不同厚度堆焊层表面残余应力分析硕士学位论文 精品.docx
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不同厚度堆焊层表面残余应力分析硕士学位论文精品
硕士学位论文
不同厚度堆焊层表面残余应力分析
analysisonsurfaceresidualstressofdifferentdepthSurfacinglayer
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指导教师
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二0一三年十一月
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analysisonsurfaceresidualstressofdifferentdepthSurfacinglayer
不同厚度堆焊层表面残余应力分析
硕士学位论文
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研究方向
致谢
本论文是在材料科学与工程学院老师的悉心指导下完成的,衷心感谢我的导师教授!
感谢老师几年来为我所做的一切和给予我的无私的帮助,老师渊博的学识和严谨的治学态度时刻感染我,激励我奋进;他孜孜不倦、言传身教的工作作风不仅使我学有长进,也使我在如何做人方面受益匪浅,在此向他表示我最真诚的感谢！
在攻读硕士期间,还得到了许多人的帮助。
感谢刘老师、王老师在实验过程中及生活上给予我的帮助！
另外,周、王等同学在生活上给予我很多支持,在此表示感谢!
感谢我的家人在学习和生活上给予我无微不至的关怀和支持,使我能够心无旁鹜的去完成学业！
在此,向一切帮助过我的老师、同学和亲人致以我最真挚的谢意！
最后向所有关心过我,帮助过我的人表示我最衷心的谢意,感谢他们!
摘要
本文以Q235焊接钢板为研究对象，采用模拟应力应变场和盲孔法测量两种方式探究不同厚度堆焊层对焊接残余应力的影响。
通过模拟结果和实验结果分析，明确了不同厚度堆焊层表面残余应力分布规律。
本文通过建立4种厚度的焊道，在有限元软件MSC.Marc中进行数值模拟，利用Marc单元和热-结构耦合功能分析进行焊接过程仿真。
给出了沿焊缝不同方向的三维残余应力分布曲线，对比不同厚度堆焊层在纵向的应力及应变的不同，确定不同厚度堆焊层的表面焊接残余应力的分布规律。
得出主要结论为堆焊层厚度为2mm、3mm、4mm、5mm焊缝处的纵向拉应力分别为191MPa、305MPa、423MPa、628MPa。
即随着堆焊层厚度的增加其表面残余应力增加。
为了验证模拟结果准确性，在母材Q235低碳钢板上铣出不同厚度的沟槽，用D112焊条进行手工电弧堆焊，得到不同厚度堆焊层，再利用盲孔法测量堆焊层中的残余应力值。
实验结果为堆焊层厚度为2mm、3mm、4mm、5mm焊缝处的纵向拉应力分别为267MPa、353MPa、577MPa、773MPa。
即随着堆焊层厚度的增加其表面残余应力增加。
对比有限元模拟分析和盲孔法实测的结果，两者存在着一定的差距，这是由于在有限元模拟时，表面堆焊材料力学参数设置所导致的。
但是，两者在趋势上有较好的吻合，故知有限元模拟可在提高材料参数精度的条件下，可指导堆焊过程的残余应力研究。
关键词：
堆焊层；有限元模拟；残余应力；盲孔法；Q235
Abstract
ThepaperbasedontheweldinglowcarbonsteelQ235steelplateastheresearchobject,andblindholemethodusingsimulatedstressandstrainmeasuringtwowaystoexplorethedifferentdepthinfluenceonweldingresidualstressintherepairinglayer.Throughthesimulationresultsandexperimentalresultsanalysis,hasbeenclearaboutthedifferentthicknessofmeltinglayerintheresidualstressdistributionrule.
Inthispaper,throughtheestablishmentofthedepthof4kindsofweldbead,thefiniteelementsoftwareMSC.Marctocarryonthenumericalsimulation,usingtheMarcunitandheat-structurecouplingfunctionanalysisforsimulationofweldingprocess.Isgivenalongtheweldresidualstressdistributionindifferentdirectionsofthreedimensionalcurve,comparethedifferentdepthofsurfacingweldinglayerinthelongitudinalstressandstrainofdifferent,differentdepthoftherepairlayeronthesurfaceofweldingresidualstressdistributionrule.Themainconclusionsofsurfacinglayerthicknessis2mm,3mm,4mm,5mmweldlongitudinaltensilestressis191MPaand305MPa,respectively423MPaand628MPa.Thatwiththeincreaseofsurfacinglayerthicknessthesurfaceresidualstressincreases.
