本科畢業(yè)設計-不同厚度堆焊層表面殘余應力分析

碩士學位論文不同不同厚度堆焊層表面殘余應力分析analysisanalysisonsurfaceresidualstressofdifferentdepthSurfacinglayer作者姓名指導教師學科專業(yè)二0一三年十一月

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學校代碼學校代碼分類號密級UDC密級UDCanalysisonsurfaceresidualstressofdifferentdepthSurfacinglayer不同厚度堆焊層表面殘余應力分析碩analysisonsurfaceresidualstressofdifferentdepthSurfacinglayer不同厚度堆焊層表面殘余應力分析作者姓名指導教師申請學位學科專業(yè)研究方向

致謝本論文是在材料科學與工程學院老師的悉心指導下完成的,衷心感謝我的導師教授!感謝老師幾年來為我所做的一切和給予我的無私的幫助,老師淵博的學識和嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度時刻感染我,激勵我奮進;他孜孜不倦、言傳身教的工作作風不僅使我學有長進,也使我在如何做人方面受益匪淺,在此向他表示我最真誠的感謝！在攻讀碩士期間,還得到了許多人的幫助。感謝劉老師、王老師在實驗過程中及生活上給予我的幫助！另外,周、王等同學在生活上給予我很多支持,在此表示感謝!感謝我的家人在學習和生活上給予我無微不至的關懷和支持,使我能夠心無旁鶩的去完成學業(yè)！在此,向一切幫助過我的老師、同學和親人致以我最真摯的謝意！最后向所有關心過我,幫助過我的人表示我最衷心的謝意,感謝他們!-PAGE20--PAGEI-摘要本文以Q235焊接鋼板為研究對象，采用模擬應力應變場和盲孔法測量兩種方式探究不同厚度堆焊層對焊接殘余應力的影響。通過模擬結果和實驗結果分析，明確了不同厚度堆焊層表面殘余應力分布規(guī)律。本文通過建立4種厚度的焊道，在有限元軟件MSC.Marc中進行數(shù)值模擬，利用Marc單元和熱-結構耦合功能分析進行焊接過程仿真。給出了沿焊縫不同方向的三維殘余應力分布曲線，對比不同厚度堆焊層在縱向的應力及應變的不同，確定不同厚度堆焊層的表面焊接殘余應力的分布規(guī)律。得出主要結論為堆焊層厚度為2mm、3mm、4mm、5mm焊縫處的縱向拉應力分別為191MPa、305MPa、423MPa、628MPa。即隨著堆焊層厚度的增加其表面殘余應力增加。為了驗證模擬結果準確性，在母材Q235低碳鋼板上銑出不同厚度的溝槽，用D112焊條進行手工電弧堆焊，得到不同厚度堆焊層，再利用盲孔法測量堆焊層中的殘余應力值。實驗結果為堆焊層厚度為2mm、3mm、4mm、5mm焊縫處的縱向拉應力分別為267MPa、353MPa、577MPa、773MPa。即隨著堆焊層厚度的增加其表面殘余應力增加。對比有限元模擬分析和盲孔法實測的結果，兩者存在著一定的差距，這是由于在有限元模擬時，表面堆焊材料力學參數(shù)設置所導致的。但是，兩者在趨勢上有較好的吻合，故知有限元模擬可在提高材料參數(shù)精度的條件下，可指導堆焊過程的殘余應力研究。關鍵詞：堆焊層；有限元模擬；殘余應力；盲孔法；Q235-PAGEV-AbstractThepaperbasedontheweldinglowcarbonsteelQ235steelplateastheresearchobject,andblindholemethodusingsimulatedstressandstrainmeasuringtwowaystoexplorethedifferentdepthinfluenceonweldingresidualstressintherepairinglayer.Throughthesimulationresultsandexperimentalresultsanalysis,hasbeenclearaboutthedifferentthicknessofmeltinglayerintheresidualstressdistributionrule.Inthispaper,throughtheestablishmentofthedepthof4kindsofweldbead,thefiniteelementsoftwareMSC.Marctocarryonthenumericalsimulation,usingtheMarcunitandheat-structurecouplingfunctionanalysisforsimulationofweldingprocess.Isgivenalongtheweldresidualstressdistributionindifferentdirectionsofthreedimensionalcurve,comparethedifferentdepthofsurfacingweldinglayerinthelongitudinalstressandstrainofdifferent,differentdepthoftherepairlayeronthesurfaceofweldingresidualstressdistributionrule.Themainconclusionsofsurfacinglayerthicknessis2mm,3mm,4mm,5mmweldlongitudinaltensilestressis191MPaand305MPa,respectively423MPaand628MPa.Thatwiththeincreaseofsurfacinglayerthicknessthesurfaceresidualstressincreases.Inordertoverifythesimulationresultsaccuracy,onthebaseofQ235lowcarbonsteelplatemillinggrooveofdifferentdepth,manualelectricarcwelding,usingD112electrodefordifferentthicknessofbeadweldinglayer,usingblindholemethodofmeasuringtheresidualstressvalueofsurfacingweldinglayer.Theexperimentalresultsforthesurfacinglayerthicknessis2mm,3mm,4mm,5mmweldlongitudinaltensilestressis267MPaand353MPa,respectively577MPaand773MPa.Thatwiththeincreaseofsurfacinglayerthicknessthesurfaceresidualstressincreases.Comparingthefiniteelementsimulationanalysisandblindholemethodtothemeasuredresults,thereisacertaingap,thisisduetothefiniteelementsimulation,mechanicalsurfacingmaterialscausedbyparametersettings.However,bothareingoodagreementinthetrend,thusthefiniteelementsimulationcanimprovethematerialparametersprecisioncondition,canguidetheweldingresidualstressresearch.KeyWords：Surfacinglayer；finiteelementsimulation；Weldingresidualstress;；Blind-holemethod；Q235目錄摘要 