电弧熔丝单层单道积材残余应力模拟分析及锤击消除研究
发布时间：2021-11-28 02:16
本工作利用SYSWELD有限元软件,建立了电弧熔丝单层单道积材三维模型,采用双椭球热源对熔丝积材过程的温度场、应力场进行了动态仿真模拟,分析揭示了工艺参数对残余应力的影响规律,。结果表明:在一定范围内,采用较低的线能量和熔丝积材速度、高预热温度,能有效降低残余应力。基于ABAQUS软件,将熔丝积材后的残余应力导入锤击模型中,模拟分析发现,锤击过程中材料产生的变形达到最大值后会发生微小的弹性回复,最后形成塑性接触变形。锤击后,焊缝及热影响区的残余应力极大减小,锤击表面一定深度范围内的残余拉应力转变为压应力。最后通过锤击试验,验证了锤击法能有效降低熔丝积材部位的残余应力,将一定深度范围内局部残余拉应力转为压应力。
【文章来源】：材料导报. 2020,34(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
电弧熔丝单层单道积材三维实体模型图
本工作采用的熔丝积材的母材材料为Q345,熔丝材料为X20Cr13,两种材料的相关热物理性能参数详见表1和表2。表1 不同温度下Q345材料的热物理性能参数Table 1 The physical property parameters of Q345 with temperature changing 温度/℃ 密度/(kg/m3) 比热/[J/(kg·℃)] 导热系数/(W/(m·℃)) 热膨胀系数/(1/℃) 泊松比 弹性模量/MPa 屈服应力/MPa 20 7 815 430 50 1.10×10-5 0.3 2.11×10-5 345 200 7 815 550 45 1.25×10-5 0.3 2.00×10-5 258 500 7 815 650 38 1.39×10-5 0.3 1.75×10-5 187 1 000 7 815 565 30 1.34×10-5 0.3 1.50×10-4 30 1 500 7 815 630 32 1.33×10-5 0.3 1.00×10-3 5 2 000 7 815 685 31 1.32×10-5 0.3 1.00×10-3 1
图3为不同预热温度下积材的横向残余应力的分布云图,由图可知残余应力与预热温度呈负相关。不预热情况下,最大横向残余拉应力为559.07 MPa,随着预热温度升高到300 ℃时,最大横向残余拉应力下降到451.62 MPa,降低幅度达19.22%,但预热温度的升高会减弱其减小横向残余拉应力的能力。图4为不同预热温度下积材的纵向残余应力的分布云图,由图可知在不预热、预热温度为100 ℃、200 ℃、300 ℃条件下,最大纵向残余拉应力分别为591.26 MPa、564.80 MPa、511.43 MPa、481.85 MPa,相比不预热条件,积材的最大纵向残余拉应力分别降低了4.48%、13.50%、18.50%。随着预热温度的提高,纵向残余应力在熔丝积材试板内的分布更加均匀。选取不同预热温度下熔融区的同一节点,通过非线性拟合熔丝过程中实时温度获得了热循环曲线对比图(图5)。由图5发现,预热温度越低,在熔丝和冷却过程中热循环曲线斜率越大,热源局部迅速加热会加剧熔丝区域及热影响区域温度梯度的变化,熔丝积材过程中试板的温度变化波动大,从而产生的残余应力值越大,分布更不均。适当提高预热温度,能减缓热源局部迅速加热造成熔丝区域及热影响区域温度梯度的变化,从而有效降低残余应力。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS数值模拟高频焊接工艺优化及试验研究[J]. 张驰,梁峰,王文彪,张蕊,单慧云. 重庆理工大学学报(自然科学). 2018(01)
[2]堆焊金属残余应力场的计算机模拟[J]. 杨庆祥,李艳丽,赵言辉,姚枚. 焊接学报. 2001(03)
博士论文
[1]辊材堆焊锤击消除应力机理及随焊锤击系统研究[D]. 马跃进.天津大学 2009
硕士论文
[1]激光模具修复锤击消除应力方法研究[D]. 王晓鹏.哈尔滨理工大学 2017
[2]基于SYSWELD的7A52铝合金双丝MIG焊残余应力分析[D]. 张爱爱.内蒙古工业大学 2015
[3]高温作用对焊接残余应力的影响[D]. 秦世奇.重庆大学 2015
[4]基于SYSWELD的T型接头焊接温度场和应力应变场的数值模拟[D]. 张书权.安徽工程大学 2011
