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自蔓延焊接温度场及残余应力场有限元分析_图文

制造业信息化

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自蔓延焊接温度场及残余应力场有限元分析
陈 威
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李运良 !"

孙长青

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( !"装甲兵工程学院, 北京 !$$$%#;#"法尔胜集团公司 博士后工作站, 江苏 江阴 #!&&’’)

摘 要 !在无电无气的状态下, 自蔓延焊接依靠自身化学还原反应生成铁水, 通过加入合金元素形成多种合金, 可应用 于装甲装备的战场战伤应急焊接抢修。 文中就如何预测自蔓延焊接强度问题, 利用有限元法中分步载荷和热!结构耦合 法进行自蔓延焊接过程的模拟。分析了随焊接同步加压和不加压两种情况下自蔓延焊接的温度场、 残余应力场及相互 关系, 并得出了加压对焊接的残余应力场影响不大, 但可以大幅度提高焊接强度的结论。 关键词 !自蔓延焊接;温度场;残余应力场;焊接强度 , $##’$ #(%##&’%#& 中图分类号 !"#$% 文献标识码 !! 文章编号 !"##$%$&&&

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$%&’()*’" J; GB, 16;3=G=6; 67 ;6 ,),1G8=1=G5 2;3 ;6 <29 GB, 9,)7/I86I2<2G=6; K,)3=;< 3,I,;39 6; 1B,4=9G85 8,9I6;9, KB=1B 18,2G,9 BF<, LF2;G=G5 67 B,2G G6 8,),29, GB, )=LF=3 9G2G, =86; KB=1B 12; M, 4=N,3 K=GB GB, 2))65 ,),4,;G9 G6 7684 GB, 2))65" 2;3 12; M, F9,3 =; 8F9B G6 8,I2=80 OB=9 I2I,8 FG=)=P,9 9G,I )6239 2;3 B,2GQ7824, 16FI)=;< G6 8,96)R,9 GB, LF,9G=6; 67 GB, K,2H 67 =;G,;9=6; 67 9,)7 QI86I2<2G=6; K,)3=;<" 2;2)59=9 B2R=;< QI8,99 2;3 ;6 QI8,99 1=819 GB, G,4I,82GF8, 7=,)3 2;3 GB, 8,42=; 9G8,99 7=,)3" 2;3 GB, 8,)2G=6; M,GK,,; GB,40 A6;1)F3, GB2G B2R=;<Q9G8,99 12; ,;B2;1, GB, =;G,;9=6; MFG ;6 ,;B2;1, GB, 8,42=; 9G8,99 ,R=3,;G0 +,- ./(0& " 9,)7QI86I2<2G=6; 9,2)C G,4I,82GF8, 7=,)3C 8,42=; 9G8,99 7=,)3C GB, =;G,;9=6; 67 K,)3=;<

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剂及辅助溶剂等加强了焊缝金属的强度 % 同时较好控制 了 原 料 中 碳 的 含 量之 后 % 还 可 以 解 决 熔 合 区 的 ) 白 口 *问 题 ( 并且还有抗裂纹及抗剥离能力强 + 焊前无需预热 & 焊 后无需缓冷等特点 ( 铝热焊无需电和气 % 开发的焊接工具方便适用 % 单兵 即可操作 (

坦克零件在战场上损伤的可能性极大 % 快速修复战 伤零件 % 直接关系到官兵的生命 & 战斗的胜负 ’ 缩短修复 战伤零件的时间 % 那怕是一秒钟都具有十分重要的军事 意义 ( 焊修是一种很重要的修理方法 % 但目前电焊机没有 配备到每辆坦克上 % 只配备在工程车上 % 因此战场上无法 实施快速应急焊修 ( 单纯等待工程车到来 % 不但时间较 长 % 而且一旦工程车也战伤 % 则无法救助其他坦克 ( 因此 % 装甲装备的快速焊修是维修研究领域急需解决的一个难 题 ( 开发新的焊修技术并运用于战伤坦克零件的快速修 复具有十分重要的意义 ( 铝热焊属自蔓延焊接范畴 % 其焊接机理是利用铝和 氧化铁的氧化还原反应 % 将氧化铁中的铁还原 ( 其化学反 应基本表达式为 !#()*+,#-’.()#-’*#+, ( 焊剂由还原剂金 属铝和氧化剂氧化铁按一定比例混合而成 ( 在特制的坩 埚 中 % 焊 剂 由 点 火 剂点 燃 % 引 起 强 烈 的 化 学 反 应 % 反 应 产 生大量的热所造成的高温约 ’$$$$ % 使焊剂熔化翻腾 % 熔 融的铁水沉于坩埚底部 % 而铝被氧化 % 构成以氧化铝为基 的熔渣上浮 ( 铁水随即被浇注到战伤开裂处 % 高温铁水将 断口融化 % 它本身又作为填充金属填充了接头间隙 % 冷却 凝固后形成热熔焊接接头 ( 由此达到焊接的目的 ( 此反应通过加入适量的合金剂 & 副反应氧化剂 & 造渣
!!!!!!!!!!!!!!!! 基金项目 ! 国家自然科学基金资助项目 " 50275149#
总装维修改革基金资助项目 " 2001C X 15$