IAbstract II引言 11緒論 21.1堆焊技術 21.1.1堆焊技術定義 21.1.2堆焊的方法 21.1.3堆焊的特點 51.1.4堆焊技術的用途 51.1.5堆焊技術現(xiàn)狀及發(fā)展前景 61.2低碳鋼的焊接性 81.2.1Q235鋼的性能簡介 81.2.2Q235鋼的焊接特點 81.2.3Q235鋼的焊接工藝規(guī)范 91.3焊接殘余應力 91.3.1焊接殘余應力定義 91.3.2焊接殘余應力形成原因 91.3.3板材件焊接殘余應力的分布 101.3.4焊接殘余應力對焊接結構的影響 101.4本文研究的內容 122不同厚度堆焊層焊接過程的有限元模擬 132.1有限元法 132.1.1有限元法簡介 132.1.2有限元法在焊接中的應用概況 142.1.3有限元軟件MSC.Marc 142.2材料的介紹和幾何模型及焊接工藝參數(shù)的確定 152.3有限元模型的建立 162.3.1幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分 162.3.2添加材料的性能參數(shù) 172.3.3建立焊接路徑和填充材料 192.3.4設置母材和填充材料的接觸關系 192.3.5邊界條件的定義 202.3.6定義載荷工況 222.3.7定義熱動力-耦合 232.4模擬結果與分析 232.4.1焊件溫度場的結果與分析 232.4.2不同厚度堆焊層應力場與應變場分析 262.5本章小結 323盲孔法測量殘余應力的實驗 333.1盲孔法測殘余應力 333.1.1盲孔法測殘余應力簡介 333.1.2盲孔測試法的國內外研究現(xiàn)狀 333.2實驗材料 343.2.1堆焊用基體鋼板 343.2.2堆焊焊條 343.2.3電阻應變片 353.3實驗儀器設備 363.3.1手工電弧焊機 363.3.2CM-1J-20型數(shù)字靜態(tài)應變儀 373.3.3其他實驗設備 383.4實驗過程 383.4.1焊接工藝參數(shù)及方法 383.4.2盲孔法實驗原理及方法 393.4.3盲孔法測量殘余應力的步驟 403.5實驗結果與分析 423.5.1不同厚度堆焊層鉆孔釋放應變值 423.5.2應用盲孔法原理公式計算出殘余應力值 423.5.3盲孔法測得的殘余應力分析 433.6本章小結 44結論 45參考文獻 46作者簡歷 48學位論文原創(chuàng)性聲明 49學位論文數(shù)據(jù)集 50-PAGE53-引言現(xiàn)階段，堆焊技術普遍應用于我國各個領域，堆焊就是利用一定的發(fā)熱方法把固定的合金材料熔化覆蓋在焊接材料的表面，可以使焊接材料恢復使用性能，也可以使其具有其它的使用性能。所以，堆焊技術不但可以用來修復一定的材料，也可以使某些材料得到強化，應用此技術的主要目的就是為了使零件更加耐用，以達到節(jié)約的目的，可以降低生產(chǎn)資金。堆焊層是堆焊材料熔覆在母材上的重要部位，對堆焊層進行研究，對堆焊工藝的發(fā)展有很重要的意義。而焊接殘余應力始終存在于各種焊接材料中，焊接殘余應力是焊接工程研究領域的重點問題。涉及焊接的各種工程應用中，都十分關注殘余應力的影響。堆焊過程中的殘余應力也會嚴重影響堆焊材料的性能。在大多情況下，堆焊層都較厚才能起到強化保護作用，堆焊層厚度方向上的殘余應力雖然沒有長度和寬度方向上的應力大，但對于厚板件中厚度方向上的殘余應力很大，必須得到重視和研究。本文從堆焊層入手，研究不同厚度堆焊層中的焊接殘余應力。計算機數(shù)值模擬技術在焊接領域中有廣泛的應用，利用數(shù)值模擬技術預測焊接溫度場和應力場的分布情況能夠指導工藝優(yōu)化，從而得到高質量的焊接結構、焊接工藝的優(yōu)化、焊接參數(shù)的選擇、控制和消除焊接殘余應力的方法均可由計算機完成，不必進行大量的試驗工作,這樣就大大地節(jié)省了人力、物力和時間，具有很大的經(jīng)濟效益。本文通過建立4種厚度的焊道，在有限元軟件MSC.Marc中進行數(shù)值模擬，對比不同厚度堆焊層在縱向的應力及應變結果，確定不同厚度堆焊層的表面焊接殘余應力的分布規(guī)律。為了驗證模擬結果準確程度，采用盲孔法測量4種厚度堆焊層中的殘余應力值，結果表明模擬焊接殘余應力分布規(guī)律與實測結果趨于一致。1緒論1.1堆焊技術1.1.1堆焊技術定義堆焊屬于焊接技術當中的一種先進技術，但它和其它焊接技術不同，這種技術不是為了將器件連接在一起，而是利用焊接的辦法，在一些零件的表面增加一層或幾層特殊物質的合金材料。主要目的就是為了提高零件的使用壽命，使零件更加耐磨損，能夠抵抗高強度的熱量，耐腐蝕等。所以，這種技術不但可以用來修復零件，還可以用來加固零件，目的就是為了使零件更加耐用，達到節(jié)約的目的，降低生產(chǎn)資金，是提高機械零部件表面性能重要途徑之一[1-2]。1.1.2堆焊的方法（1）氧-乙炔焰堆焊：通常應用在目的為求得有著最低限度的修整加工量的平滑表面。氧-乙炔焰堆焊的特點氧-乙炔焰可調整火焰能率，能獲得非常小的稀釋率（1～10%），堆焊時，熔深淺，母材熔化量少。運用這種技術后，可以使材料中的合金性能不變，在當前普遍應用于耐磨的機器零件方面[1]。（2）手工電弧堆焊：這種堆焊方法和一般手工電弧焊一樣，只需簡單的機器設備，使用方法簡單，安全可靠，易于操作，適用于各種場合，可以在多種工件當中廣泛應用，不受零件形狀的制約，并且焊接位置不受限制，可以在形狀不規(guī)則零件和小型零件上廣泛應用，成本少，尤其是可以利用堆焊焊條得到較為適宜的合金成分，所以，在當前，這種堆焊辦法得到大面積應用。這種技術需要把焊條和工件接到電源的兩極，在引燃電弧后，焊條表面得以熔化，遇冷后變?yōu)槎押笇?。這種焊條定位技術方法可以適用于各種場合，目前得到普遍應用，在手工電弧短道耐磨堆焊方面應用最為廣泛，也在不同合金堆焊方面應用廣泛。這種堆焊方法也存在一定的缺點，就是工作進度較慢，稀釋率較高，接近15%-25%，堆焊層厚且不均勻，操作環(huán)境差。所以，在運用手工電弧堆焊時，要盡量控制稀釋率，確保電弧較為穩(wěn)定，以獲得較為質量均勻的焊合合金層。在運用這種技術時，要選擇高質量的焊條、焊條直徑、堆焊電流、堆焊速度、零件的預熱溫度等對堆焊質量和生產(chǎn)率都有重要影響。首先要注意堆焊材料的選擇，對一般金屬間磨損件表面強化與修復，可遵循等硬度原則來選擇堆焊材料，對承受沖擊負荷的磨損表面，應綜合分析確定堆焊材料；因為這種電焊技術熔深較大，稀釋率偏高，從而使得堆焊層的硬度下降，耐磨性能也降低，因此，大多情況下要堆焊2層以上。