焊接工程师论文范文：氩弧焊接热弹性有限元分析的理论基础研究

第一章 绪论

1.1 镁合金氩弧焊接残余应力的国内外研究现状
1.1.1 镁合金简介
一、 镁合金的特点
大多数镁合金具有以下特点：(1)镁合金的密度为1.74-1.859/cm3，是钢铁密度的1/4，比铝合金密度低36％,比锌密度低73％。镁合金是航空航天和交通运输工具轻量化的良好材料。(2)镁合金的比弹性模量与高强度铝合金、合金钢大致相同。(3)镁合金弹性模量低。(4)镁合金有高的振动阻尼容量，即高的减振性、低惯性。(5)镁及镁合金在高温和常温下都具有一定的塑性。(6)镁合金具有优良的切削加工性能。(7)镁在碱性环境下是稳定的，有抗盐雾腐蚀性能。(8)镁与铁的反应性低，压铸时压铸模熔损少，使用寿命长，镁的压铸速度比铝高。
二、 镁合金的应用
正是由于镁及镁合金具有以上的一系列特性，因此其用途十分广阔，几乎遍及各个领域。(1)照明器制造方面。由于铝含量超过30％的镁-铝合金细粉在燃烧时能发出极明亮的折光，故镁的第一个工业用途就是用在照明器制造方面。镁粉还被用于制作供夜航摄影用的曳光管和燃烧器。(2)冶金工业方面。在冶金工业中，镁被用于生产球墨铸铁：用镁脱除一部分硫和使石墨球化，从而使铸铁的韧性和强度大大提高。(3)化学工业方面。在化工方面，著名的生产复杂和特殊有机化合物和金属有机化合物的Grignard法就必须使用镁。(4)电化学方面。镁和镁合金的铸造与加工产品在电化学方面的应用，包括阴极保护、制造电池和光刻等。(5)结构件方面。由于镁具有许多特别优良的性能，故己被成功地用于制作各种结构件。近年来，镁合金材料在电子、通讯以及汽车、摩托车工业上的应用有了大的突破，前景十分可观。
1.1.2 镁合金氩弧焊接残余应力的研究现状
一、焊接残余应力的概念
由于焊接而在焊接工件内部产生的应力叫做焊接应力。按应力持续时间的长短，把焊接应力可分为瞬时焊接应力和焊接残余应力。瞬时焊接应力即焊接过程中某一瞬间的焊接应力，它随着时间的推移而发生变化；焊件焊后的热应力超过弹性极限，以致冷却后焊件中留有未能消除的应力称为焊接残余应力。
二、产生焊接残余应力的原因
焊接过程当中，焊缝区的温度升高很快，远远大于热影响区温度的升高速度，使一部分金属出现熔化状态。附近未熔化的材料也会因受热而发生膨胀，但是，这部分材料同时又受到周围较冷区域材料的限制，塑性热压缩。焊缝区由于接收了较多的热输入，冷却后与周围区域相比，会产生向内缩短、变窄的趋势，或者在尺寸上有所减小。这样，就导致了焊缝区及周围的热影响区出现残余应力。而且在没有外界作用的情况下不会自己消失。所以，由于高度集中的焊接热输入而导致的极不均匀的焊接温度场是产生焊接残余应力与变形的根本原因。因此，焊接温度场的合理与否直接影响到焊接质量的优劣焊接应力-应变的产生与发展随加热与冷却时温度的不同而变化。下面以熔焊方法为例，来说明影响变化过程的两个主要因素：(1)材料的热力学性能参数和物理特性。影响焊接温度场分布的主要物理参数有密度ρ、比热容c、热导率λ以及由这几个参数共同表示的热扩散率 α = λ /cρ。其中，影响焊接热应力-应变的一个重要物理性能参数是线膨胀系数a随温度的变化值。(2)所选择的焊接热源类型。焊接过程当中的高度集中、不均匀的热输入是导致焊接应力-应变的主要原因。焊接过程当中温度场的分布的影响因素包括：焊接件的形状与厚度、焊接热源的类型、热源的移动速度、热源能量密度的分布等。这些因素都直接影响着焊接残余应力的分布情况。
三、焊接残余应力对镁合金氩弧焊接质量的影响
由于焊接残余应力的存在，对镁合金氩弧焊接质量产生了很大影响。主要有对静载强度的影响，对疲劳强度的影响和对应力腐蚀断裂的影响。(1)对静载强度的影响。如果材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加，直至达到材料的屈服极限，发生局部破坏，最后导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在，会使承载能力下降，导致断裂。(2)对疲劳强度的影响。残余应力对构件疲劳强度的影响，常与其它一些因素交织在一起。试验研究表明对不同的钢钟，不同类型的应力集中源，残余应力场对构件疲劳性能的影响是不同的。(3)对应力腐蚀断裂的影响。应力腐蚀断裂是指敏感金属或合金在一定的拉应力和一定腐蚀介质环境共同作用所引起的腐蚀断裂过程，由于拉应力的作用对金属表面腐蚀钝化膜不断破坏，从而加速腐蚀断裂过程。
四、消除焊接残余应力的常用方法
国内外的焊接工作者在消除焊接残余应力这一问题上做出了不懈的努力，并找到了一些不错的方法。其中，比较常用的是以下几种方法：(1)自然时效。该方法依靠四季昼夜的温差，长期积累使金属发生微小的收缩和膨胀，实现残余应力的释放。它的最主要缺点是消除残余应力的效果较差，有文献报导，最多仅下降10％[2]。

