316L/Q345异种钢钢管焊接数值模拟研究开题报告

1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

316L/Q345异种钢钢管焊接数值模拟研究

1、课题研究的意义及背景

现代工业不断发展，对零部件的性能也提出了更高的要求，任何一种金属材料都不可能全面满足使用要求，即使某种金属比较理想，也往往会导致成本过高而不能广泛应用于工程建设中。随着焊接技术的发展，现已经可以将不同性能的材料焊接成复合零部件，这样即可节约贵重材料也可以满足各种性能要求。

不锈钢与碳钢的异种钢焊接构件在石油钻采、油气输送及原油炼化等行业中应用越来越广。它既具有不锈钢较强的耐腐蚀性,又有碳钢的经济性。其中,316L不锈钢与Q345碳钢的异种钢焊接在结构设计与制造中经常被采用。

316L是一种不锈钢材料牌号，我国的标准牌号为022Cr17Ni12Mo2（新标），旧牌号为00Cr17Ni14Mo2。316L因其优异的耐腐蚀性在化工行业有着广泛的应用，316L也是属于18-8型奥氏体不锈钢的衍生钢种[]。其化学成分见表1，常温下力学性能见表2。316L钢的主要物理性能数据见表3。

表1：316L化学成分[]

表2：316L的常温力学性能[3]

表3：316L钢的物理性能[4]

316L应用广泛，该钢种的使用性能具有以下优点：

1.优良的耐候性，长时间使用无老化、劣化现象，无由老化产生的裂纹及脱皮现象。2.优良的耐热性，耐温316L不锈钢管产品可在-193到350摄氏度的温度范围使用，耐高温材质的产品则具有更大的耐温范围。3.高耐压性，由于316L不锈钢管管体采用高品质不锈钢，内径10mm的软管可承受20Mpa的压力；内径300mm的软管可承受1Mpa的压力。4.长寿命，改善后的环形系列不锈钢管反复弯曲时的疲劳寿命是标准品的4倍以上。5.品质稳定，适宜的质量保证及管理体系的确立，使产品的质量稳定可靠。6.最小弯曲半径，与直线状配管保持相同的压力性能时，带网的钢管总成所能允许的最小弯曲半径。

Q345钢是老牌号的12MnV、14MnNb、18Nb、16MnRE、16Mn等多个钢种的替代，而并非仅替代16Mn钢一种材料.Q345钢的主要组成元素比例与16Mn钢基本相同，区别是增加了V、Ti等微量合金元素。少量的V、Ti等合金元素能细化晶粒，提高钢的韧性，钢的综合机械性能得到较大提高[5].其化学成分见表4，常温下力学性能见表5。

表1：Q345化学成分[6]

表2：Q345的常温力学性能[7]

Q345钢是低合金高强度钢的典型钢种,具有低合金高强度钢在化学成分、强度、塑韧性及成型性能等方面的优点,综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，热轧或正火状态使用，可用于-40℃以上寒冷地区的各种结构。

由于化学成分、热膨胀系数的不同以及碳的迁移等原因，异种材料的焊接比同种材料的焊接具有更大的挑战。熔合线附近会发生碳迁移使接头劣化；异种材料物理性能较大的差异导致构件产生较大的残余应力等问题仍需要解决。近年来，为在异种金属焊接中获得高质量的焊接接头，国内外学者从焊接工艺等方面对异种钢焊接做了大量研究,然而，对Q345/316L异种钢焊接的研究比较少。但由于其焊接性较差，因此对期焊接工艺进行深入的研究十分必要。

2、316L/Q345异种钢焊接国内外研究进展

异种钢在化学成分、组织结构以及理化性能等方面存在明显的差异，因此，异种钢

焊接无论是焊接原理还是操作技术都比同种钢的焊接要复杂得多，异种钢焊接的主要困

难有[8]:

(1)异种钢的熔点相差越大，焊接越困难。

(2)异种钢的线膨胀系数相差越大，焊接越困难。

(3)异种钢的热导率和比热容也是影响焊接质量的重要因素。

(4)异种钢的合金成分含量相差越大，焊接性越差。

(5)异种钢之间形成的金属间化合物愈多，其焊接性往往越差。

针对异种钢焊接工艺国内外学者开展了大量研究工作。宋明远[9]选用H1Cr24Ni13

焊丝，通过设计不同坡口角度和根部间隙，采用全氢弧焊接方法，获得了满足性能要求

的1Cr18Ni9Ti不锈钢/20R碳钢异种钢焊接接头。Carbucicchio[10]采用电子束焊和激光焊接方法对316/304和20CrMn4/304两组异种钢进行焊接试验。通过焊接性能对比分析得出焊缝熔化量决定于辐射条件，并据此给出了合理的入射光强度和速度等参数值。Zheng采用激光焊接方法，对比采用镍基焊材与普通焊材作为填充材料焊接的OCr18Ni11Nb/13CrMo44异种钢焊接接头的组织性能，表明采用镍基焊材作为填充材料可减小焊接接头的脆硬区。章友谊采用自动TIG焊，选用不同的焊接电流，对35CrMoA S275NL异种钢进行焊接。结果表明，焊接电流对热影响区的显微组织影响较小，但对焊缝金属中碳化物的大小及分布状态有较大影响;焊接电流为1OOA时，焊缝金属中的碳化物细小且分布均匀，其显微硬度分布也比较合理。

为获得性能优良的异种钢焊焊接接头，可采用如下工艺措施:

(1)尽量缩短焊接母材液态停留时间，防止或减少金属间化合物的生成;熔焊时，

可以将热源更多的热量传输给熔点高的母材，避免将过多的热量传递给低熔点母材，从

而通过调节输热量来调整加热和接触时间。

(2)采用与两种焊接母材都能很好焊接的中间过渡层，以防止生成金属间化合物。

焊缝中加入某些合金元素，以阻止金属间化合物相的产生和增长。焊接时要加强被焊材

料的保护，防止或减少周围空气的侵入。

(3)为了消除焊后残余应力，焊接后进行一定时间的热处理。异种钢焊接焊后热处

理的目的主要是降低应力腐蚀敏感性、消除残余应力、软化热影响区和提高焊接接头的

塑性和韧性。

焊接方法：

将两种板材坡口及两侧用丙酮清洗干净，电弧弧长控制在3～5mm，作小幅的横向摆动以使坡口两侧充分熔化。在焊接过程中及时打磨钨极(准1.6mm)端部并调整钨极伸出长度，焊完一层焊道时，自然冷却至100℃左右再开始下一层焊道焊接，焊接示意图如图1所示。

焊接过程是一种特殊的金属冶炼过程，由于焊接工艺选择、焊材匹配等存在不合理，可能导致焊接接头的组织性能不能达到使用要求，往往通过焊后热处理可以使焊接接头的组织性能得到改善。焊后热处理可以改善组织，提高焊缝的塑性，使氢逸出，消除焊接残余应力，降低应力腐蚀敏感性，软化热影响区。

3.焊接过程数值模拟研究现状

焊接是一个局部快速加热到高温,并随后快速冷却的过程。焊接过程涉及电磁、传

热、金属溶化与凝固、相变、应力和变形等诸多问题,是一个极其复杂的过程,给焊接

过程的数值模拟带来很大困难。但国内外学者在这方面做了许多工作,获得大量理论

成果,并且计算机技术和数值模拟的结合,为辉接过程数值模拟提供了极大的方便。

1939年,Rosenthal提出了点状移动热源传热方程。随后,H.H.Rykali建立了焊接传热学基本理论,并对焊接动态热过程进行了解析求解。他们的研究前提是:热源集中于一点、一线或一面;材料不发生相变;材料的物理参数不随温度而变化等。1976年,Krutzy用有限元数值模拟方法建立了二维焊接温度场的计算模型,并考虑了相变潜热、辐射和对流等问题,为其后焊接温度场及应力场模拟奠定了基础。1984年,Goldak提出一种新的择接热源模型,认为焊接空间能量密度服从高斯分布,该模型清楚地给出了熔化焊能量密度分布情况,并试图将媒接电流、电压、焊接速度和焊丝直径等参数与模型中的有关参数联系起来,使焊接热源的模拟更符合实际,计算精度得到进一步提高。2000年,Ronda等用统一方法推导了相变规律和相变塑性,建立了TMM模型,并形成了系统理论。该模型不仅研究了温度变化对相变的影响,而且还研究了应力应变对相变的影响,是应用有限元方法对焊接过程进行虚拟分析的成功技术。