但問題是，堆焊層越多，越容易發(fā)生開裂和剝離現(xiàn)象。因為焊條電弧堆焊溫度很高，熱量集中，一般堆焊前可不預熱，工件的碳當量達到0.4%以上時應預熱到100~300℃，堆焊后采用補充加熱的方法使工件緩冷，或在爐中、石棉灰坑中緩冷。生產(chǎn)效率比氧—乙炔焰堆焊高，工件變形小[3]。（3）自動埋弧焊：自動埋弧焊實質上和一般自動埋弧焊相同。他們之間的區(qū)別在于自動埋弧堆焊希望在不降低生產(chǎn)率的條件下盡量獲得較小的熔深。焊接材料也在不斷提升，從開始的單絲發(fā)展到目前的多絲和帶極，焊機也得到了一定的發(fā)展，現(xiàn)在已廣泛應用多機頭焊機，取代了之前的單機頭，大大提高了熔敷效率，目前多帶極焊堆已達到22~68kg/h，而之前的單絲的熔敷效率只有4.5~11.3kg/h，稀釋率得到了有效控制，由單絲的百分之三十到六十下降到百分之十到二十五，在運用多絲埋弧焊技術當中，最近日本正在開發(fā)6絲振動埋弧焊技術，主要是為了解決焊接過程中出現(xiàn)的熱輸入大但工件冷卻慢使得晶粒大的問題，而關于高速帶極堆焊技術的開發(fā)與利用，已得到國內多個研究機構的重視，如甘肅工大開發(fā)制造了75mm帶寬，使焊接速度大幅提高到25~28cm/min[4]。（4）振動電弧堆焊：這種焊接技術是利用一種細焊絲，通過一定的振幅和頻率使其連續(xù)發(fā)生振動，產(chǎn)生脈沖電弧堆焊?？梢赃m用于較小電流，并且焊接過程能夠保持穩(wěn)定，振動堆焊具有熔深小，堆層薄而均勻，工件受熱區(qū)和變形小，堆焊層的耐磨性較好，生產(chǎn)率較高，成本低等特點，而焊絲的振動則可使堆焊層的質量有進一步的提高。因而振動電弧堆焊在農(nóng)機修理方面得到廣泛應用。振動電弧堆焊的保護方法主要有：向電弧區(qū)噴射水蒸氣、二氧化碳，或使用焊劑作為保護介質。水蒸氣雖不是理想的保護氣體，但較空氣的氧化性低，且廉價易得，故可作為振動電弧堆焊的保護介質。在施焊時，將水蒸氣以一定的壓力送入電弧區(qū)，吹去堆焊過程中產(chǎn)生的飛濺物和氧化物，并在電弧周圍形成與外界空氣隔絕的保護區(qū)。水蒸氣的攪動還有助于熔池中氣體的逸出和熔渣的上浮，減少了堆焊層中的氣孔與夾渣。（5）等離子堆焊：等離子堆焊是以聯(lián)合型或轉移型等離子弧作為熱源，以合金粉末或焊絲作為填充材料的一種熔化焊工藝。這種技術實際上也屬于電弧堆焊。但和一般的電弧存在差異，就是它利用的電弧是壓縮得到的等離子弧。這種技術得到的弧柱不易于產(chǎn)生變化，溫度較高，可以有效集中熱量，規(guī)范參數(shù)可調性好，熔池平靜，可控制熔深和熔合比（熔合比可控制在5%~15%）；熔敷效率高，堆焊焊道寬（焊槍擺動可控寬度為3mm~40mm，厚度0.5mm~8mm），易于實現(xiàn)自動化，堆焊層具有優(yōu)質性能、熔深要求不搞、堆焊層稀釋率不高、形狀較為規(guī)整、加工余量不大；粉末等離子堆焊還有堆焊材料來源廣的特點，很有發(fā)展前途。但也有缺點：設備成本高，噪聲大，紫外線強，產(chǎn)生臭氧污染等。等離子堆焊可分為以下形式[2]：①冷絲等離子堆焊這種技術多用于可以拔絲的堆焊合金，如合金鋼、不銹鋼等，常用自動送絲法。如果合金可以制造成棒狀，如鈷基合金，進行操作時則用手工親自操作送絲。②熱絲等離子堆焊這種技術的原理是，將焊絲首先利用電阻進行預熱，然后再將焊絲送入電弧區(qū)進行堆焊，可以用不銹鋼、銅基合金等，因為在堆焊前焊絲需要預熱，因此可以大大提高熔敷率，使稀釋率得到有效控制，可低至5％，并且在焊接過程中降低堆焊層氣孔的出現(xiàn)機率。這種技術較常用于大面積的堆焊，如某些壓力容器內壁的堆焊。③預制型等離子堆焊根據(jù)制作的需要，把堆焊合金預先制作成一定的形狀，置于加工零件的表面，利用等離子弧的熱量把它熔化，堆焊于零件表面。這種技術在形狀簡單的零件中應用較多。④粉末等離子堆焊這種技術就是把合金粉自動送入等離子弧區(qū)的技術。因為制作不同成分的合金粉較為容易，所以在使用這種技術時容易掌握各種合金成分。這種技術可以利用自動化技術，且所獲得的堆焊質量較高。這種技術普遍應用于閥門和耐磨件堆焊方面。（6）氣體保護電弧堆焊：氣體保護電弧堆焊的實質是，用保護性氣體在堆焊區(qū)（包括電弧周圍及熔池附近）造成一個厚而遮蔽的氣體保護層，以避免熔化金屬受到外界大氣的侵入和氧化。分為：一、鎢極氣體保護電弧堆焊，采用鎢極氬弧焊設備，這種技術大多情況下應用在新結構件上，對堆焊的要求標準較高的熔敷金屬上，一般不在使用在有過使用缺損的表明修復上；二、熔化極氣體保護電弧堆焊，這種技術要利用熔化極氣體保護焊設施，用于熔敷銅或不銹鋼的堆焊層。（7）電渣堆焊：電渣堆焊是利用特殊電渣的電阻熱熔化堆焊材料與基體母材形成熔池的一種對焊方法。電渣堆焊的特點是一次可以堆焊很大的厚度，熔敷率高，板極電渣堆焊的熔敷效率可達150kg/h，稀釋率較低。但是在操作過程中會出現(xiàn)電渣堆焊接頭溫度超高，在堆焊后要對產(chǎn)生的熱量進行處理。利用這種技術，堆焊層要達到一定的厚度通常不應低于14－16mm，不然不易保證電渣過程的穩(wěn)定性。利用電渣堆焊技術，在焊絲的選擇上可以選擇實心焊絲、管形焊絲等。這種技術一般應用在堆焊層比較厚的、堆焊表面形狀要求較為簡單的大型或者中型零件當中。（8）激光堆焊：利用這種技術可以準確控制熱量的輸入，涂層具有一定的厚度，在加熱過程中不易出現(xiàn)變形，可以準確控制成分和稀釋率，可以創(chuàng)造有著較好性能的合金堆焊層，其性能在耐磨、耐腐蝕、抗氧化等方面有著較好的性能，因此其在工業(yè)中的應用前景廣闊。（9）爆炸覆合：爆炸覆合是利用炸藥爆炸的可控能量，在兩層獲或多層同種或異種金屬間形成冶金結合的一種冷壓焊接過程。施焊時，由于兩塊金屬之間的高速高壓碰撞，在碰撞速度和碰撞角均合適的情況下，會在板間形成一股高速射流。阻礙冶金結合的表面污物層被射流所排除。而碰撞點附近的金屬在高壓的作用下，即形成冶金結合。爆炸覆合自20世紀60年代出現(xiàn)以來，已在許多工業(yè)領域中逐漸得到應用。（10）寬帶極堆焊：寬帶極堆焊是利用金屬帶作為填充材料的一種焊劑層下堆焊方法。其過程類似于埋弧焊，但不同的是：一、用金屬帶而不是用金屬絲作電極和填充材料；二、所用的焊劑具有良好的導電性，帶極的熔化主要靠電阻熱，而輔之以偶爾產(chǎn)生的電弧。常用的帶極寬度有60mm、75mm、120mm、和150mm不等。帶厚0.4mm~0.5mm。在可達150mm的寬度上，焊縫一次成型。突出的優(yōu)點是：堆焊效率高，每小時可堆焊1m2，堆焊層高度3mm~5mm；熔合比低，一般不大于15%，低時可在5%以下。寬帶極堆焊在化工、核電工業(yè)中常被用于堆焊反應釜、交換器等大型容器表面。由于受材料延展性的限制，帶極堆焊材料以不銹鋼類為主。1.1.3堆焊的特點在實際操作中，堆焊技術具有較為明顯特點：堆焊層和母材有著較好的冶金結合性能，堆焊層在處理過程中不易出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，而且可以根據(jù)需要來選擇和設計堆焊合金，可以使材料或者零部件表面有著很好的性能，如耐磨、抗腐蝕、不怕高溫和抗氧化等，有著較強的工藝靈活性。