    1.2 深冷处理简介 ...................10-12
    1.3 镁合金氩弧焊接数值模拟的国内外研究现状 ...................12-15
    1.4 研究内容和意义 ...................15-17
第二章 氩弧焊接热弹塑性有限元分析的理论基础 ...................17-23
    2.1 氩弧焊接温度场的分析理论 ...................17-20
    2.2 氩弧焊接应力和应变的分析理论 ...................20-23
第三章 氩弧焊接应力场模拟计算 ...................23-45
    3.1 实验材料及焊接工艺................... 24-25
    3.2 前处理 ...................25-28
    3.3 载荷施加和求解 ...................28-31
    3.4 后处理 ...................31-32
    3.5 焊接温度场计算结果及分析 ...................32-36
    3.6 焊接应力场计算结果及分析 ...................36-41
第四章 深冷处理过程模拟计算 ...................45-59
    4.1 深冷处理工艺 ...................45
    4.2 深冷处理设备................... 45-46
    4.3 深冷处理温度场计算结果及分析 ...................46-50
    4.4 深冷处理应力场计算结果及分析 ...................50-53
    4.5 深冷处理之后残余应力的实验验证 ...................53-55
    4.6 深冷处理前后焊接残余应力的比较分析 ...................55-59

结论

通过本文的研究和对比实验结果，得出以下结论。
1、本文选取了双椭球热源模型对焊接过程中的温度场进行模拟，得到了比较满意的结果。说明双椭球热源模型在一定范围内能够较准确的模拟焊接温度场，这对以后焊接数值模拟问题的研究有一定的参考价值。
2、实验所测得的各点残余应力值与模拟计算结果吻合较好。说明本文所建立的有限元计算模型是比较接近实际情况的，有较强的参考意义。
3、本文研究对象的尺寸较小，采用的方法是TIG对接焊。但是本文的模拟分析方法可以推广到各种接头形式、各种尺寸规格的焊接模拟研究中。当然，这对计算机的性能提出了较高的要求，如较快的计算速度、足够的内存和存储空间等。
4、通过与实际实验的对比分析可以看出，平行于焊缝方向上的残余应力在两端部较小，到中间区域时逐渐上升，在焊缝中部附近达到最大值；纵向残余应力在两端部主要表现为拉应力，在中间区域表现为压应力，而横向残余应力在两端部表现为压应力，在中间区域表现为拉应力。垂直于焊缝方向上的残余应力在焊缝附近区域较大，随着距焊缝距离的增大，残余应力逐渐减少。纵向残余应力主要表现为压应力，而横向残余应力主要表现为拉应力。

参考文献

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