)脆性斷裂危險(xiǎn)性的重要因素。另一方面，焊接變形不僅會(huì)影響產(chǎn)品的外觀，降低產(chǎn)品的質(zhì)量，而且還會(huì)帶來裝配上的問題，矯正焊接變形不僅會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)周期而且還

3、會(huì)增加制造成本。因此，在實(shí)際焊接生產(chǎn)中如何有效地預(yù)測(cè)和控制焊接殘余應(yīng)力與變形是一個(gè)非常重要的研究課題。
　　本文以通用有限元軟件 MSC.Marc為平臺(tái)，開發(fā)了用于模擬電渣焊接頭溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力和焊接變形的熱-彈-塑性有限元計(jì)算方法。在所開發(fā)的計(jì)算方法中，采用了等密度橢球體積移動(dòng)熱源模型來模擬電渣焊的熱輸入，用生死單元技術(shù)考慮焊絲填充過程，并采用實(shí)測(cè)得到的低合金高強(qiáng)鋼SM490A材料的高溫?zé)嵛锢?力學(xué)性能參數(shù)模擬了箱型柱中的腹板與

4、隔板電渣焊接頭溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力和焊接變形。同時(shí)，本文用試驗(yàn)方法實(shí)測(cè)了電渣焊接頭典型位置的熱循環(huán)曲線和焊接變形，并通過制備接頭金相觀察了接頭的焊縫宏觀截面形狀。通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，詳細(xì)討論了電渣焊接頭溫度場(chǎng)分布特征以及焊接殘余應(yīng)力的分布情況，并分析了電渣焊時(shí)焊接變形產(chǎn)生的機(jī)理。
　　為了提高箱型柱中電渣焊接頭的韌性，基于焊接傳熱理論，提出了采用外部銅塊通水冷卻（銅冷）和直接噴水冷卻（水冷）等強(qiáng)制冷卻方式來增加焊件的散熱能

5、力，以避免接頭產(chǎn)生過寬的熱影響區(qū)、過長(zhǎng)的?t8/5時(shí)間和高溫停留時(shí)間，以利于提高電渣焊接頭的韌性的方法。本文基于所開發(fā)的熱-彈-塑性有限元方法，進(jìn)一步開發(fā)出了電渣焊過程中采用強(qiáng)制冷卻（銅冷和水冷）方式來帶走焊接過程中熱量的計(jì)算模型，并基于數(shù)值模擬結(jié)果詳細(xì)對(duì)比了空冷、銅冷和水冷等三個(gè)冷卻條件下的溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力和焊接變形。本文以銅冷接頭為例進(jìn)行了典型位置溫度熱循環(huán)測(cè)量試驗(yàn)，以驗(yàn)證所開發(fā)的強(qiáng)制冷卻數(shù)值計(jì)算方法的有效性和準(zhǔn)確性。
　　研

6、究結(jié)果表明：電渣焊接頭中焊縫及熱影響區(qū)的?t8/5時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)焊接方法，且焊縫在相變溫度以上停留的時(shí)間tH也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)焊接方法的tH時(shí)間，電渣焊熱影響區(qū)寬度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于常規(guī)焊接方法單道焊所產(chǎn)生的熱影響區(qū)寬度；電渣焊接頭的高拉伸縱向殘余應(yīng)力寬度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)焊接方法單道焊所形成的高應(yīng)力寬度；在焊接變形方面，雖然電渣焊的熱輸入很大，但是由于試件尺寸較大，自身剛度較大，使得焊后形成的橫向收縮和角變形相對(duì)較小?；趯?duì)比空冷、銅冷和水冷條件

7、下電渣焊接頭溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力和焊接變形發(fā)現(xiàn)：銅冷和水冷式強(qiáng)制冷卻方式對(duì)熔池的大小影響較小，但可以顯著減小接頭的熱影響區(qū)寬度、大大縮短?t8/5時(shí)間以及高溫停留時(shí)間；此外采用強(qiáng)制冷卻方式對(duì)縱向殘余應(yīng)力峰值影響較小，但是明顯改變了腹板底部焊接殘余應(yīng)力大小和分布甚至是應(yīng)力符號(hào)；強(qiáng)制冷卻時(shí)將減小焊件的橫向收縮量，但是增大了焊件的角變形。
　　此外，本文最后采用所開發(fā)的熱-彈-塑性有限元方法，預(yù)測(cè)了實(shí)際生產(chǎn)中大型整體鋼結(jié)構(gòu)箱型柱的焊接殘余應(yīng)