论文总字数：27362字

摘 要

不锈钢作为社会上使用的钢材中重要的组成部分，由于其具有良好的焊接性、耐热性以及耐腐蚀性，在工业、建筑业及日常生活中被广泛应用。采用数值模拟的方法对不锈钢焊接过程进行分析，可以直观地观察到温度场与焊接应力变形的结果，很大程度上节约了人力、物力和时间，为确定最佳的焊接工艺规范提供了保障。

本文以不锈钢中应用最广泛的304不锈钢作为研究对象，建立了不锈钢平板对接的有限元模型，查阅文献得到304不锈钢的热物理参数，包括比热容、导热系数、表面传热系数等，选用SOLID70单元对有限元模型进行映射网格划分。为了减少计算工作量，选用较为简洁的均匀体热源作为焊接热源，运用生死单元技术，求解得到不锈钢薄板温度场及应力变形场的分布情况。

本文通过数值模拟技术，根据分析结果研究不锈钢薄板的焊接特点，为不锈钢薄板的焊接工艺优化和焊接质量的提高提供数据参考，为不锈钢薄板焊接的实际生产过程提供建议，具有一定理论和现实意义。

关键词：304不锈钢；平板对接；数值模拟；温度场；焊接应力与变形

Abstract

Stainless steel is an important component of steel used in society. Because of its good weldability, heat resistance and corrosion resistance, stainless steel is widely used in industry, construction and daily life. Studying the characteristics of the welding process of stainless steel components is an indispensable part of the current stainless steel industry chain. Welding is a complicated process. The numerical simulation method is used to analyze the welding process. The results of the temperature field and welding stress and deformation can be visually observed, which greatly saves manpower, material resources and time. The process specification provides a guarantee.

In this paper, the most widely used stainless steel is 304 stainless steel as the research object, a finite element model of stainless steel flat plate butt is established, and the thermal physical parameters of 304 stainless steel, including specific heat capacity, thermal conductivity, surface heat transfer coefficient, etc. The finite element model is used to map the grid. In order to reduce the calculation workload, a relatively simple homogeneous body heat source is used as the welding heat source, and the distribution of the temperature field and stress deformation field of the stainless steel sheet is solved by using the life and death element technology.

This paper uses numerical simulation technology to study the welding characteristics of stainless steel sheets according to the analysis results, provides data references for the optimization of welding process and welding quality of stainless steel sheets, and provides suggestions for the actual production process of stainless steel sheet welding. It has certain theoretical and practical significance.

Key Words：304 stainless steel；butt plates welding；numerical simulation；temperature field；strain field

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外相关研究现状 2

1.3 研究目标与研究内容 3

1.4 本文的组织结构 4

第2章 不锈钢薄板有限元模型的建立 6

2.1 基本假设 6

2.2 几何模型的建立 6

2.3 材料特性参数的确定 8

2.4 单元类型的选择 9

2.5 网格划分 11

2.6 生死单元技术 12

2.7 焊接热源模型的选择 13

2.8 焊接参数的设定 14

第3章 不锈钢薄板焊接温度场仿真与分析 1

3.1 焊接温度场仿真分析的理论基础 1

3.1.1 焊接过程中的热传播 1

3.1.2 边界条件 2

3.2 焊接温度场仿真过程 2

3.3 焊接温度场仿真结果与分析 5

第4章 钢结构立柱焊接应力变形仿真与分析 14

4.1 焊接应力变形仿真分析的理论基础 14

4.1.1 屈服准则 14

4.1.2 强化模型 14

4.2 焊接应力变形仿真过程 15

4.2.1 热-结构分析方法 15

4.2.2 约束条件 16

4.3 焊接应力变形仿真结果与分析 16

4.3.1 焊接变形结果与分析 16

4.3.2 焊接应力结果与分析 18

第5章 总结与展望 1

5.1 总结 1

5.2 展望 2

参考文献 3

致 谢 5

附录1 6

附录2 7

绪论

研究背景和意义

不锈钢是指高度合金化的钢种，可以抵抗水、空气和某些轻度腐蚀环境的腐蚀[^[1]]。不锈钢具有很多优良的特性，例如可焊接性、高强度、易加工性、抗腐蚀性等等，在汽车、能源、机械、仪表等工业及建筑装饰方面得到了广泛的应用[^[2]]。21世纪初，中国的不锈钢消耗量已经达到世界首位[^[3]]。不锈钢的种类有很多，根据其材料性能的不同和使用需求的差异，各自适用于不同的领域。目前主要根据不锈钢组织状态的不同, 将不锈钢分为5种[^[4]]。其中，奥氏体不锈钢具有稳定的奥氏体组织，没有磁性而且具有高韧性和塑性，冷热加工性能好，焊接性高，在实际生活中应用最为广泛[^[5]]。因此本文以实际生活中应用较为广泛的304不锈钢作为研究对象，分析其焊接工艺性能，为不锈钢焊接工艺规范提供参考。

随着科学技术的不断进步，轻量化发展需求日益提高，对0.2-4mm范围不锈钢薄板的需求也日益增加[^[6]]。焊接作为目前连接金属的主要方式之一，形成的焊接构件相较于其它连接方法质量优秀、性能优异。但是由于焊接过程包含多种物理现象，十分复杂，很难准确地把握产品的质量。一般来说，这种质量问题可以从温度场、焊接应力变形场以及显微组织状态场这三个方面概括[^[7]]。他们之间的关系如图1所示。