Inordertoverifythesimulationresultsaccuracy,onthebaseofQ235lowcarbonsteelplatemillinggrooveofdifferentdepth,manualelectricarcwelding,usingD112electrodefordifferentthicknessofbeadweldinglayer,usingblindholemethodofmeasuringtheresidualstressvalueofsurfacingweldinglayer.Theexperimentalresultsforthesurfacinglayerthicknessis2mm,3mm,4mm,5mmweldlongitudinaltensilestressis267MPaand353MPa,respectively577MPaand773MPa.Thatwiththeincreaseofsurfacinglayerthicknessthesurfaceresidualstressincreases.
Comparingthefiniteelementsimulationanalysisandblindholemethodtothemeasuredresults,thereisacertaingap,thisisduetothefiniteelementsimulation,mechanicalsurfacingmaterialscausedbyparametersettings.However,bothareingoodagreementinthetrend,thusthefiniteelementsimulationcanimprovethematerialparametersprecisioncondition,canguidetheweldingresidualstressresearch.
KeyWords：
Surfacinglayer；finiteelementsimulation；Weldingresidualstress;；Blind-holemethod；Q235
目录
摘要I
AbstractII
引言1
1绪论2
1.1堆焊技术2
1.1.1堆焊技术定义2
1.1.2堆焊的方法2
1.1.3堆焊的特点5
1.1.4堆焊技术的用途5
1.1.5堆焊技术现状及发展前景6
1.2低碳钢的焊接性8
1.2.1Q235钢的性能简介8
1.2.2Q235钢的焊接特点8
1.2.3Q235钢的焊接工艺规范9
1.3焊接残余应力9
1.3.1焊接残余应力定义9
1.3.2焊接残余应力形成原因9
1.3.3板材件焊接残余应力的分布10
1.3.4焊接残余应力对焊接结构的影响10
1.4本文研究的内容12
2不同厚度堆焊层焊接过程的有限元模拟13
2.1有限元法13
2.1.1有限元法简介13
2.1.2有限元法在焊接中的应用概况14
2.1.3有限元软件MSC.Marc14
2.2材料的介绍和几何模型及焊接工艺参数的确定15
2.3有限元模型的建立16
2.3.1几何模型的建立及网格划分16
2.3.2添加材料的性能参数17
2.3.3建立焊接路径和填充材料19
2.3.4设置母材和填充材料的接触关系19
2.3.5边界条件的定义20
2.3.6定义载荷工况22
2.3.7定义热动力-耦合23
2.4模拟结果与分析23
2.4.1焊件温度场的结果与分析23
2.4.2不同厚度堆焊层应力场与应变场分析26
2.5本章小结32
3盲孔法测量残余应力的实验33
3.1盲孔法测残余应力33
3.1.1盲孔法测残余应力简介33
3.1.2盲孔测试法的国内外研究现状33
3.2实验材料34
3.2.1堆焊用基体钢板34
3.2.2堆焊焊条34
3.2.3电阻应变片35
3.3实验仪器设备36
3.3.1手工电弧焊机36
3.3.2CM-1J-20型数字静态应变仪37
3.3.3其他实验设备38
3.4实验过程38
3.4.1焊接工艺参数及方法38