[5]锤击法消除铸铁焊接应力的研究[D]. 文志杰.山东大学 2011
[6]基于有限元的随焊锤击温度场及应力场数值模拟[D]. 康瑜.河北农业大学 2008
[7]锤击消除焊接应力的数值模拟[D]. 刘兴龙.山东大学 2005
[8]焊接应力和变形的数值模拟研究[D]. 李冬林.武汉理工大学 2003
本文编号：3523499
【文章来源】：材料导报. 2020,34(14)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
电弧熔丝单层单道积材三维实体模型图
本工作采用的熔丝积材的母材材料为Q345,熔丝材料为X20Cr13,两种材料的相关热物理性能参数详见表1和表2。表1 不同温度下Q345材料的热物理性能参数Table 1 The physical property parameters of Q345 with temperature changing 温度/℃ 密度/(kg/m3) 比热/[J/(kg·℃)] 导热系数/(W/(m·℃)) 热膨胀系数/(1/℃) 泊松比 弹性模量/MPa 屈服应力/MPa 20 7 815 430 50 1.10×10-5 0.3 2.11×10-5 345 200 7 815 550 45 1.25×10-5 0.3 2.00×10-5 258 500 7 815 650 38 1.39×10-5 0.3 1.75×10-5 187 1 000 7 815 565 30 1.34×10-5 0.3 1.50×10-4 30 1 500 7 815 630 32 1.33×10-5 0.3 1.00×10-3 5 2 000 7 815 685 31 1.32×10-5 0.3 1.00×10-3 1
图3为不同预热温度下积材的横向残余应力的分布云图,由图可知残余应力与预热温度呈负相关。不预热情况下,最大横向残余拉应力为559.07 MPa,随着预热温度升高到300 ℃时,最大横向残余拉应力下降到451.62 MPa,降低幅度达19.22%,但预热温度的升高会减弱其减小横向残余拉应力的能力。图4为不同预热温度下积材的纵向残余应力的分布云图,由图可知在不预热、预热温度为100 ℃、200 ℃、300 ℃条件下,最大纵向残余拉应力分别为591.26 MPa、564.80 MPa、511.43 MPa、481.85 MPa,相比不预热条件,积材的最大纵向残余拉应力分别降低了4.48%、13.50%、18.50%。随着预热温度的提高,纵向残余应力在熔丝积材试板内的分布更加均匀。选取不同预热温度下熔融区的同一节点,通过非线性拟合熔丝过程中实时温度获得了热循环曲线对比图(图5)。由图5发现,预热温度越低,在熔丝和冷却过程中热循环曲线斜率越大,热源局部迅速加热会加剧熔丝区域及热影响区域温度梯度的变化,熔丝积材过程中试板的温度变化波动大,从而产生的残余应力值越大,分布更不均。适当提高预热温度,能减缓热源局部迅速加热造成熔丝区域及热影响区域温度梯度的变化,从而有效降低残余应力。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ANSYS数值模拟高频焊接工艺优化及试验研究[J]. 张驰,梁峰,王文彪,张蕊,单慧云. 重庆理工大学学报(自然科学). 2018(01)
[2]堆焊金属残余应力场的计算机模拟[J]. 杨庆祥,李艳丽,赵言辉,姚枚. 焊接学报. 2001(03)
博士论文
[1]辊材堆焊锤击消除应力机理及随焊锤击系统研究[D]. 马跃进.天津大学 2009
硕士论文
[1]激光模具修复锤击消除应力方法研究[D]. 王晓鹏.哈尔滨理工大学 2017
[2]基于SYSWELD的7A52铝合金双丝MIG焊残余应力分析[D]. 张爱爱.内蒙古工业大学 2015
[3]高温作用对焊接残余应力的影响[D]. 秦世奇.重庆大学 2015
[4]基于SYSWELD的T型接头焊接温度场和应力应变场的数值模拟[D]. 张书权.安徽工程大学 2011
[5]锤击法消除铸铁焊接应力的研究[D]. 文志杰.山东大学 2011
[6]基于有限元的随焊锤击温度场及应力场数值模拟[D]. 康瑜.河北农业大学 2008
[7]锤击消除焊接应力的数值模拟[D]. 刘兴龙.山东大学 2005
[8]焊接应力和变形的数值模拟研究[D]. 李冬林.武汉理工大学 2003
本文编号：3523499
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