考慮固態(tài)相變效應的高強鋼焊接-補焊力學行為研究.pdf

1、船體結(jié)構(gòu)廣泛使用高強鋼，其焊接/補焊殘余應力狀態(tài)嚴重影響著結(jié)構(gòu)安全性和服役可靠性。有限元模擬技術作為研究焊接/補焊力學行為的常用方法，能夠全維度顯示殘余應力場的分布。但對于船用高強鋼而言，焊接/補焊過程中的固態(tài)相變效應較為顯著，采用將其忽略的傳統(tǒng)做法會對有限元計算結(jié)果帶來較大誤差。本文即針對這一問題，使用10Ni5CrMoV鋼開展了考慮固態(tài)相變效應的焊接與補焊力學行為研究。
　　首先探討了材料參量、退火效應和相變應變參量對焊接力學

2、計算的影響，為考慮固態(tài)相變效應的焊接（補焊）力學行為分析奠定基礎。其中，使用單因素分析法計算了不同材料參量的焊接殘余應力與變形，結(jié)果表明，材料參量對焊接殘余應力與變形的影響較大，不同材料參量的影響程度存在差異。考慮到焊接過程中回復、再結(jié)晶和熔化等物理現(xiàn)象對材料加工硬化行為的消除作用，建立了以退火溫度為控制參量的“退火模型”，并開展了不同“退火溫度”的焊接力學計算，結(jié)果表明，考慮“退火效應”后，焊接殘余應力峰值有所降低，焊接角變形有所增大

3、，但不同“退火溫度”之間的應力和變形差異較小。對比分析了考慮相變應變前后及不同相變應變參量-相變點的焊接殘余應力與變形。結(jié)果表明，相變應變及相變應變參量-相變點對焊接殘余應力的影響較顯著，開展焊接力學計算需要建立準確的相變應變模型。
　　焊接過程中的固態(tài)相變效應包含由于組織類型改變引起的屈服強度改變和相變過程中的體積變化-相變應變。熱模擬試驗發(fā)現(xiàn)10Ni5CrMoV鋼在較大焊接熱循環(huán)范圍內(nèi)，發(fā)生的固態(tài)相變類型為奧氏體相變和馬氏體相

4、變?；跓崮M試驗數(shù)據(jù)建立了固態(tài)相變轉(zhuǎn)變量的數(shù)學模型，相變轉(zhuǎn)變量與相變應變總量的乘積即為相變應變；采用高溫拉伸試驗的升溫、降溫加載，描述加熱、冷卻、再加熱過程組織類型的差異，建立材料“屈服強度模型”，該模型能夠表征屈服強度滯后和接頭硬化現(xiàn)象?；谶@兩個模型，開發(fā)出一系列ABAQUS子程序，實現(xiàn)了考慮固態(tài)相變效應的焊接力學計算?？紤]固態(tài)相變效應的焊接力學計算結(jié)果表明，屈服強度模型不改變殘余應力的分布趨勢，僅改變應力峰值大小，而相變應變使焊

5、縫區(qū)域的縱向應力降低，甚至變?yōu)閴簯Α?br>　　焊接試驗中熱循環(huán)測試結(jié)果與計算結(jié)果較吻合，驗證了有限元熱過程的準確性；盲孔法殘余應力測試結(jié)果與考慮固態(tài)相變效應的有限元模擬結(jié)果較一致，證明了考慮固態(tài)相變效應的焊接力學計算是合理的。
　　開展考慮固態(tài)相變效應的補焊力學計算，對比補焊前后殘余應力場的分布，發(fā)現(xiàn)補焊后縱向應力變化較小，橫向應力增幅較大；模擬分析了2種典型補焊位置和3種補焊長度的焊接殘余應力場，結(jié)果表明，不同補焊位置的焊接