3.4.2盲孔法实验原理及方法39
3.4.3盲孔法测量残余应力的步骤40
3.5实验结果与分析42
3.5.1不同厚度堆焊层钻孔释放应变值42
3.5.2应用盲孔法原理公式计算出残余应力值42
3.5.3盲孔法测得的残余应力分析43
3.6本章小结44
结论45
参考文献46
作者简历48
学位论文原创性声明49
学位论文数据集50
引言
现阶段，堆焊技术普遍应用于我国各个领域，堆焊就是利用一定的发热方法把固定的合金材料熔化覆盖在焊接材料的表面，可以使焊接材料恢复使用性能，也可以使其具有其它的使用性能。
所以，堆焊技术不但可以用来修复一定的材料，也可以使某些材料得到强化，应用此技术的主要目的就是为了使零件更加耐用，以达到节约的目的，可以降低生产资金。
堆焊层是堆焊材料熔覆在母材上的重要部位，对堆焊层进行研究，对堆焊工艺的发展有很重要的意义。
而焊接残余应力始终存在于各种焊接材料中，焊接残余应力是焊接工程研究领域的重点问题。
涉及焊接的各种工程应用中，都十分关注残余应力的影响。
堆焊过程中的残余应力也会严重影响堆焊材料的性能。
在大多情况下，堆焊层都较厚才能起到强化保护作用，堆焊层厚度方向上的残余应力虽然没有长度和宽度方向上的应力大，但对于厚板件中厚度方向上的残余应力很大，必须得到重视和研究。
本文从堆焊层入手，研究不同厚度堆焊层中的焊接残余应力。
计算机数值模拟技术在焊接领域中有广泛的应用，利用数值模拟技术预测焊接温度场和应力场的分布情况能够指导工艺优化，从而得到高质量的焊接结构、焊接工艺的优化、焊接参数的选择、控制和消除焊接残余应力的方法均可由计算机完成，不必进行大量的试验工作,这样就大大地节省了人力、物力和时间，具有很大的经济效益。
本文通过建立4种厚度的焊道，在有限元软件MSC.Marc中进行数值模拟，对比不同厚度堆焊层在纵向的应力及应变结果，确定不同厚度堆焊层的表面焊接残余应力的分布规律。
为了验证模拟结果准确程度，采用盲孔法测量4种厚度堆焊层中的残余应力值，结果表明模拟焊接残余应力分布规律与实测结果趋于一致。
1绪论
1.1堆焊技术
1.1.1堆焊技术定义
堆焊属于焊接技术当中的一种先进技术，但它和其它焊接技术不同，这种技术不是为了将器件连接在一起，而是利用焊接的办法，在一些零件的表面增加一层或几层特殊物质的合金材料。
主要目的就是为了提高零件的使用寿命，使零件更加耐磨损，能够抵抗高强度的热量，耐腐蚀等。
所以，这种技术不但可以用来修复零件，还可以用来加固零件，目的就是为了使零件更加耐用，达到节约的目的，降低生产资金，是提高机械零部件表面性能重要途径之一[1-2]。
1.1.2堆焊的方法
（1）氧-乙炔焰堆焊：
通常应用在目的为求得有着最低限度的修整加工量的平滑表面。
氧-乙炔焰堆焊的特点氧-乙炔焰可调整火焰能率，能获得非常小的稀释率（1～10%），堆焊时，熔深浅，母材熔化量少。
运用这种技术后，可以使材料中的合金性能不变，在当前普遍应用于耐磨的机器零件方面[1]。
（2）手工电弧堆焊：
这种堆焊方法和一般手工电弧焊一样，只需简单的机器设备，使用方法简单，安全可靠，易于操作，适用于各种场合，可以在多种工件当中广泛应用，不受零件形状的制约，并且焊接位置不受限制，可以在形状不规则零件和小型零件上广泛应用，成本少，尤其是可以利用堆焊焊条得到较为适宜的合金成分，所以，在当前，这种堆焊办法得到大面积应用。
这种技术需要把焊条和工件接到电源的两极，在引燃电弧后，焊条表面得以熔化，遇冷后变为堆焊层。
这种焊条定位技术方法可以适用于各种场合，目前得到普遍应用，在手工电弧短道耐磨堆焊方面应用最为广泛，也在不同合金堆焊方面应用广泛。
这种堆焊方法也存在一定的缺点，就是工作进度较慢，稀释率较高，接近15%-25%，堆焊层厚且不均匀，操作环境差。
所以，在运用手工电弧堆焊时，要尽量控制稀释率，确保电弧较为稳定，以获得较为质量均匀的焊合合金层。
在运用这种技术时，要选择高质量的焊条、焊条直径、堆焊电流、堆焊速度、零件的预热温度等对堆焊质量和生产率都有重要影响。