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自蔓延焊接存在的问题 在自 蔓 延 焊 接 的 过 程 中 % 会 产 生 动 态 应 力 & 应 变 % 其

后由于在焊缝区附近有局部的塑性变形 % 会产生残余应 力及残余应变 ( 残余应力与工作应力叠加将产生裂纹 % 从 而使焊接件的强度和韧性下降 % 影响焊接结构的安全可 靠性 ( 将有限元数值模拟技术用于焊接过程动态应力 & 应 变和残余应力的预测 % 对于正确选择焊接材料和工艺参 数 & 确定焊接接头结构 & 定量评估残余应力和残余变形具 有指导意义 (

"

自蔓延焊接工艺 实验 条 件 ! 耐 火 材 料 & 标 准 拉 伸 焊 接 试 件 & 镁 条 &()/

+,#-’ 粉末 & 改 锥 & 打 火 机 & 石 棉 布 & 石 棉 手 套 & 电 焊 眼 镜 &
铁锤等 ( 轴类零件自蔓延焊接示意图如图 ! 所示 选择 轻 质 耐 火 材 料 作 为 战 场 快 速 制 造 模 具 的 材 料 % 根据断口和裂纹形状现场快速制造模具 % 自蔓延粉末下 面 放置 薄 石 棉 垫 % 点 火 剂 为 镁 条 % 用 打 火 机点 火 % 断 口 预 热有利于合成产物与母材的结合 % 表面除锈除油有利于 提 高接 头 强 度 % 反 应 进 行 中 % 铁 水 刚 刚 凝 固后 % 在 焊 口 处 及焊件两端加压可显著提高焊接强度 (

!"

机械工程师

$##’ 年第 ( 期

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制造业信息化

& $’ 单位时间内由于温度升高微元体所需的热量

&,% % " !# &)&*&+ !) !)

& 5’

式中 " 为材料的比热 " 单位为 !"6() #’7 $ !# 为温度随时间 变化率 & 单位时间的温升数’ $ & &’ 控制方程 将式 & $’ ! & 4’ ! & 5’ 代 入 式 & /’ 并 在 方 程 的 两 端 去 掉 对铸铁与铸铁 ! 钢与钢的自蔓延焊接试样进行了拉 伸试验 " 数据如表 ! !表 " #
表#
试 试件直径 @## 自蔓延焊接试样破断载荷 "() 注 # 未实施随焊加压致密化 样 原始试件破断载荷 ?()

拉伸试验数据
铸铁 A 铸铁 E 钢 A 钢 E 钢 ’ 钢 4

&)&*&+ 则有 # ! -) !# 8 ! -* !# 8 ! -! !# ’. %" !# -+ !) !* !+ !) !* !+ !/

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!$ 8!$ 8!$ (. %" !$ % !) !* !+ # !/
3 3 3 3 3 3 -+

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对于各向同性导热材料 "-)0-*0-+: 上式变为 # & ;’

;BC AD 5’D

;BD AD ’BD

’’DD ’’DD ’’DD ’’DD 9 9 9 9 ADDD ;DD E’DD BDD

& 9’ ! & ;’ 都是瞬态温度场的控制方程 % 式 如图 / 所示 " 本文以焊接一根断轴为例论证自蔓延 焊接在装甲车辆上应用的可行性 % 设装甲钢的直径为 /< ## " 焊缝的宽度为 3 ## " 整个 焊接件的长度为 35 ## " 因为所要解决的为轴对称问题 " 可简化为平面问题来求解 % 取焊接件横截面轴心一侧的 半面分析 " 如图 " 所示 %