因為堆焊合金層和母材一般都是異種材料，而且對表面堆焊性能要求交稿，因此這一技術有著如下特征[5]。（1）適用于研究和開發(fā)更高水平的堆焊技術，可以用于不斷提高工藝水平的研究。（2）在這一技術中，起到?jīng)Q定作用的是合金成分。因此需要根據(jù)不同需要和磨損類型等來選擇恰當?shù)亩押负辖?，以獲得最佳的堆焊效果。恰當?shù)倪x擇堆焊層的合金系統(tǒng)，能夠有效的提高堆焊部件的耐用性。（3）稀釋率低。這也是堆焊工藝所要追求的目標。所謂的稀釋率指的是在堆焊焊縫時，母材金屬所占的比重。通常來說堆焊層有著較多的合金原色，而零件則基本為常見的碳鋼或低合金鋼。所以，為了確保堆焊層表面成分的理想性能，需要盡可能的降低母材在堆焊金屬中的溶入量，也就是要求有效的降低稀釋率。（4）堆焊中最常碰到的問題是開裂，防止堆焊層開裂的方法：焊前預熱，控制層間溫度，焊后緩冷。焊后進行消除應力熱處理。避免多層堆焊，采用低氫型堆焊焊條。必要時，在堆焊層和母材材料之間堆焊過渡層。但是要求堆焊合金和基體的金屬最好有著較為一致的線膨脹系數(shù)和相變溫度等熱物理性能。1.1.4堆焊技術的用途堆焊技術就是將堆焊合金熔化后敷在金屬或在零部件外表，使其外表有著設定的性能和大小的技術。堆焊也是焊接的一種，其應用廣泛，廣泛應用在金屬冶煉、采礦、農(nóng)業(yè)機械、變電站、各種車輛及航空制造中。如鋼鐵制造中各種閥門制造，用于交通方面的汽車或機車發(fā)動機等耐磨零部件的制造和維修。利用表面堆焊技術，既可生產(chǎn)制造各種新型零件，也可以用于修復各種磨損零件，使其重新能夠使用。應用這種焊接技術的目的，就是為了延長受損零部件的使用壽命，也少量應用于恢復零部件的尺寸大小。堆焊技術在下面這些領域應用較多：（1）生產(chǎn)新零件可以使用堆焊技術，在一些金屬零部件表面附著不同成分的合金，從而使這種零部件同時具有多種金屬成分，獲得綜合性能，使原來的金屬零部件性能更加優(yōu)越。而且由于這種方法生產(chǎn)出的零部件有著不同的合金成分及性能不同，可以實現(xiàn)性能多樣化，滿足不同需求，提高零部件的抗磨、抗熱、抗腐蝕等性能。不但可以延長零部件的耐用性，還能夠大量節(jié)約貴重合金的使用，降低設備成本。（2）修復舊零件這種技術在使用恰當?shù)暮辖鸩牧蠈Ψ酆芫贸霈F(xiàn)磨損的零部件可以恢復其尺寸或提高其性能，能夠有效降低制造成本，節(jié)約資源，延長使用時間，降低配件的使用。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，這種技術大都應用于修復零部件，幾乎占到堆焊合金使用量的70%，由于只對零部件進行修復，所以生產(chǎn)成本與購買新產(chǎn)品相比，要節(jié)約很多。利用堆焊技術，不但可以修復零部件，而且可以延長零部件的使用壽命。但需要注意的是，應用堆焊技術要注意兩方面問題：一是正確選擇堆焊合金，尤其是堆焊合金成分需要合理，另外需要注意材料形狀。需要注意的是堆焊合金成分也要根據(jù)堆焊合金的使用性能；二是選擇恰當?shù)亩押腹に嚕鞔_相關操作規(guī)程。1.1.5堆焊技術現(xiàn)狀及發(fā)展前景在我國，堆焊技術起源較早，在上世紀五十年代末已經(jīng)在各個領域普遍應用，與焊接技術的發(fā)展幾乎同步。在堆焊技術的發(fā)展初期，主要應用于零部件的修復，也就是恢復形狀及尺寸。其使用的堆焊手段有手工電弧焊、電渣堆焊等。堆焊技術發(fā)展到60年代，已經(jīng)不在局限于零部件的維修方面，同時可以優(yōu)化零部件的使用性能，我國實行改革開放以后，堆焊技術得到了進一步發(fā)展，不再局限于修理業(yè)，普遍應用于制造業(yè)。到70年代，各種堆焊技術得到了快速發(fā)展，如等離子弧堆焊、低真空熔結、二氧化碳保護堆焊等，在堆焊技術研究與開發(fā)方面發(fā)展迅速。堆焊技術發(fā)展到80年代，逐漸出現(xiàn)了高碳高硌耐磨合金粉塊電弧堆焊技術，可以制作大面積復合鋼板，其耐磨性能得到大幅度提高。90年代，我國開始研發(fā)出復合材料的耐磨制品，使堆焊技術的效率得到有效提高，粉末稀釋率大大降低，出現(xiàn)了等離子粉末堆焊技術，并開發(fā)出利用藥芯焊帶、藥芯焊絲進行堆焊的先進技術。由于當時大量出現(xiàn)了先進制造技術，在制造業(yè)當中，使堆焊技術與智能控制技術有效結合，實現(xiàn)堆焊技術的自動化，并結合精密磨損技術，使得堆焊技術獲得空氣發(fā)展，使得堆焊技術越來越實現(xiàn)科學化發(fā)展。在我國焊接技術的發(fā)展，經(jīng)歷了很多過程，不但廣泛應用在材料的修復領域，節(jié)省大量生產(chǎn)資金，而且普遍應用在零部件的生產(chǎn)研制中，促進了制造業(yè)水平的不斷提高[1]。最近幾年，堆焊技術領域重視開發(fā)研制各種先進、高效的堆焊技術。我國專家學者將堆焊技術的研究重點集中在激光堆焊、電子束堆焊、聚焦光束堆焊等高新技術領域，不斷推出新型堆焊技術，實現(xiàn)堆焊技術的智能化發(fā)展，可以有效提高堆焊技術的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)堆焊技術的精確化要求。由于堆焊技術不斷得到發(fā)展、同時出現(xiàn)了多種多樣的合金材料，在堆焊過程中運用各種新型焊材，可以有效提高零部件的耐熱性能，延長零部件的使用時間，如馬氏體鋼堆焊絲材等；可以用于維修斷裂模具，保證模具的堅固性，符合力學性能；將堆焊技術應用于塑料成形模具當中，可以提高模具的抗腐蝕和耐磨性，延長使用壽命。堆焊技術在我國已經(jīng)發(fā)展了60多年，廣泛應用于零部件的修復領域與生產(chǎn)制造領域。我國在堆焊技術的理論研究方面并不比一些發(fā)達國家差，但堆焊技術的應用方面依然較為落后，如研制堆焊材料方面、堆焊設備實現(xiàn)自動化方面、智能化方面、計算機技術的應用等方面都存在較大差距[6]。隨著科學技術的快速發(fā)展，計算機技術在社會各個領域廣泛應用，為了提高堆焊質量，國外已經(jīng)研究開發(fā)出堆焊專家系統(tǒng)，如德國率先研制成功的堆焊專家系統(tǒng)，可以依據(jù)零部件的磨損情況、母材成分等確定是否應用堆焊技術、是否需要過渡層等，而且可以選擇恰當?shù)亩押覆牧希_定科學的堆焊工藝。能夠幫助操作人獲得準確的堆焊技術相關參數(shù)以作參考，不斷推動堆焊技術的發(fā)展，使堆焊技術得以大面積推廣[7]。在堆焊技術的開發(fā)與應用方面，我國專家著重研究提高堆焊技術的工作效率和堆焊質量。在研究開發(fā)堆焊方法方面，不斷研制成功了電弧堆焊、電渣堆焊、MIG堆焊、等離子弧粉末堆焊、高能光束粉末堆焊、熱噴涂等[8]。研制成功的這些先進技術與發(fā)達國家的堆焊技術相比，我國在堆焊技術的理論研究并不弱于發(fā)達國家，但不容忽視的是，我國在堆焊技術方面依然處于相對落后的局面，主要原因就是我國在堆焊材料的運用、以及堆焊設備的工業(yè)化水平方面與先進國家相比，相差較大，我國在堆焊材料的運用方面主要表現(xiàn)為“較多使用焊條，而較少使用焊絲。應用熔煉焊劑較多，而運用燒結焊劑較少。一般應用實心焊絲較多，應用藥芯焊絲較少”。