硕士学位论文：不同厚度堆焊层表面残余应力分析.doc

1、 硕 士 学 位 论 文 二 0 一三 年 十一 月 作者姓名 指导教师 学科专业 不同 厚度堆焊 层表面残余应力分析 analysis on surface residual stress of different depth Surfacing layer 学位 论文书脊 样式： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解 有关保留、使用学位论文的规定，同意 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位 论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此

2、协议 学位论文作者签名： _ 导师签名： _ 年 月 日 年 月 日 硕 士 学 位 论 文 作者姓名 指导教师 申请学位 学科专业 研究方向 分类号 学校代码 UDC 密 级 不同 厚度堆焊 层表面残余应力分析 analysis on surface residual stress of different depth Surfacing layer 致 谢 本论文是在 材料科学与工程学院 老 师 的悉心指导下完成的 ,衷心感谢我的导师 教授 !感谢 老师 几年来为我所做的一切和给予我的无私的帮助 ,老师渊博的学识和严谨的治学态度时刻感染 我 ,激励我奋进 ;他孜孜不倦 、 言传身教的工作作

3、风不仅使我学有长进 ,也使我在如何做人方面受益匪浅 ,在此向他表示我最真诚的感谢 ！ 在攻读硕士期间 ,还 得到了 许多人的 帮助 。 感谢 刘老师、王老师 在实验过程中及生活上给予我的帮助 ！ 另外 ,周、王 等 同学 在生活上给予我很多支持 ,在此表示感谢 ! 感谢我的 家人在 学习和生活上给予我无微不至的关怀和支持 ,使我能够心无旁鹜的去完成学业 ！ 在此 ,向一切帮助过我的老师 、 同学和亲人致以我最真挚的谢意 ！ 最后向所有关心 过我 ,帮助过我的人表示我最衷心的谢意 ,感谢他们 ! - I - 摘 要 本文 以 Q235 焊接钢板为研究对象 ，采用 模拟应力应变场 和 盲孔法测量

4、两种方式探究 不同 厚度 堆焊 层对焊接残余应力的影响 。 通过模拟结果和实验结果分析， 明确了不同厚度 堆焊 层 表面 残余应力分布规律。 本文通过建立 4 种 厚度 的焊道，在有限元软件 MSC.Marc 中进行数值模拟， 利用 Marc 单元和热 -结构耦合功能分析进行焊接过程仿真 。 给出了沿焊缝不同方向的三维残余应力分布曲线， 对比不同 厚度 堆焊 层在纵向的应力及应变的不同，确定不同 厚度 堆焊 层的表面焊接残余应力的分布规律 。 得出主要结论为 堆焊层厚度为 2 mm、 3 mm、 4 mm、 5 mm 焊缝处的纵向拉应力分别为 191MPa、 305MPa、 423 MPa、6

5、28MPa。即随着堆焊层厚度的增加其表面残余应力增加。 为了验证模拟结果准确性， 在母材 Q235 低碳钢板上铣出不同 厚度 的沟槽，用D112 焊条进行手工电弧堆焊，得到不同厚度堆焊层，再利用盲孔法测量堆焊层中的残余应力值。实验结果 为 堆焊层厚度为 2 mm、 3 mm、 4 mm、 5 mm 焊缝处的纵向拉应力分别为 267 MPa、 353 MPa、 577 MPa、 773 MPa。即随着堆焊层厚 度的增加其表面残余应力增加。 对比有限元模拟分析和盲孔法实测的结果，两者存在着一定的差距，这是由于在有限元模拟时，表面堆焊材料力学参数设置所导致的。但是，两者在趋势上有较好的吻合，故知有限

6、元模拟可在提高材料参数精度的条件下，可指导堆焊过程的残余应力研究。 关键词： 堆焊层 ； 有限元模拟 ； 残余应力 ； 盲孔法 ； Q235 - II - Abstract The paper based on the welding low carbon steel Q235 steel plate as the research object, and blind hole method using simulated stress and strain measuring two ways to explore the different depth influence on weldi

7、ng residual stress in the repairing layer. Through the simulation results and experimental results analysis, has been clear about the different thickness of melting layer in the residual stress distribution rule. In this paper, through the establishment of the depth of 4 kinds of weld bead, the fini

8、te element software MSC. Marc to carry on the numerical simulation, using the Marc unit and heat - structure coupling function analysis for simulation of welding process. Is given along the weld residual stress distribution in different directions of three dimensional curve, compare the different de