首先要注意堆焊材料的选择，对一般金属间磨损件表面强化与修复，可遵循等硬度原则来选择堆焊材料，对承受冲击负荷的磨损表面，应综合分析确定堆焊材料；因为这种电焊技术熔深较大，稀释率偏高，从而使得堆焊层的硬度下降，耐磨性能也降低，因此，大多情况下要堆焊2层以上。
但问题是，堆焊层越多，越容易发生开裂和剥离现象。
因为焊条电弧堆焊温度很高，热量集中，一般堆焊前可不预热，工件的碳当量达到0.4%以上时应预热到100~300℃，堆焊后采用补充加热的方法使工件缓冷，或在炉中、石棉灰坑中缓冷。
生产效率比氧—乙炔焰堆焊高，工件变形小[3]。
（3）自动埋弧焊：
自动埋弧焊实质上和一般自动埋弧焊相同。
他们之间的区别在于自动埋弧堆焊希望在不降低生产率的条件下尽量获得较小的熔深。
焊接材料也在不断提升，从开始的单丝发展到目前的多丝和带极，焊机也得到了一定的发展，现在已广泛应用多机头焊机，取代了之前的单机头，大大提高了熔敷效率，目前多带极焊堆已达到22~68kg/h，而之前的单丝的熔敷效率只有4.5~11.3kg/h，稀释率得到了有效控制，由单丝的百分之三十到六十下降到百分之十到二十五，在运用多丝埋弧焊技术当中，最近日本正在开发6丝振动埋弧焊技术，主要是为了解决焊接过程中出现的热输入大但工件冷却慢使得晶粒大的问题，而关于高速带极堆焊技术的开发与利用，已得到国内多个研究机构的重视，如甘肃工大开发制造了75mm带宽，使焊接速度大幅提高到25~28cm/min[4]。
（4）振动电弧堆焊：
这种焊接技术是利用一种细焊丝，通过一定的振幅和频率使其连续发生振动，产生脉冲电弧堆焊。
可以适用于较小电流，并且焊接过程能够保持稳定，振动堆焊具有熔深小，堆层薄而均匀，工件受热区和变形小，堆焊层的耐磨性较好，生产率较高，成本低等特点，而焊丝的振动则可使堆焊层的质量有进一步的提高。
因而振动电弧堆焊在农机修理方面得到广泛应用。
振动电弧堆焊的保护方法主要有：
向电弧区喷射水蒸气、二氧化碳，或使用焊剂作为保护介质。
水蒸气虽不是理想的保护气体，但较空气的氧化性低，且廉价易得，故可作为振动电弧堆焊的保护介质。
在施焊时，将水蒸气以一定的压力送入电弧区，吹去堆焊过程中产生的飞溅物和氧化物，并在电弧周围形成与外界空气隔绝的保护区。
水蒸气的搅动还有助于熔池中气体的逸出和熔渣的上浮，减少了堆焊层中的气孔与夹渣。
（5）等离子堆焊：
等离子堆焊是以联合型或转移型等离子弧作为热源，以合金粉末或焊丝作为填充材料的一种熔化焊工艺。
这种技术实际上也属于电弧堆焊。
但和一般的电弧存在差异，就是它利用的电弧是压缩得到的等离子弧。
这种技术得到的弧柱不易于产生变化，温度较高，可以有效集中热量，规范参数可调性好，熔池平静，可控制熔深和熔合比（熔合比可控制在5%~15%）；熔敷效率高，堆焊焊道宽（焊枪摆动可控宽度为3mm~40mm，厚度0.5mm~8mm），易于实现自动化，堆焊层具有优质性能、熔深要求不搞、堆焊层稀释率不高、形状较为规整、加工余量不大；粉末等离子堆焊还有堆焊材料来源广的特点，很有发展前途。
但也有缺点：
设备成本高，噪声大，紫外线强，产生臭氧污染等。
等离子堆焊可分为以下形式[2]：
①冷丝等离子堆焊这种技术多用于可以拔丝的堆焊合金，如合金钢、不锈钢等，常用自动送丝法。
如果合金可以制造成棒状，如钴基合金，进行操作时则用手工亲自操作送丝。
②热丝等离子堆焊这种技术的原理是，将焊丝首先利用电阻进行预热，然后再将焊丝送入电弧区进行堆焊，可以用不锈钢、铜基合金等，因为在堆焊前焊丝需要预热，因此可以大大提高熔敷率，使稀释率得到有效控制，可低至5％，并且在焊接过程中降低堆焊层气孔的出现机率。
这种技术较常用于大面积的堆焊，如某些压力容器内壁的堆焊。
③预制型等离子堆焊根据制作的需要，把堆焊合金预先制作成一定的形状，置于加工零件的表面，利用等离子弧的热量把它熔化，堆焊于零件表面。
这种技术在形状简单的零件中应用较多。
④粉末等离子堆焊这种技术就是把合金粉自动送入等离子弧区的技术。
因为制作不同成分的合金粉较为容易，所以在使用这种技术时容易掌握各种合金成分。
这种技术可以利用自动化技术，且所获得的堆焊质量较高。