在堆焊過程中應用設備存在的問題是“大多都是改裝設備，而沒有專用設備。大多應用機械化設備，缺少智能化操作設備?！彼?，我國在堆焊材料的選擇方面，堆焊設備方面都落后于發(fā)達國家，迫切需要在這兩方面得到提高與發(fā)展[9]。隨著我國工業(yè)技術得到了迅猛發(fā)展，國家對產(chǎn)業(yè)結構進行了調整，由于堆焊技術具有許多優(yōu)勢特點，因此得到了重點推廣，在重工業(yè)生產(chǎn)當中普遍應用，促進了我國重工業(yè)的迅速發(fā)展，如鋼鐵冶金、礦山開發(fā)、發(fā)電、軍工生產(chǎn)、機械制造等方面，堆焊技術不再滿足于原來的修復功能，逐步能夠制造新型產(chǎn)品、對原有零部件進行改造，使其更加耐熱、耐磨、抗腐蝕等。對原有材料進行了改進，生產(chǎn)制造出了許多具有高優(yōu)性能的工業(yè)產(chǎn)品，有效節(jié)約了能源與原料，同時有利于環(huán)境保護工作，大幅提高了經(jīng)濟效益。目前，國家大力提倡綠色能源開發(fā)，加強環(huán)境保護工作，開發(fā)可再生能源，在此基礎上，堆焊技術顯示出了巨大的發(fā)展前景。1.2低碳鋼的焊接性焊接性是指同質材料或異質材料在制造條件下，能夠焊接形成完整接頭并滿足預期使用要求的能力。低碳鋼的含碳量低(≤0.25%)，其他合金元素含量較少，故是焊接性最好的鋼種。采用通常的焊接方法后，接頭中不會產(chǎn)生淬硬組織或冷裂紋。只要焊接材料選擇適當，便能得到滿意的焊接接頭。用電弧焊焊接低碳鋼時，為了提高焊縫金屬的塑形、韌性和抗裂性能，通常都使焊縫金屬的碳含量低于母材，依靠提高焊縫中的硅、錳含量和電弧所具有較高的冷卻來達到與母材等強度。因此，焊縫金屬會隨著冷卻速度的增加，其強度會提高，而塑形和韌性會下降。當厚板單層角焊縫時，焊角尺寸不宜過??；多層焊時，應盡量連續(xù)施焊；焊補表面缺陷時，焊縫應具有一定的尺寸，焊縫長度不得過短，必要時應采用局部預熱，預熱溫度100-150℃。1.2.1Q235鋼的性能簡介Q235鋼是焊接結構中使用最為廣泛的低碳鋼，其抗拉強度平均為417.5N/mm2，屈服強度是235MPa，材料越厚，屈服值就會越小。因為這種鋼材的含碳量較為合適，所以具有廣泛的使用范圍，其本身具有的較好的強度、塑性能夠與焊接材料獲得較好的吻合，在建筑領域、工程構造等領域得到普遍應用，也可以應用于一些制作要求偏低的機械零部件的生產(chǎn)方面。1.2.2Q235鋼的焊接特點這種鋼材含碳量較低，其他元素含量也不高，具有較強的韌性和塑性，很少出現(xiàn)淬硬傾向，在焊接過程中不易出現(xiàn)焊接裂紋，堆焊性能卓越。這種鋼材在焊接時，不需要提前加熱，焊接完成后也不用對加熱部分進行處理，應用焊接設備較為簡單。對焊接電源的要求較低，日常使用的交、直流弧焊機都能使用。在進行實際操作時，根據(jù)工件不同的加工要求，可以選用手工電弧焊、二氧化碳氣體保護焊、埋弧焊等方法。1.2.3Q235鋼的焊接工藝規(guī)范焊接工藝是承壓設備焊接的規(guī)定性工藝文件，帶有一定的強制性，其一般的要求是：（1）正確性：焊接工藝的正確性是指焊接工藝本身的各項要求，如坡口形式及尺寸、焊接方法選用、焊材的選擇、焊接工藝參數(shù)、預熱溫度、焊后消氫、焊后熱處理、工藝設備、操作要求，均應符合焊接的基本規(guī)則，符合工廠的生產(chǎn)實際。（2）完整性：焊接工藝的完整性有兩層含義，一是對某一產(chǎn)品而言，應包含受壓元件之間的焊縫，與受壓元件相焊的焊縫均應制定焊接工藝，否則就認為不完整。另一含義是對某一工藝卡片而言，對某個節(jié)點所需的焊接工藝參數(shù)、施焊要點、工藝設備等均應該列出。（3）有效性：焊接工藝有效性，就是能夠指導焊接施工，在施焊過程中得到貫徹。以上的焊接功能各異的一般要求均建立在焊接工藝性的基礎之上。焊接工藝性指一種金屬可以在很簡單的工藝條件下焊接而獲得完好的焊接接頭并滿足使用要求。1.3焊接殘余應力1.3.1焊接殘余應力定義焊件在焊接過程中，熱應力、相變應力、加工應力等超過屈服極限（Yieldstrength），以致冷卻后焊件中留有未能消除的應力。這樣，焊接冷卻后的殘余在焊件中的宏觀應力稱為焊接殘余應力。焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產(chǎn)生焊接應力和變形的根本原因[10]。焊接殘余應力，是焊接工程研究領域的重點問題。涉及焊接的各種工程應用中，都十分關注殘余應力的影響。例如，在土木工程領域，對于鋼結構焊接連接，殘余應力對結構的疲勞性能，穩(wěn)定承載力等均有影響。1.3.2焊接殘余應力形成原因焊接殘余應力產(chǎn)生時的狀況，在實際情況下是相當復雜的，其應力的大小與分布因焊接構件的形狀、尺寸、焊接方法等而異。就其產(chǎn)生原因及過程關系可知有下列三種情況[11]。（1）在焊接過程中出現(xiàn)的熱應力，是由于在進行焊接時，焊接熱源不斷移動位置，所以造成零件局部受熱不均，于是在材料內部不同部位出現(xiàn)不同溫度差。在焊接過程中加熱不均使得金屬受熱膨脹受到抑制，造成金屬加熱部位壓縮塑性變形；在冷卻時，那部分位置其收縮受到抑制，因此由于加熱和冷卻顫了焊接熱應力，主要是由于焊接殘余應力所產(chǎn)生的結果。（2）焊接過程中的約束應力，是因為焊前加工狀況產(chǎn)生，因為約束不一樣，導致作用力不均勻，零件內部組織的濃度不同，晶粒產(chǎn)生位向差，所以形成零部件各部分屈服，而引起零部件的變形，所以出現(xiàn)了約束應力。（3）相變應力就是在焊接過程中，由于對金屬零部件的加熱不均，所以金屬零部件的熱膨脹不同導致體積發(fā)生變化，出現(xiàn)了相變應力，由于相變應力產(chǎn)生的寬度和殘余應力直接相關。如，在制作壓力容器時，對焊接部分進行修復，從而造成相變部位變寬，那么就會增大殘余應力。1.3.3板材件焊接殘余應力的分布直到現(xiàn)在，有關介紹大厚度重型結構中殘余應力分布的資料不多，主要原因在于目前尚缺乏合適的測量大厚度結構中殘余應力的檢測技術。當今所采用的內應力測量技術，包括電阻應變片和X光衍射技術等，都只能以測量構件表面的應變變化來確定應力的大小。除了正在研究中的超聲波測量內應力技術以外，至今尚沒有能準確測定大厚度內部殘余應力的方法。有實驗證明，當焊接構件厚度超過25mm時，結構中除存有縱向殘余應力σx和橫向殘余應力σy以外,還存在不可忽視的在厚度方向上的應力σz。近年來的研究結果表明，對于大厚度焊件，在這三個方向上的殘余應力沿厚度方向的分布是不均勻的，其變化規(guī)律，對于不同焊接工藝有不同程度的差異。有實驗證明，板厚越厚，殘余應力峰值越大，但當板厚超過數(shù)十毫米之后，則峰值應力與板厚無關，為一定值[12]。1.3.4焊接殘余應力對焊接結構的影響因為焊接只是對局部操作，因此從部件整體來說加熱和冷卻是不均衡的，容易受到焊縫及附近區(qū)域溫度場的影響，使得焊件內部呈現(xiàn)出大小、分布都不均衡的殘余應力應變場。在焊件焊接過程中，群毆焊接結構的殘余應力和加在其上面的工作應力會共同發(fā)生作用，在溫度及介質的影響下，發(fā)生變形，原來的殘余應力會重新進行分布，會降低焊接結構的剛性，造成尺寸的變化，也容易使構件的大小發(fā)生變化，并且隨著使用環(huán)境溫度和各方面因素的變化，也會損害到構件的內部構造以及使用效果，降低其使用性能。