低合金钢构件焊接固有应变分布规律的研究

摘要:应用固有应变有限元法预测构件焊接变形时,必须事先知道焊缝区的固有应变分布规律,因此研究焊缝区的固有应变分布规律具有重要意义。本文针对低合金钢Q345,采用热弹塑性有限元方法研究了平板堆焊构件焊接固有应变的分布规律,给出了焊接固有应变系数与热输入参数的数学表达式。

Abstract: When applying the inherent strain finite element method to predict welding deformation components,you must know in advance that the weld zone inherent strain distribution,therefore,the research on the inherent strain of the weld zone distribution is of great significance. In this paper,based on low-alloy steel Q345,plastic finite element method with hot plate elastic-plastic is adopted to explore plate welding components of the distribution of inherent strain and the inherent strain coefficient of welding heat input parameters and mathematical expressions are given.

关键词:焊接变形;低合金钢;数值模拟;固有应变系数;热输入

Key words: welding distortion;low alloy steel;numerical simulation;inherent strain coefficient;heat input

中图分类号:TU51 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)30-0207-01

1固有应变的基本概念

固有应变是日本学者提出的概念,所谓固有应变可以看成是内应力的产生源。若将物体处于既无外力也无内力的状态看作是基准状态,固有应变就是表征从应力状态切离后处于自由状态时,与基准状态相比所发生的应变,它等于总应变减去弹性应变。

对于焊接问题,焊接以后固有应变将是塑性应变εp、热应变εT和相变应变εX之和。

对于较复杂的焊接结构可用固有应变有限元法计算焊接变形。固有应变存在于焊缝及其附近,固有应变的大小和分布就决定了最终的残余应力和变形。因此,如果知道了固有应变的大小和分布,把它作为初始应变施加在焊缝及其附近区域,就可以通过一次弹性有限元求得整个构件的焊接变形。

2低合金钢固有应变规律的有限元分析

2.1 计算模型为了获得焊缝区稳定的固有应变分布规律,经过分析发现,计算模型所用钢板的最小平面尺寸应为长400mm,宽300mm。因此计算模型所用钢板尺寸为长400mm,宽300mm,厚度分别取8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、25mm、30mm、40mm,中间堆焊一道焊缝。考虑到结构的对称性,计算模型只取了实际结构的一半。

2.2 沿焊缝方向上固有应变的分布规律试件在焊缝长度两端固有应变的分布变化很大,有拉伸塑性应变,也有压缩塑性应变,极不规律。焊缝长度中间部分固有应变的分布趋于平稳,且均为压缩塑性应变。本文重点研究焊缝长度中间部分稳定区域固有应变的大小,在实际应用时,可根据实际情况对焊缝两端固有应变作修正。

2.3 垂直焊缝方向上固有应变的分布规律大约距离焊缝截面45mm的区域为热影响区,远离焊缝截面的区域固有应变为0。垂直焊缝方向上不同厚度位置处,纵向和横向固有应变的分布规律大致相同。

3固有应变定量关系的研究

理论计算和实际工程表明,影响固有应变的主要因素是焊接线能量qv和板厚h。假设单位长度上固有应变总和Wx和Wy与线能量存在如下关系

Wx=Kqv(1)

Wy=ξqv(2)

式中 K、ξ为焊缝纵向和横向固有应变系数,它们是焊接线能量qv和板厚h的函数。而Wx和Wy等于固有应变在热影响区面积上的积分,即

Wx=ε*xdA(3)

Wy=ε*ydA(4)

在实际工程中,焊接线能量qv是已知的,只要知道焊缝纵向和横向固有应变系数K、ξ,即可由式(1)、(2)求得单位长度上固有应变总和Wx和Wy。从而可由固有应变有限元法计算结构的焊接变形。通过式(1)、(2)可以求得固有应变系数K、ξ与焊接线能量qv和板厚h的对应关系。固应变系数K、ξ与qv/h2的关系曲线如图1及图2所示。

4结论

固有应变有限元法是预测大型复杂焊接结构变形的有效方法。本文研究了低合金固有应变的分布规律,采用热弹塑性有限元法对平板堆焊试件进行了数值模拟,通过对大量数值模拟结果的深入分析,得到了纵向固有应变系数K、横向固有应变系数ξ与qv/h2之间的关系,并给出了相应的表达式。

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