表$
长度 试件 试件 A 试件 E 试件 ’ 试件 4 截面积

钢试件拉伸试验数据
应变 极限应力 备注 断面发生在试件本身 加压致密化 加压致密化 未加压致密化

@## 9EF9 9EF9 9EF9 9EF9

@## E9FBB A;F;E E5FA9 A5FGD

@## AAF44 ’F9; BF;; EF4D

@HIJ E’G EGEFBE EB4F;4 AB5FE5

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焊缝区的残余应力及温度场模型建立 自蔓延高温合成时 " 材料由固态变成液态 " 要吸收热 边界条件为 #=> 为中间单元 " 初始温度为 3<<<# " 装 甲钢为 两 侧 的 单 元 " 在 ) 轴 方 向 固 定 " 初 始 温 度 为 ’<# " 整个结构由耐火砖密封 % 由于耐火砖的导热系数和金属 的导热系数相差很大 " 整个焊接过程时间很短 " 故可以认 为整个结构处于绝热状态 %

量 $ 反 之 凝 固 时 由 液 态 变成 固 态 " 要 放 出 热 量 " 所 以 要 考 虑相变潜热对温度场的影响 % 假定熔解潜热等于凝固潜 热 " 并通过材料比热容量的迅速上升或下降的变化来计 算潜热对结构热焓值的影响 % 焓的单位是 !"#$" 是密度与 比热的乘积对温度的积分 " 热焓按下式计算 #

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焊缝区的温度场及残余应力场模型求解 焊接是个局部快速加热到高温 " 并随后冷却的过程 %

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式 中 #% ( 材 料 热 焓 "!"# $!( 材 料 密 度 "()"# $& ( 材 料 ) 比热 " !"() # $’$( 温度增量 "# % 温度场的控制方程可根据能量守恒定律建立 " 即在 单位时间内 " 物体内任一微元体由于温度升高所需要的 热量等于外部传入的热量与内部热源提供的热量之和 % 数学表达式为 #

& 如 电 弧 焊 接’ 由 于 加 热 的 范 围 小 " 存 在 传统的 焊 接 方 法 一个热源的移动问题 % 整个焊件的温度随时间和空间急 剧变化 " 材料的热物理性能也随温度剧烈变化 % 而自蔓延 焊接是高温铁水快速流下 " 短时间内完成焊接过程 % 焊口 处液态铁转变为固态铁的过程中 " 还存在相变的问题 % 由 于焊接速度快温度高 " 可形成热熔焊接接头 % 其液态铁的 热焓值如表 ’ 所示 %
表! 液态铁的热焓值
A5AD EG’ED A5BD ’AABD ABDD ’5;GD EDDD ’GE;D
温度 ?# ) 焓 ?! #K’

&(*+,&(-+%&(.
& !’ 单位时间内传导到微元体内的热量

& /’ & 3’

&(*+%&(0,&(1 ,&(2
在微元体内的热量 %

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A45D EEG’D

式中 &(0!&(1 !&(2 分别为沿 ) !* !+ 轴方向传入而储存

铁由液态转变成固态的过程 " 可根据焊接件的大小 ! 流下液态铁的质量 ! 导热等条件决定 % 装甲钢的材料特性系数如表 4 所示 % 铁的材料特性系数如表 5 所示 % 按载荷步方式的求解过程 # & /’ 先求 出 流 下 的 铁 水 由 液 态 变 为 固 态 后 的 温 度 分 & 4’ 布场 " 时间为 / -% & 3’ 当接口处的温度降为 /5<<#左右时"在断口处加载 %

&,*+%

! -) !$ , ! -* !$ , ! -+ !$ & ’’ &)&*&+ " !) # !* " !* $ !+ % !+ $ & ’ !)