由于現(xiàn)在工業(yè)技術的快速發(fā)展，在生產(chǎn)當中廣泛應用各種新技術，所以要求焊接技術應該具有較高水平，必須做到質量高、價格低、安全性強。在焊接過程中出現(xiàn)的殘余應力和使用過程中的變形，是影響構件焊接質量的主要因素，能夠嚴重影響構件的抗斷裂性、規(guī)格精密性等[13]。（1）對結構剛度的影響當外載荷的應力和結構中部分面積的殘余應力加在一起時達到屈服點時，這部分區(qū)域的材料就會發(fā)生塑性變形，不再繼續(xù)承受荷載，此部分結構的有效截面受到影響，降低了材料剛度。當結構存在縱向或橫向焊縫時，或在進行過火焰校正后，這些情況都會很大截面上產(chǎn)生殘余拉伸應力，盡管在構件長度方面不大，但會影響剛度。尤其是使用較多火焰校正后的焊接梁，其加載時剛度和卸載時的回彈量會大幅降低，對于要求較高精度尺寸的情況和高穩(wěn)定性要求的情況，還需要額外注意。（2）對受壓桿件穩(wěn)定性的影響在外載荷產(chǎn)生的壓應力和殘余應力中的壓應力相互疊加達到σs時，則這一部位就不能再次承擔外載荷，使得桿件的有效截面積受到影響，同時使截面分布發(fā)生變化，影響了其穩(wěn)定性。殘余應力對受壓桿件穩(wěn)定性影響記得哦啊，且和殘余應力的分布直接相關。（3）對靜載強度的影響假如構件材料屬于脆性材料，這種材料變形能力較差，如果不斷施加外力，則會使構件的局部受力增加。增加了應力峰值，如果達到材料的屈服數(shù)值，就會使材料受到損壞，發(fā)生斷裂現(xiàn)象。如果脆性材料中存在較大的殘余應力，就會大量降低負荷能力，容易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。而相對于塑性材料來講，如果環(huán)境溫度較低，也會受到殘余應力的影響，使塑性材料不易產(chǎn)生變形，負荷能力受到影響，容易發(fā)生損壞現(xiàn)象。（4）對疲勞強度的影響由于構件中存在殘余應力，所以使得變荷載的應力循環(huán)發(fā)生變化，這種變化只是對其平均值產(chǎn)生影響，不會改變其幅值。構件的結構強度和應力循環(huán)有一定的關系，如果應力循環(huán)的平均數(shù)值提高時，則構件的極限幅值就會降低，反之則高。所以，如果應力集中部位有拉伸殘余應力，其疲勞強度則會下降，其系數(shù)越高，其影響就越明顯。所以，提高疲勞強度，不但應該從調整和減少殘余應力入手，還需要從技術設計及工藝方面進行研究，從而降低殘余應力對疲勞強度的不利影響[14]。（5）對焊件加工精度和尺寸穩(wěn)定性的影響在對材料進行加工時，被切除部分的材料其應力被釋放。因此破壞了原來殘余應力的分布狀況，同時焊件會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，其加工精密度降低。具有較為穩(wěn)定的組織性能的低碳鋼和奧氏體鋼焊接結構在溫室下，其應力松弛減弱，其內應力隨著時間的變化逐漸變小，獲得的焊接尺寸較為穩(wěn)定。低碳鋼長期置于常溫下，數(shù)值是σs的原始應力可能變?yōu)?.5%~3%，假如原始應力較低，那么松弛的比值就會降低，但如果環(huán)境溫度達到一千℃，松弛的比值則會成倍增長。（6）對應力腐蝕開裂的影響出現(xiàn)這種開裂現(xiàn)象的原因是由于殘余拉應力和化學腐蝕共同對材料發(fā)生作用的結果，從而出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，在一定的材料和介質的結合下產(chǎn)生。其所需時間和殘余應力大小有直接的關系，如果材料中含有的殘余應力越大，那么開裂所需時間就越短。1.4探究本章中的實質考慮到本文當中相同板厚工件的要求，通過這種有限元模擬軟件Marc，歸納起來從焊接熱源、材質空氣散熱系數(shù)、冷卻時間與焊接等方面考慮，利用不一致的厚度堆焊層焊接殘余應力而構建出有限元模擬模型。通過盲孔原理來計算出焊接層當中的殘余應力值。這樣根據(jù)不相同的堆焊接層的厚度變化，就可以縱方向的產(chǎn)生殘余應力的效應，從而形成具有差異性厚度的堆焊接層的表面焊接殘余應力的結構原則。主要研究內容包括：（1）采用Marc軟件對低碳鋼Q235板材進行三維幾何造型，建立有限元分析模型；（2）在模型上加載焊接材料性能、邊界條件及定義參數(shù)等，建立不同厚度堆焊層焊接過程的溫度場模型，在Marc軟件中建立模型，對模型進行模擬和后處理，求解其溫度場分布情況及特定點的熱循環(huán)曲線；（3）建立板材應力應變場模型，求解出焊后的殘余應力分布情況，通過對不同厚度堆焊層殘余應力模擬結論來探討，可以找出堆焊接層利用差異厚度變化所產(chǎn)生的焊接表面殘余應力的變化規(guī)律。（4）采用不同的堆焊層厚度，利用盲孔法測量不同厚度堆焊層表面的殘余應力，從而明確不同厚度堆焊層中的殘余應力分布規(guī)律。（5）將實驗結果與模擬結果對比分析，驗證所得結論的準確性。2不同厚度堆焊層焊接過程的有限元模擬2.1有限元法有限元法，也稱之為有限單元法或有限元素法，有限元方法源于彈性力學的計算，應用最小能量法、變分原理和加權余量法都能推導出有限元方法的基本計算關系式，它們是利用有限元法的基礎理論依據(jù)。然而隨著科技信息化的進步及有限差分法的推動，逐漸形成了現(xiàn)代的有限元法，此時采用空間和時間有限元方法模擬焊接使材料和構件的熱和力的行為成為可能[15]。2.1.1有限元法簡介（1）有限元法的基本原理利用連續(xù)的求解域離散集合為一體單元的組合體，用在每個單元內假設的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導數(shù)在單元各節(jié)點的數(shù)值插值函數(shù)來表達。從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度的事實?？偟膩碚f，有限元法是屬于離散性質的計算方法。離散之后在結構與結構間可以利用節(jié)點來連接，而對于位移及所有力也是利用節(jié)點得出數(shù)值。當然各自單元應該根據(jù)合適的數(shù)值函數(shù)，讓這個系數(shù)確定在子域的布局內、子域的分界面上。這樣就可以使得各個單元之間之間的方程有機的銜接，可以確定全部的結構公式，分析此方程式，就能夠找到結構的近似值。（2）關于有限元法的推動歷程在一九六二年，丹麥人第一次采用互聯(lián)網(wǎng)的形式，利用有限差分法來對鑄件凝固過程的熱能進行核算。隨后到了七十年代，一些國家也利用這種方法進行有關探討和分析，使得鑄造的發(fā)展向鍛壓、熱能解決、焊接方向推動發(fā)展，像中國在焊接領域內的數(shù)值研究是在八十年代初期開始的，這些年也有不少的研究機構及私人單位開始探究這個領域，并且還獲得了不菲的成績。經(jīng)過四十多年的發(fā)展不僅使有限元法的理論日趨完善，而且已經(jīng)開發(fā)了一批通用和專用的有限元軟件，使用這些軟件已經(jīng)成功的解決了眾多領域的大型科學和工程計算難題。其應用領域從單一的結構分析擴展到溫度場分析、電磁場分析、流體流速場分析以及聲場分析等多個領域。