近年来,Gareth等研究了多种爆接结构的热模拟,考虑了溶池中的流体动力学以及传热情况,利用CFD和CSM两种情况对筒体对焊接的温度场分布进行了有限元分析。

Farmgia等利用Abaqus软件模拟厚板埋弧焊的焊接热过程,比较分析了二维和三维有

限元模拟的计算结果,以及不同焊接工艺参数和焊接接头的几何形状对焊接结果的影

响,并与试验相比较,成功预测了焊接温度场的分布。

在国内,唐慕尧等在1981首先用有限元法计算了薄板准稳态焊接温度场;之后,

陈楚等提出了求解非线性热传导方程的变步长外推法,建立了焊接温度场的有限元计

算模型和相应的计算机程序。武传松等考虑溶池中液态金属以对流为主的传热和溶池外部固体金属以热传导为主的传热过程,采用流函数/涡流法建立了固定时刻TIG焊接

溶池内部流体流动状态及传热过程的数学模型。

近几年来,随着计算机技术的发展,大型焊接软件在焊接有限元模拟的应用上取得

了一定成果。陈翠欣应用Syswdd有限元计算软件,对低合金结构钢堆焊接温度场进行了三维动态研究;张华军应用Marc软件对摆动焊接过程进行了三维温度场模拟;雷

玉成运用Ansys有限元分析软件对二维稳态下轴对称的、氧氮混合气体保护的TIG焊接电弧进行了数值分析;这些软件模拟结果均能很好的符合实测结果。

4.ANSYS软件介绍

Ansys软件是一款功能强大的通用有限元分析软件，熔合结构、热、流体、电磁和

声学分析于一体，具有多物理场祸合分析的功能，前处理界面友好，求解高效精确，后

处理功能完善。

Ansys的热分析模块是对焊接过程的瞬态温度场进行模拟，该模块主要用于系统的温度分布及其它热物理参数的计算。Ansys进行热分析主要有两种类型，稳态分析和瞬态分析。不随时间变化的热载荷作用下的温度场计算为稳态分析;随时间变化的温度场及其各种参数的计算为瞬态热分析。焊接温度场随时间变化，为瞬态分析。

Ansys数值模拟主要有三个步骤:(1)前处理。包括定义单元类型、确定材料热物理

属性、创建几何模型、网格划分生成有限元模型;(2)加载及求解。包括定义分析类型、确定初始条件、设定载荷步选项、求解运算;(3)后处理。包括即通用后处理和时间历程后处理，通用后处理可以输出模型在某一时刻的结果数据:时间历程后处理则可以输出模型中某一点随时间的变化结果。

4、课题研究内容及技术路线

此课题就旨在用ANSYS软件建立316L/Q345异种钢焊接有限元模型，模拟过程中考虑焊接过程中材料非线性、结构非线性和焊接能量高度集中的特点，同时使用单元生死技术来模拟焊接熔敷金属的填充，从而实现316L/Q345异种钢焊接过程数字化，使焊接过程中应力和温度具象化。得到316L/Q345异种钢的焊接热循环曲线以及残余应力场的模拟分析结果。

技术路线

1、查阅国内外文献，了解316L/Q345异种材料的焊接研究进展，发现目前316L/Q345异种焊接研究存在的不足；

2、查阅相关资料，查出316L/Q345材料的不同温度下的力学性能及热物理性能，包括泊松比、密度、弹性模量，硬化指数、热膨胀系数、比热容、热导率等。

3、学会安装ANSYS软件，熟悉其基本操作；

4、建立316L/Q345管道焊接的三维有限元模型，划分网格，并杀死焊缝区单元。

5、实验焊接热源的实施，焊接热源采用高斯热源模型，通过将高斯热源分布到单元上来实现加载过程，焊接过程中，对焊接区的熔敷金属实现填充过程。

6、计算焊接温度场，并利用顺序耦合方式实现焊接应力场计算。

7、分析数值模拟计算结果，得出不同点的焊接热循环及不同路径上的焊接残余应力分布。

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