焊接过程数值分析中焊缝区域材料高温性能的影响研究.pdf

焊接过程数值分析中焊缝区域材料高温性能的影响 清华大学史清宇赵海燕鹿安理吴苏吴爱萍壬鹏 接要本文针对材料高温区性能参数匮乏的理象，以高温屈服强度作为代表，系统地分析了材料高温性能参数对焊 接过程散值模拟效率和精度的影响。本文中设定了四种材料高温屈服强度方案进行平板表面堆焊过程的数值模拟，井分 别对焊缝和近缝区上代表性节点的横向位移、纵向位移、横向应力、纵向应力随时同的变化过程进行了分析。结果表 明．高温性能参数的改变对焊接过程中的横向和纵向应力产生的影响完全可以忽略，而对位移的影响则相对明显得多， 并且主要表现在焊缝区上，对远离焊缝区的位移影响很擞弱。研究结果同时表明，对1500℃以上温度区间的材料性能进 行小范围调整对应力和位移计算结果都没有影响。四种方案下计算时间有比较显著的差别，在解决不同问题时选取合适 的高温性能方案可以在一定程度上提高计算效率而不影响计算精度。 关糊： 高温性能、焊接、数值模拟精度 近年来．焊接过程的数值模拟得到越来越广泛的应用，该领域的研究一直是焊接工作者的研究热 点h≈。然而，由于焊接过程的复杂性，其物理模型的建立包含着许多假设，影响了结果的精确性阻”， 使该领域的研究一直处于半定量的水平，限制了其在生产中的广泛应用。材料高温性能参数由于原始 资料的匮乏，是众多假设中的一种，而由于焊接过程中塑性应变的产生，其结果必然是和过程相关的 16】，也即与材料的高温性能相关。而高温性能对数值模拟结果的影响目前还没有系统的报导，在已经进 行的相关研究中，也多采用各种简化方法，但对于简化的高温性能参数导致的误差也缺乏分析。 本文以高温屈服强度为例，采用数值模拟为手段，研究了给定的不同的材料高温屈服强度对数值 模拟结果的影响。从物理意义的角度考虑，材料高温 屈服强度是没有实际意义的，因此原始资料较匮乏． 但从弹塑性数值模拟的角度考虑，该项参数值是不开 或缺的。在本文的研究中，是单纯考虑不同屈服强度 对数值模拟结果的影响，分析本身就是建立在一定的 假设条件基础上的，结果反应的是一定假设条件下参 数取不同值时的影响。 几何尺寸和网格触分：本文计算中采用25#钢。 其几何尺寸为384mmx320mmx 12ram，对该试板进行 表明堆焊，由于几何形状的对称性，取其一半进行分 析。有限元网格划分如图1所示，模型中的单元全部 图1建立的三维模型网格 基金项目：国家计委产业化前期开发项目(计高技[) 130 整三星监垫垄璺堡主盟虞墨董查窒鎏盒鎏兰婆墼焦壑壑圭煎壅 是8节点六面体单元。 材料的性能参数：材料的热物理性能参数和力学性能参数均为温度的函数，其中热物理性能参数 如图2所示，力学性能参数如图3【—顿：示，在材料热物理性能参数中，热传导系数在1500cC附近有一飞 跃，最终值远高于实际热传导系数，这是为了补偿熔池内部的流体对流换热，9006C以上的值为外推法 获得的。而力学性能参数中600。C一1400。cN的值为插值法获得的，15406C以上的值为外推法获得的。 一p 一^■垃m20皤 =、：——。雌性壤t 参 t； 享 { 1n 壹 一 磷 世 ＼ 'O睡 瘴 叠 ＼ k。E，r一*雌{}壤 堪 5 50睫 ．＼