这种技术普遍应用于阀门和耐磨件堆焊方面。
（6）气体保护电弧堆焊：
气体保护电弧堆焊的实质是，用保护性气体在堆焊区（包括电弧周围及熔池附近）造成一个厚而遮蔽的气体保护层，以避免熔化金属受到外界大气的侵入和氧化。
分为：
一、钨极气体保护电弧堆焊，采用钨极氩弧焊设备，这种技术大多情况下应用在新结构件上，对堆焊的要求标准较高的熔敷金属上，一般不在使用在有过使用缺损的表明修复上；二、熔化极气体保护电弧堆焊，这种技术要利用熔化极气体保护焊设施，用于熔敷铜或不锈钢的堆焊层。
（7）电渣堆焊：
电渣堆焊是利用特殊电渣的电阻热熔化堆焊材料与基体母材形成熔池的一种对焊方法。
电渣堆焊的特点是一次可以堆焊很大的厚度，熔敷率高，板极电渣堆焊的熔敷效率可达150kg/h，稀释率较低。
但是在操作过程中会出现电渣堆焊接头温度超高，在堆焊后要对产生的热量进行处理。
利用这种技术，堆焊层要达到一定的厚度通常不应低于14－16mm，不然不易保证电渣过程的稳定性。
利用电渣堆焊技术，在焊丝的选择上可以选择实心焊丝、管形焊丝等。
这种技术一般应用在堆焊层比较厚的、堆焊表面形状要求较为简单的大型或者中型零件当中。
（8）激光堆焊：
利用这种技术可以准确控制热量的输入，涂层具有一定的厚度，在加热过程中不易出现变形，可以准确控制成分和稀释率，可以创造有着较好性能的合金堆焊层，其性能在耐磨、耐腐蚀、抗氧化等方面有着较好的性能，因此其在工业中的应用前景广阔。
（9）爆炸覆合：
爆炸覆合是利用炸药爆炸的可控能量，在两层获或多层同种或异种金属间形成冶金结合的一种冷压焊接过程。
施焊时，由于两块金属之间的高速高压碰撞，在碰撞速度和碰撞角均合适的情况下，会在板间形成一股高速射流。
阻碍冶金结合的表面污物层被射流所排除。
而碰撞点附近的金属在高压的作用下，即形成冶金结合。
爆炸覆合自20世纪60年代出现以来，已在许多工业领域中逐渐得到应用。
（10）宽带极堆焊：
宽带极堆焊是利用金属带作为填充材料的一种焊剂层下堆焊方法。
其过程类似于埋弧焊，但不同的是：
一、用金属带而不是用金属丝作电极和填充材料；二、所用的焊剂具有良好的导电性，带极的熔化主要靠电阻热，而辅之以偶尔产生的电弧。
常用的带极宽度有60mm、75mm、120mm、和150mm不等。
带厚0.4mm~0.5mm。
在可达150mm的宽度上，焊缝一次成型。
突出的优点是：
堆焊效率高，每小时可堆焊1m2，堆焊层高度3mm~5mm；熔合比低，一般不大于15%，低时可在5%以下。
宽带极堆焊在化工、核电工业中常被用于堆焊反应釜、交换器等大型容器表面。
由于受材料延展性的限制，带极堆焊材料以不锈钢类为主。
1.1.3堆焊的特点
在实际操作中，堆焊技术具有较为明显特点：
堆焊层和母材有着较好的冶金结合性能，堆焊层在处理过程中不易出现剥落现象，而且可以根据需要来选择和设计堆焊合金，可以使材料或者零部件表面有着很好的性能，如耐磨、抗腐蚀、不怕高温和抗氧化等，有着较强的工艺灵活性。
因为堆焊合金层和母材一般都是异种材料，而且对表面堆焊性能要求交稿，因此这一技术有着如下特征[5]。
（1）适用于研究和开发更高水平的堆焊技术，可以用于不断提高工艺水平的研究。
（2）在这一技术中，起到决定作用的是合金成分。
因此需要根据不同需要和磨损类型等来选择恰当的堆焊合金，以获得最佳的堆焊效果。
恰当的选择堆焊层的合金系统，能够有效的提高堆焊部件的耐用性。
（3）稀释率低。
这也是堆焊工艺所要追求的目标。
所谓的稀释率指的是在堆焊焊缝时，母材金属所占的比重。
通常来说堆焊层有着较多的合金原色，而零件则基本为常见的碳钢或低合金钢。
所以，为了确保堆焊层表面成分的理想性能，需要尽可能的降低母材在堆焊金属中的溶入量，也就是要求有效的降低稀释率。
（4）堆焊中最常碰到的问题是开裂，防止堆焊层开裂的方法：
焊前预热，控制层间温度，焊后缓冷。
焊后进行消除应力热处理。
避免多层堆焊，采用低氢型堆焊
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