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磁控轧辊埋弧堆焊热源的数值模拟及实验研究

作　者: 唐清华
导　师: 杭争翔；常云龙
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 埋弧堆焊数值模拟温度场应力场残余应力
分类号: TG455
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

由于埋弧堆焊技术具有设备投资少,工艺上容易实现,堆焊成本低等优点,许多国家已采用埋弧堆焊技术进行轧辊的修复。针对埋弧堆焊过程中,堆焊层容易出现柱状晶晶粒粗大问题,尤其是多层堆焊时柱状晶将产生较大危害,降低抗裂性能。因此本课题在堆焊热源方面开展了数值模拟及实验研究。随着计算机技术的发展,焊接数值模拟已经可以为实际堆焊提供优化的堆焊工艺参数。通过计算机建立模型,输入工艺参数后通过分析得到堆焊温度场、应力场分布图,并可以查看内部各节点的温度和应力的分布。当焊接电压U=30V、焊接电流I=340A、焊接速度V=397mm/min、激磁电流I=270A、磁场频率f=5Hz时焊接应力最小。焊接属于局部高温加热,热量集中在焊缝附近,较高的温度梯度导致较大的残余应力。焊后残余应力是导致裂纹影响强度的重要因素,因此采用这组最优参数进行实验。为了提高焊缝成形和焊接质量,本文将低频磁场引入到轧辊埋弧堆焊过程中,针对埋弧焊过程中,焊接电流和熔池体积大,持续时间较长的特点,对原有电磁搅拌装置进行改进,增大输出功率,拓宽磁场参数调节范围,改进后的电磁搅拌装置能够满足埋弧堆焊的要求。通过电磁搅拌作用改变焊缝熔池和熔滴过渡形式,改善焊接工艺,提高了堆焊层性能。通过实验验证当焊接电流I=340A、焊接速度V=397mm/min、激磁电流I=270A、磁场频率f=5Hz时硬度达到最大,此时堆焊层组织得到了显著的细化效果,打乱了柱状晶的方向性。同时对焊缝形貌进行验证,得到了与模拟较吻合的实验结果。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-17
  1.1 本课题研究背景  10-12
  1.2 磁场作用下的埋弧焊  12-13
  1.3 焊接过程的数值模拟研究进展  13-15
    1.3.1 焊接温度场的数值模拟研究现状  13-14
    1.3.2 焊接应力场的数值模拟研究现状  14-15
  1.4 本文研究内容  15-16
  1.5 本课题研究的意义  16-17
第二章焊接有限元分析的理论基础  17-30
  2.1 有限单元法  17
  2.2 ABAQUS 有限元软件简介  17-18
  2.3 焊接过程中有限元的分析特点  18
  2.4 焊接温度场的分析理论  18-23
    2.4.1 传热学经典理论  18-19
    2.4.2 热传递的方式  19-20
    2.4.3 导热问题的数学描述  20-22
    2.4.4 稳态传热过程  22
    2.4.5 瞬态传热过程  22
    2.4.6 线性与非线性  22-23
  2.5 焊接过程应力场计算的控制方程  23-26
  2.6 国内外对于焊接热源模型的研究现状  26-30
    2.6.1 高斯热源模型  27
    2.6.2 分段移动热源模式  27-28
    2.6.3 半椭球体热源模型和椭球型热源模型  28
    2.6.4 双椭球热源模型  28-29
    2.6.5 生死单元热源加载  29-30
第三章轧辊温度场和应力场数值模拟  30-34
  3.1 几何模型的建立  30-31
  3.2 材料属性  31
  3.3 单元类型的选取及网格划分  31-32
  3.4 边界条件的设定  32-34
第四章数值模拟焊接温度场和应力场结果讨论与分析  34-43
  4.1 温度场结果讨论  34-39
  4.2 应力场结果讨论  39-43
    4.2.1 垂直于焊缝方向轴向残余应力的分布  41-42
    4.2.2 垂直于焊缝方向周向残余应力的分布  42-43
第五章焊接工艺实验  43-55
  5.1 激磁线圈尺寸的设计  43-45
  5.2 磁头结构的设计  45-48
    5.2.1 磁芯设计  45-46
    5.2.2 磁头冷却设计  46-47
    5.2.3 磁头绝缘设计  47-48
  5.3 磁头的安装  48-49
  5.4 工艺实验条件  49-51
  5.5 实验方法及设备  51-55
    5.5.1 磁场发生装置  51
    5.5.2 实验前的准备及设备  51-52
    5.5.3 焊缝组织的宏观分析  52
    5.5.4 金相实验及其对组织影响  52-54
    5.5.5 硬度实验及结果分析  54-55
第六章结论  55-56
参考文献  56-59
在学研究成果  59-60
致谢  60

磁控轧辊埋弧堆焊热源的数值模拟及实验研究

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