9、pth of surfacing welding layer in the longitudinal stress and strain of different, different depth of the repair layer on the surface of welding residual stress distribution rule. The main conclusions of surfacing layer thickness is 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm weld longitudinal tensile stress is 191 MPa

10、and 305 MPa, respectively 423 MPa and 628 MPa. That with the increase of surfacing layer thickness the surface residual stress increases. In order to verify the simulation results accuracy, on the base of Q235 low carbon steel plate milling groove of different depth, manual electric arc welding, usi

11、ng D112 electrode for different thickness of bead welding layer, using blind hole method of measuring the residual stress value of surfacing welding layer. The experimental results for the surfacing layer thickness is 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm weld longitudinal tensile stress is 267 MPa and 353 MPa, re

12、spectively 577 MPa and 773 MPa. That with the increase of surfacing layer thickness the surface residual stress increases. Comparing the finite element simulation analysis and blind hole method to the measured results, there is a certain gap, this is due to the finite element simulation, mechanical

13、surfacing materials caused by parameter settings. However, both are in good agreement in the trend, thus the finite element simulation can improve the material parameters precision condition, can guide the welding residual stress research. Key Words： Surfacing layer； finite element simulation； Weldi

14、ng residual stress; ；Blind-hole method； Q235 - III - 目 录 摘 要 . I Abstract . II 引 言 . 1 1 绪 论 . 2 1.1 堆焊技术 . 2 1.1.1 堆焊技术定义 . 2 1.1.2 堆焊的方法 . 2 1.1.3 堆焊的特点 . 5 1.1.4 堆焊技术的用途 . 6 1.1.5 堆焊技术现状及发展前景 . 7 1.2 低碳钢的焊接性 . 8 1.2.1 Q235 钢的性能简介 . 9 1.2.2 Q235 钢的焊接特点 . 9 1.2.3 Q235 钢的焊接工艺规范 . 9 1.3 焊接残余应力 . 10 1

15、.3.1 焊接残余应力定义 . 10 1.3.2 焊接残余应力形成原因 . 10 1.3.3 板材件焊接残余应力的分布 . 11 1.3.4 焊接残余应力对焊接结构的影响 . 11 1.4 本文研究的内容 . 12 2 不同厚度堆焊层焊接过程的有限元模拟 . 14 2.1 有限元法 . 14 2.1.1 有限元法简介 . 14 2.1.2 有限元法在焊接中的应用概况 . 15 2.1.3 有限元软件 MSC.Marc . 16 2.2 材料的介绍和几何模型及焊接工艺参数的确定 . 16 2.3 有限元模型的建立 . 17 - IV - 2.3.1 几何模型的建立及网格划分 . 18 2.3.2

16、 添加材料的性能参数 . 18 2.3.3 建立焊接路径和填充材料 . 20 2.3.4 设置母材和填充材料的接触关系 . 21 2.3.5 边界条件的定义 . 21 2.3.6 定义载荷工况 . 24 2.3.7 定义热动力 -耦合 . 24 2.4 模拟结果与分析 . 24 2.4.1 焊件温度场的结果与分析 . 24 2.4.2 不同厚度堆焊层应力场与应变场分析 . 27 2.5 本章小结 . 34 3 盲孔法测量残余应力的实验 . 35 3.1 盲孔法测残余应力 . 35 3.1.1 盲孔法测残余应力简介 . 35 3.1.2 盲孔测试法的国内外研究现状 . 35 3.2 实验材料 .

17、 36 3.2.1 堆焊用基体钢板 . 36 3.2.2 堆焊焊条 . 36 3.2.3 电阻应变片 . 37 3.3 实验仪器设备 . 38 3.3.1 手工电弧焊机 . 38 3.3.2 CM-1J-20 型数字静态应变仪 . 39 3.3.3 其他实验设备 . 40 3.4 实验过程 . 40 3.4.1 焊接工艺参数及方法 . 40 3.4.2 盲孔法实验原理及方法 . 41 3.4.3 盲孔法测量残余应力的步骤 . 42 3.5 实验结果与分析 . 44 3.5.1 不同厚度堆焊层钻孔释放应变值 . 44 - V - 3.5.2 应用盲孔法原理公式计算出残余应力值 . 45 3.5.3 盲孔法测得的残余应力分析 . 45 3.6 本章小结 . 46 结 论 . 47 参 考 文 献 . 49 作 者 简 历 . 51 学位论文原创性声明 . 52 学位论文数据集 . 53