& "’ 单位时间内微元体内热源生成的热量 设微元体内有热源 " 其强度为 .-+& 单位时间 ! 单位体 积所生成或吸收的热量’ " 则

&,-+%.-+&)&*&+

提供热量的热源 .-+ 为正 " 吸收热量的热源 .-+ 为负 %

机械工程师

!""# 年第 $ 期

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制造业信息化

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表!
温度 !:+ 弹性模量 "4-(=> 屈服应力 "3 (=>
$

装甲钢的材料特性系数
!3 +73C "7$ +73C -33 "7D "73 "7D "333 375 37375 "73C "C7! 37! D633 "-33 37+ 373D 37+ +333 373" 3733D 373"

切向模量 "3$(=> 线胀系数 "3<-# 导热系数 ? + @*"#<" 泊松比 密度 AB + @
*!

表"
+3 "73$

铁的材料特性系数 # 单位同前表 $
"7$ 376 37! -76D 673$ CD+3

温度 屈服应力 弹性模量 切向模量 泊松比 线胀系数 导热系数 密度

首先如图 ! 所示划分单元 ! 铁水流下 " # 后的温度场如图 $ 所示 ! 当温度降低后 " 加压和不加压两种情况的残余应变 及残余应力如图 ! 和图 " ! 沿 轴 心 的 温 度 ## $ 及 热 流 变 化 如 图 $ 所 示 " 沿 轴 心 的 %&’ ()#*# 应力值如图 % 所示 % 从图中可以看出 " 由于焊接具有瞬时性 " 残余应力场 与温度场表现出以下的特点 & #" $ 残余 应 力 与 温 度 梯 度 变 化 快 的 区 域 主 要 集 中 于 焊缝的两侧 ’ #+$由于 ,* 的硬度低且温度高 "其产生的应变比较大 " 不会发生应力集中"残余应力集中在应变较小的装甲钢上’ #!$温度场分布比较均匀"从高温区向低温区平稳过渡 ’ #$ $ 温度梯度场与残余应力场的关系 & 从图中可以看 出 "温度梯度场变化大的区域 "也是残余应力集中的区域 ’ #- $ 钢水 在 压 力 下 结 晶 " 在 流 动 中 凝 固 " 冷 却 为 大 变 形 组 织 " 具 有 破 碎 枝 晶 ( 细 化 晶粒 ( 减 少 纤 维 缺 陷 及 改 善 塑性作用 % 固定两侧的焊接件 " 既保证了焊接件的原长 度 " 同时又依靠焊接件的热涨作用对焊缝区进行加压 % 加 压使焊缝区的大变形程度加大 " 对残余应力的影响比较 小 " 而金相组织的改善 " 使得焊接区的强度和韧性都有很 大的提高 %

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自蔓延焊接由于其流出铁水的速度快 " 温度高 " 热损 失小 " 可以使装甲钢达到再结晶温度 % 尤其加压后 " 使焊 缝区的金相组织发生了明显的改进 " 提高了焊接的强度 " 而从应力分布云图上可以看出 " 其应力场与未加压的情 况改变不大 " 且最大应力改变很小 % 自蔓延焊接的温度场 比较均匀 " 焊接后的强度高 " 满足了焊接的要求 % 自蔓延 焊接与传统的焊接方式比较 " 更适合于无电无气的野外 作业 " 尤 其 对 战 场 环 境 " 其 重 量 轻 " 体 积 小 " 安 全 性 高 " 有 着广阔的军事应用前景 %
) 参考文献 * )& * )+ * )! * )$ * )- * 龚曙光 . /0121 工程应用实例解析 )’ *. 北京 & 机 械工 业出版 社 "+34!. 杜洵 . 连续介质力学引论 )’ *. 北京 & 清华大学出版社 ""56-7 邹正光 . 8)9:,* 复合材料的自蔓延高温合成工 艺及应 用 )’ *. 北 京 & 冶金工业出版社 "+44+. 韦维 . 自 蔓延 高温 合成 焊 接 接 头 形 成 及 断 口 分 析 )’ *. 西 安 & 西 北工大出版社 "+444( 韦维 . 焊接技术 )’ *. 西安 & 西北工大出版社 ; +3337

# 编辑 启 迪 $ !!!!!!!!!! 作者简介 & 陈威 #&)!$* $" 男 " 副教授 " 博士后 " 主要从事自蔓 延高 温合
成技术等方面的研究工作 % 收稿日期 &+33-<4"<4-

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