其分析問題的類型也已從最初的線性穩(wěn)態(tài)問題發(fā)展到順態(tài)響應問題、非線性問題及多介質的耦合問題等。但是有限元的缺點也很明顯，它的計算量很大，尤其是在復雜結構的計算時，計算的周期比較長[16]。2.1.2有限元法在焊接中的應用概況焊接的形成是與電弧，物理結構、熱能傳播、冶金及力學的研究為一體的，單純采用理論方法,很難準確的解決生產(chǎn)實際問題。因此,在研究焊接生產(chǎn)技術時,往往采用試驗手段作為基本方法,其模式為“理論—試驗—生產(chǎn)”,但大量的焊接試驗增加了生產(chǎn)的成本,且費時費力。計算機技術的飛速發(fā)展給各個領域帶來了深刻的影響。結合有限元法和技術的不斷改進，工程和科學中越來越多的問題都可以采用計算機有限元法模擬的方法進行研究。采用科學的有限元法模擬技術和少量的實驗驗證，以代替過去一切都要通過大量重復實驗的方法，不僅可以節(jié)省大量的人力和物力，而且還可以通過有限元模擬解決一些目前無法在實驗室里直接進行研究的復雜問題。作為促進科學研究和提高生產(chǎn)效率的有效手段，有限元法的地位已經(jīng)顯得越來越重要了[17]。在工程學的一些領域中，有限元法已經(jīng)視為和物理實驗同等重要。與焊接生產(chǎn)領域采用的傳統(tǒng)經(jīng)驗方法和實驗方法相比，有限元法具有以下優(yōu)點：（1）可以深入理解焊接現(xiàn)象的本質，弄清焊接過程中傳熱、冶金、和力學的相互影響和作用；（2）達到布局改良及工藝性能創(chuàng)新，進一步降低實驗工作量，減少加工的時間，從而提升焊接的質量效果，讓制作工藝的本金得到緩解。在這二十年左右的時間里，對于國際上在焊接殘余應力的模擬研究上也得到了一些成績。而焊接應力與應變的系數(shù)值的研究一般主要有：殘余變形和焊接殘余應力、消應力處理以及拘束應力和拘束度等[18]。不過對于這些探究還在早期的研究中，不少的研究還需要繼續(xù)開發(fā)，但最重要的是要分清焊接這種物理情況的原理，才確保模具的完善。當互聯(lián)網(wǎng)信息化軟、硬件和有限元軟件程序的不斷發(fā)展的過程中，焊接殘余應力數(shù)值模擬研究也將繼續(xù)發(fā)展，它的模仿的結構也有了一定的三維性、一體性、細致性等發(fā)展，對于這種研究的領域來說，一般有各式各樣的焊接方式，同時也涉及到一些焊接的模型、形成原理以及外部環(huán)境的進程改革。而焊接數(shù)值模擬這項技術的變化也會推動智能化的進程，所以對于焊接進程中的系數(shù)核算完全是通過電腦來操作的，而工作人員只要將其中焊接的方式還有相關的硬件大小填寫上去，電腦就會分析最合適的工藝系數(shù)，確保焊接殘余應力作用的降低，從而使結構組織達到最佳，確保焊接技能的逐步科學性、智慧性的進步，利用有限元模擬手段可以讓探討焊接應力變形課題更具突破性的發(fā)展。2.1.3關于有原則元系統(tǒng)MSC.MarcMSC.Marc屬于各項功能完善的等級高的非線性的有限元軟件，其整個結構分析思維比較靈活。它可以解決很多的線性及非線性結構的探究，這其中有：模擬研究、頻譜研究、動力響應研究、屈曲/失穩(wěn)研究、線性/非線性的靜力研究、隨機的穩(wěn)定/動態(tài)聯(lián)系以及其他方面等等。這可以適應工業(yè)及研究領域的要求，為了達到各業(yè)界的要求，從而使得層次鮮明、清晰、可以滿足多臺機器使用的一些科研成果。MSC.Marc的性能完善，可以說是一個頂級的非線性的有限元軟件的分析器，30年以來，在有限元分析的研究理論與系統(tǒng)軟件的研究構成中都非常完美。而且還可以確保一定的結構思維能力。能夠解決一些線性及非線性布局研究，比如：線性/非線性的靜力研究、模態(tài)研究、頻譜研究、自由動態(tài)性研究、屈曲/失穩(wěn)研究等。它的布局結構是非常充足、具有不間斷性布局及獨特的布局單元庫。同時每種布局單元都是有一定的變形解決的能力，可以使得一些材料非線性得到進一步完善。同時要達到核算的正確性系數(shù)及研究的高效性，Marc系統(tǒng)具有一定的完善的加載步長，它可以滿足自動調節(jié)機能，可以探討出關于曲屈、變化、熱能彈性及動力響應的步長。當然Marc系統(tǒng)也能夠幫助自由二維及三維網(wǎng)格的重組，可以達到改變過渡階段異變出現(xiàn)的一些網(wǎng)格子的畸變，能夠保證探究大異變的過程能夠得到延續(xù)。面對非布局的場問題一般是有流動、磁波、熱能變化等一些疑難情況的非線性熱能傳播的溫度場，還有對流場、電場、磁場等也能夠確保一定的探究核算的力量；同時還可以模仿土壤滲流、流－熱－固、聲-布局、電-能-布局等方面進行結果研究。同時想要達到一些高端使用者的需求及順利的開展二次研究，MSC.Marc能夠得出一些開放式的使用條件，而這些使用的系統(tǒng)入口就可以包括Marc體現(xiàn)的一些開放性的環(huán)境條件。對于一些使用要求來說基本上能夠設計到Marc有限元分析的各個流程，比如從物理構建、網(wǎng)絡格分、邊界定義、材質挑選等等這些研究性的解答、結果輸出，使用者隨時可以訪問而且還可以整改一些系統(tǒng)的不足程序。在Marc系統(tǒng)的固定作用之下，使用者是可以最大方向的提高Marc有限元軟件的研究能力[19]。2.2材料的介紹和幾何模型及焊接工藝參數(shù)的確定（1）材料的選擇本次實驗選擇的材料為Q235，Q235鋼的碳和其他元素含量較低，其塑形、韌性好，一般無淬硬傾向，不易產(chǎn)生焊接裂紋等傾向，焊接性能優(yōu)良。焊接時，一般不需要預熱和焊后熱處理等特殊的工藝措施，也很少需要選擇復雜和特殊的設備。對焊接電源沒有特殊要求，一般的交、直流弧焊機都可以焊接。在實際生產(chǎn)中，根據(jù)工件的不同加工要求，可選擇手工電弧焊、CO2氣體保護焊、埋弧焊等焊接方法。表2.1和表2.2為Q235的主要化學成分及力學性能。表2.1Q235鋼的化學成分(wt.％)Tab.2.1Q235chemicalcomposition(wt.％)FeCMnSiSPCrNi≥98.50.12~0.200.30~0.67≤0.30≤0.045≤0.045≤0.03≤0.03表2.2Q235的力學性能Tab.2.2Q235mechanicsperformance抗拉強度σb(MPa)屈服強度σs(MPa)斷面收縮率Ψ(%)拉伸率δ(%)硬度HB370~500235≥54≥5160~-180（2）焊接工藝參數(shù)選擇本次的參數(shù)是利用手動式的電弧焊，電壓是12V，電流是150A，焊接的速度可達到4mm/s，焊接熱效率為85%。2.3有限元模型的建立為了合理地建立有限元模型，本文在有限元模擬過程中做了如下假設：（1）以室溫(20℃)作為工作的初始溫度；（2）忽略焊接中熔池內的化學反應和攪拌及對流等現(xiàn)象；（3）材料連續(xù)并且各向同性；（4）建立一個總的熱輸入量，用熔池生熱的加載方法模擬焊接熱源；模型尺寸大小為300mm×150mm×10mm板材，一共建立為4個模型，不同之處是焊道的厚度分別為2mm、3mm、4mm、5mm。2.3.1幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分采用幾何建模法。