不锈钢2205焊接变形分析和仿真

为了能有效地预测和控制生产制造阶段发生的焊接变形，提高生产效率，节约生产成本，本论文改进了已存在的研究成果，研究了预测2205不锈钢基本焊接构件焊接变形的固有应变等效载荷法。

论文首先分析焊接过程中的瞬态温度场，得到了固有应变区域的最高温度分布；然后利用单位载荷法和实验结果给出自由状态平板堆焊的约束度，进而求出T型结构的约束度；然后求出其固有应变的分布，并对固有应变积分，得到了均布等效载荷；最后利用三维有限元模拟，通过弹性分析求出了最终的焊接变形，并于与实验结果作相关比较。

温度场部分，主要研究了各个参数与温度场分布和最高温度之间的关系。

最后得出结论：

1、通过模拟焊接温度场，确定了焊接温度场的分布形式：

（1）焊接温度场在沿焊缝方向存在准稳态现象，除了焊缝起始位置温度变化非常明显外，其它时刻温度场的形状保持不变，其温度分布仅于各节点与热源位置相关；

（2）温度场在垂直焊缝方向上的分布跟加热半径相关，加热半径范围内温度变化趋势比较平缓，一倍加热半径到二倍加热半径之内温度变化比较剧烈，二倍加热半径以外基本上处于初始温度状态；

（3）任意点的最高温度到达时间和热源加载时刻之间存在一个滞后。情况根加热半径和班后均存在关系，在上表面，加热半径以内滞后时间相等，加热半径以外，距离越远，时间越长。随着厚度向上距离的增大，加热半径对于时间滞后的影响逐渐减少。

2、并指出了相关热物理参数和焊接工艺参数对于温度场计算的影响：

（1）加热半径同时影响最高温度和焊接温度场的分布情况：加热半径越大，最高温度越小，温度场分布范围越广；

（2）热输入有效系数主要是影响焊接温度场的最高温度，有效系数越大，最高温度越高；

（3）焊接速度也同时影响最高温度和焊接温度场的分布情况：随着速度的增大，最高温度降低，温度场分布范围缩小。

最后通过与实验结果对比，准确模拟了焊接温度场。

焊接变形部分，通过理论学习，在结合实验结果和单位载荷法后，给出了2205双相不锈钢平板堆焊的约束度。再在此基础上，算给出了角接焊的约束度，然后用T型结构的最高温度值和约束度计算出其固有应变，进而计算出等效载荷，最后通过将等效载荷施加在结构上，计算出T型结构的焊接变形。在此过程中可以得出以下结论：

1、通过求解平板堆焊约束度，了解到平板堆焊在沿焊缝方向上的约束度处处相等，在垂直焊缝方向上则有所变化，但是由于本文所采用的方法有关，在固有应变区也可以近似的认为其处处相等；

2、通过对角接焊沿焊缝方向上约束度的研究，了解到：

（1）肋板的存在对于位移几乎毫无影响，但是极大的约束了底板的角变形，因此才有效的降低了焊接变形量；

（2）除了端部，角接焊沿焊缝方向上的约束度也处处相等。

3、通过对角接焊垂直焊缝方向上约束度的研究，了解到：

（1）肋板的存在同时影响了底板的位移和角变形。加了肋板以后位移的变化，肋板所在位置，由没加之前的位移最大出奇峰突起的下降到零，顺带也影响了附近区域的位移变化，但是对于稍远处的影响则可以忽略不计。深入的研究该肋板对于附近区域的影响范围，可以有助于更好的使用刚性固定法控制焊接变形；

（2）角变形的影响则主要体现在大小上，加了肋板以后和没加之前的角变形足足差了两个数量级。这对于焊接变形的影响是极为显著的；

（3）在垂直焊缝方向上，约束度和其与焊缝之间的距离相关，距离越远，约束度越小。

4、通过在T型结构约束度计算过程中，各方向上的位移结果可知：在有外部约束的地方，位移值峰值在约束出急剧下降，甚至出现像T型结构中，峰值处下降为零的情况。这样我们就可以根据实际的需要，在不同的位置设置刚性固支来降低焊接变形量；而对于变形量的预测则可以很好的指导实际上外部约束的放置位置和数量；

5、通过比较实验测得的变形数据和仿真模拟得出的焊接变形，可以了解到，两者在数值上有不小的差异。造成这个结果，一方面是由于单次实验可能造成偶然性误差和人工操作带来的误差：另一方面，由于实际上焊接顺序是先焊一侧，再焊另一侧，导致一端温度高一端低，而仿真模拟时没有考虑这个情况，认为两侧同时开焊，从而导致了温度场结果的失真，进而影响了计算结果。虽然两者有差异，但是在数量级上则区别不大，因此，该计算方法是可行的，它能通过简单的焊接构件准确的计算出复杂结构的焊接变形，有效的指导工程上焊接变形控制。