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基于磁控技术的TIG焊残余应力的研究

作　者: 张学武
导　师: 江淑园
学　校: 南昌航空大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 磁控技术有限元法 TIG焊接残余应力小孔法
分类号: TG404
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

焊接过程中不均匀的温度场与温度梯度的存在,将不可避免的产生焊接残余应力,而残余应力直接影响着焊接结构承载能力、抗应力腐蚀、疲劳强度,以及后续加工过程中焊接残余应力的释放而导致的变形,最终影响结构的尺寸稳定性与精度。因此,对焊接残余应力的有效控制有着重要的现实意义。基于此,本文引入外加直流纵向磁场,以TIG焊接电弧为控制对象,通过改变磁场强度来调节电弧带电粒子的旋转半径,达到控制电弧中电流密度、电弧力以及电弧能量分布,调节焊接过程中温度场,实现焊接残余应力分布的优化,降低残余应力峰值。同时采用有限元模拟与试验相结合的手段,探索外加磁场对TIG焊接残余应力的影响规律。本文建立了TIG焊接电弧带电粒子在外加直流纵向磁场作用下运动模型,分析了磁控电弧中电流密度以及能量密度分布规律。根据磁控TIG焊接电弧的特点修正了外加直流纵向磁场作用TIG焊接高斯热源模型,以及根据熔合线准则建立了外加直流纵向磁场作用TIG焊接双椭球热源模型。基于热弹塑性有限元理论,以ANSYS软件为平台,Q235钢为研究对象,建立了非均匀网格划分三维模型,设计了引弧,热源移动,热力间接耦合程序,采用等效比热法与生死单元技术解决了凝固过程中一次相变与焊接熔化金属的零应力状态问题,采用所建立的磁控热源模型实现了磁控TIG焊接温度场与残余应力的模拟,得到任意时刻焊件温度分布云图、焊缝以及热影响区热循环曲线以及焊件表面残余应力分布情况。同时采用小孔法实测了磁控TIG焊Q235钢平板对接焊缝附近残余应力值。结果表明,直流纵向磁场作用下TIG焊接焊件温度梯度与温度峰值相比无磁场作用时有所减小,而熔宽有所增大,焊件表面残余应力明显得到均化,应力变化相对缓和,最大纵向残余应力相比无磁场作用时降低了12.3%,最大横向残余应力降低了13.6%,试验测量与模拟基本吻合,验证了模型的正确性,分析了误差产生原因。同时结合有限元模拟与试验结果探讨了磁控技术减小以及优化残余应力的规律与机理,为减小与消除残余应力提供一种新的途径。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 课题研究背景及意义  9
  1.2 焊接残余应力产生原因与减小措施  9-11
  1.3 国内外研究现状  11-15
    1.3.1 磁控焊接技术国内外研究现状  11-13
    1.3.2 焊接应力场数值模拟国内外研究现状  13-15
  1.4 数值分析方法  15-16
  1.5 CAE 技术与ANSYS 有限元软件介绍  16-17
  1.6 课题主要研究内容  17-19
第2章焊接有限元模拟理论与焊接热源模型  19-31
  2.1 焊接模拟特点与模型简化  19-20
  2.2 焊接温度场模拟理论  20-23
    2.2.1 焊接传热数学物理方程  20-21
    2.2.2 焊接瞬态热传导模拟分析  21-23
  2.3 焊接应力场模拟理论  23-27
    2.3.1 焊接热弹塑性理论  23-24
    2.3.2 焊接热弹塑性模拟分析  24-27
  2.4 焊接热源模型  27-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章外加磁场作用 TIG 焊接温度场与应力场数值计算  31-66
  3.1 外加磁场作用TIG 焊接计算模型的建立  33-41
    3.1.1 几何模型的建立  33-34
    3.1.2 材料物理参数确定及相变的处理  34-35
    3.1.3 单元类型的选择与网格划分  35-36
    3.1.4 外加磁场作用TIG 焊接热源模型  36-41
  3.2 外加磁场作用TIG 焊接温度场的计算  41-53
    3.2.1 边界条件的定义与热源加载  41-44
    3.2.2 外加磁场作用TIG 焊接热源的移动与求解  44-48
    3.2.3 外加磁场作用TIG 焊接温度场的计算结果与分析  48-53
  3.3 外加磁场作用TIG 焊接残余应力的计算  53-65
    3.3.1 外加磁场作用TIG 焊接应力场模型建立  53
    3.3.2 边界条件的加载与求解  53-59
    3.3.3 外加磁场作用TIG 焊接应力的计算结果与分析  59-65
  3.4 本章小结  65-66
第4章外加磁场作用 TIG 焊残余应力的测试与分析  66-75
  4.1 焊接残余应力测试方法研究现状  66-67
  4.2 小孔法测量残余应力原理与测量方法  67-70
    4.2.1 小孔法测量残余应力原理  67-69
    4.2.2 残余应力测量方法  69-70
  4.3 计算结果与试验测量的比较与分析  70-74
  4.4 本章小结  74-75
第5章结论  75-76
参考文献  76-80
攻读硕士学位期间发表的论文  80-81
致谢  81-82

基于磁控技术的TIG焊残余应力的研究

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