首先畫出模型的幾何形狀，然后在分析結構上的網(wǎng)絡幾何布局，是有單元及節(jié)點的。涉及到焊接的歷程屬于不平衡受熱的原理，同時考慮到核算的效果及模擬的準確性，在規(guī)劃網(wǎng)絡布局的過程中，可以確保一些規(guī)劃來開展：通過焊接的臨界部位，利用一些精密的網(wǎng)絡規(guī)劃；盡量是在焊接邊緣以外的地方進行一定的操作，利用一些粗大的網(wǎng)格來規(guī)劃。這是因為焊縫和近縫區(qū)域的溫度梯度比較大，較高的單元密度能夠保證計算精度；遠離焊縫區(qū)域及板邊緣溫度梯度比較小，較稀疏的單元密度能夠提高模擬的運算速度。用直接生成網(wǎng)格法。首先建立一個200mm×3mm平面，長度方向尺寸200mm分為50部分，每一部分為200/50=4mm，寬度方向尺寸3mm分為2部分，再通過偏置系數(shù)對網(wǎng)格進行X方向偏移，系數(shù)為0.25，從而獲得焊縫和近縫區(qū)域細密的網(wǎng)格，遠離焊縫區(qū)域為較粗的網(wǎng)格，再通過此平面向Z方向的延伸，建立三維的網(wǎng)格模型，延伸每格長度為5mm，然后對此三維網(wǎng)格進行重復節(jié)點和單元的清除并重新排列過程。幾何模型如圖2.1所示。圖2.1幾何模型Fig.2.1Geometricmodel2.3.2添加材料的性能參數(shù)金屬材料的性能系數(shù)在熱容要求、導熱、楊氏模型、彎曲硬度等方面，大多是根據(jù)熱能的變化來改變的。在本章中探究了焊接進行時的應力場及溫度場的作用，這屬于非線性的動態(tài)研究，通過焊接進程中的硬零件的高溫過程，可以確保焊器件的熱能有很大的變化，若不涉及到材質的一些參數(shù)根據(jù)熱能來發(fā)生變化的話，那么就影響到最后的核算結果。因此在焊接的應力場及溫度場的模擬核算過程中需要考慮一些材質特性的熱能波動變化。在此次的模仿中考慮的一些補充材質的主要物理和力學性能隨溫度的變化值見表2.3。表2.3填充材料隨溫度變化的材料性能Tab.2.3Materialpropertiesoffillingmaterialwithchangingtemperature溫度(℃)屈服強度(MPa)楊氏模量(GPa)比熱容(J·Kg-1℃-1)導熱系數(shù)(10-3W·m-1℃-1)線膨脹系數(shù)(10-6℃-1)2029920872073.4112.120024619974561.112.640014918778348.613.96006917984538.114.680018893029.215.2120054121520.715.7150010.114621216.3(a)屈服強度(b)楊氏模量(c)比熱容(d)導熱系數(shù)(e)線膨脹系數(shù)圖2.2Q235的參數(shù)曲線Fig.2.2CurvesofQ235properties圖2.2為Q235各項性能參數(shù)隨溫度的變化的曲線。其中屈服強度隨溫度升高呈逐漸下降趨勢，在溫度低于時，屈服強度下降趨勢急劇，溫度超過800°C，屈服強度下降趨勢平緩，并趨向于零，如圖2.2（a）。楊氏模量隨溫度升高呈逐漸下降趨勢，溫度在20°C～600°C區(qū)間，下降趨勢平緩，溫度在600°C～800°C區(qū)間，下降趨勢急劇，溫度超過800°C，下降趨勢平緩，并趨向于零，如圖2.2（b）。比熱容隨溫度升高呈逐漸上升趨勢，溫度低于800°C，上升趨勢平緩，溫度高于在800°C，上升趨勢急劇，如圖2.2（c）。導熱系數(shù)隨溫度升高呈均勻快速下降趨勢，如圖2.2（d）。線膨脹系數(shù)隨溫度升高呈均勻平緩上升趨勢，如圖2.2（e）。填充材料泊松比為0.33，密度為7860kg/m3。當金屬處于熔化狀態(tài)，其屈服強度和彈性模量雖沒有實際的物理意義，但在有限元模擬時，其值不能取零，這是因為如果數(shù)值取零，則在運行過程中計算將無法進行下去。2.3.3建立焊接路徑和填充材料進入WELEPATH界面，通過節(jié)點法定義焊接路徑，節(jié)點法即通過選取兩個不同節(jié)點，通過其先后順序，定義起弧點和收弧點。焊接路徑選取所建立焊道的中心線。定義好起收弧點后在選取起弧點下方焊道最低處的起點，確定焊接電弧的指向。圖2.3為本次實驗所定義的焊接路徑。圖2.3焊接路徑Fig.2.3Weldingpathplot2.3.4設置母材和填充材料的接觸關系在焊接的過程中填充材料會不斷的添加入焊道，與母材產(chǎn)生一系列的接觸，因此需要設置母材和填充材料的接觸關系，進入CONTACT界面設置接觸關系。定義過程是先定義填充材料為一個單元，再定義除填充材料外的模型為母材單元，在定義完填充材料和母材的單元后，定義接觸關系，本次實驗是焊接熔覆修復的實驗，因此設置接觸關系為填充材料與母材是結合在一起的，最后添加材料和母材的接觸換熱系數(shù)，就完成了母材和填充材料接觸關系的設置。定義后的模型如圖2.4所示。填充材料母材填充材料母材圖2.4填充材料與母材Fig.2.4Thefillingmaterialandthebasematerial2.3.5邊界條件的定義（1）焊接熱源的定義在進行焊接的時候，因為焊接溫度具有一定的匯集、變化性，這個會導致整個局部及時間上有不穩(wěn)定的受熱空間，這就會影響到焊接變形及殘余應力的形成。所以，應該考慮構建恰當?shù)臒崮茉唇Y構，對焊接的熱能空間可以更正確的模仿焊接系數(shù)過程中的一些關鍵課題之一。本次實驗采用雙橢球體熱源模型模擬焊接熱源。雙橢球體熱源模型所描述的熱流輸入分布在一定的體積內，能夠反映出熱源沿厚度方向對焊件進行加熱的特點，能夠獲得較為準確的計算結果，雙橢球熱源模型如圖2.5所示。圖2.5雙橢球熱源模型示意圖Fig.2.5Schemeofdouble-eclipseheatsourcemodel在雙橢球熱源模型中，前半部分橢球內熱源分布的表達式為：(2.1)后半部分橢球內熱源分布的表達式為：(2.2)式中，Q=ηUI，η為熱源效率，U為焊接電壓(V)，I為焊接電流(A)；a、b、c為橢球形狀參數(shù)；f1，f2為前后橢球熱量分布函數(shù)，f1+f2=2。因本次實驗的主要目的是模擬不同厚度堆焊層表面殘余應力對焊接結構的影響，焊接方法選擇比較簡單且適合Q235鋼焊接的手工電弧焊，其主要焊接參數(shù)如表2.4所示：表2.4焊接參數(shù)Tab.2.4Weldingprocessparameter焊接電流(A)焊接電壓(V)焊接速度(mm/s)焊接熱效率1501240.85熱源尺寸的定義通過VOLUMEWELDFLUX界面定義，先激活FLUX選項，定義熱源尺寸，由于本次實驗共分為4步進行，所以每次的焊接熱源尺寸并不完全一樣，在實驗時考慮不同厚度的焊道確定每個模型的熱源尺寸，熱源的運行速度為0.004(參數(shù)單位為m)，熱源效率為0.85。為了減小計算過程的計算量，縮短工作時間，選擇焊接熱源的施加范圍要合理且適當，略大于焊道尺寸為宜。如圖2.6。圖2.6焊接熱源Fig.2.6weldingheatsource（2）冷卻條件定義定義完焊接過程的參數(shù)后，需要定義冷卻過程，由于冷卻過程的具體時間難以通過計算獲得，在設置冷卻條