而本文所用的奥氏体不锈钢属于面心立方晶格结构，具有良好的加工性能，难以形成淬火硬化和冷裂纹[^[8]]。实际的不锈钢薄板焊接时，由于不锈钢的导热系数和线膨胀系数都比较小，再加上板的厚度不大，焊接过程中很容易产生较大的变形，故需要选择一个恰当的焊接方法来减小变形[^[9]]。目前焊接不锈钢薄板的方法主要有TIG焊、SMAW、FCAW和LBW等[^[10]]。其中，钨极氩弧焊具有焊缝接头质量高、焊缝热影响区域较小、焊缝成型美观、焊接变形小、生产率高、容易实现自动化等多种优点，广泛用于不锈钢薄板的焊接。此外，为了减少焊件变形和焊缝中的缺陷如气孔等，对于3mm以下的不锈钢薄板的焊接，焊接速度应取较大值，但焊速不易太大，否则会形成未焊透等缺陷。

传统的研究方法是通过大量的试验来确定焊接工艺数据，从而控制焊接过程，所需要花费的成本很高，试验时间也很长，而且，实际焊接的过程还存在着飞溅、烟尘等问题，容易危害到操作人员的人身安全，对健康造成不利影响，因此很难通过试验全方面地了解和研究焊接过程。而本文摒弃了传统方法，采用了

图1 显微组织转变对焊接性的影响

数值模拟技术，顺应计算机技术的普及，基于有限元分析中应用较为广泛的ANSYS软件建立几何模型，采用合适的热源模型对整个焊接过程进行分析，可以有效控制工艺参数，同时缩短了试验周期，提高了工作效率[^[11]]。此外，整个课题研究过程使用到的仪器和材料等只有计算机，不会对环境造成污染，方便快捷，在一定程度上加快了国内关于不锈钢焊接过程的研究进程。

因此，本文针对2mm厚的304不锈钢薄板，采用钨极氩弧焊的焊接方法，运用ANSYS软件，对不锈钢薄板的焊接过程进行模拟，分析其焊接性能。

国内外相关研究现状

近 10 年来 , 随着先进制造系统的高速发展，焊接数值模拟技术也在大量的试验研究下突飞猛进[^[12]]。目前，国内方面，刘坡等采用COMSOL软件，研究1.8 mm 厚异种不锈钢板搅拌摩擦焊对接焊的焊接过程特点，根据温度场的分布情况分析，发现随着搅拌头旋转速度的不断增加，热源中心的峰值温度也随之升高，而随着行进速度增加，热源中心的峰值温度反而降低[^[13]]。孙雪娇等人以Q345低碳钢为研究对象，采用 ANSYS 数值模拟软件，研究分析其T型焊焊接过程中温度场及应力场的变化规律，为继续研究该领域的工作者提供参考[^[14]]。叶庆丰运用相关数值模拟软件，对0.5mm厚不锈钢板激光焊接过程进行模拟仿真，研究其焊接过程的特点，同时采用正交实验，分析确定了超薄不锈钢激光焊的最佳焊接工艺[^[15]]。朱志明等人根据近年来数值模拟技术在焊接领域的各种应用，分析了仿真分析中所采用的不同热源模型的特点及适用范围，为后续研究者选择合适的热源模型提供理论上的参考，加快了数值模拟技术在焊接领域的研究进展[^[16]]。

国外方面，关于数值模拟的研究也有着重大的进展。J.M. Lee等人提出了一种使用标量输入变量来预测大型结构焊接角度畸变的有效方法，该方法不受焊接区域附近网格尺寸的限制，易于应用，仅需测量单位焊接试样的变形率和用户设计的网格系统即可进行焊接变形分析，可以有效预测焊接角度畸变[^[17]]。D.Venkatkumar等人采用3D有限元数值技术对304不锈钢对接焊缝的热力学行为进行了分析，采用热弹塑性大位移理论对残余应力进行了数值模拟。研究了焊接热输入对单道V形坡口对接气体保护钨极电弧焊引起的温度和残余应力的影响，结果表明，焊接输入强烈影响焊缝和残余应力的评估[^[18]]。Karlo Seles等人提出了一种有效的有限元程序，基于规定的温度方法，使用称为Abaqus焊接界面的Abaqus扩展的某些功能来预测大型结构中焊接引起的残余应力和变形，发现使用新方法后计算效率得到了显著提高[^[19]]。Yupiter H.P. Manurung等人以低锰碳钢S3355J2G3为标本材料，并以Goldak的双椭球体为热源模型，基于SYSWELD 2010中的Multipass Welding Advisor（MWA），对组合的几何形状的标本进行了建模和仿真，确定了与“从内到外”相比，焊接顺序“从外到内”引起的角度变形较小[^[20]]。Suo Li等人开发了一种基于SYSWELD软件的热冶金力学有限元方法（FEM），计算出了P92钢接头单道次，双道次和四道次焊接接头的焊接残余应力分布，通过实验测量验证了所开发的计算方法的有效性[^[21]]。

研究目标与研究内容

本文根据不锈钢薄板对接接头焊接过程的特点，利用ANSYS软件建立304不锈钢薄板TIG焊对接接头的有限元模型，根据运算结果得到温度场和焊接应力变形场，研究焊接变形和残余应力的分布特点；通过设置对照组进行分析，改变焊接工艺参数，得出合适的工艺规范，实现对不锈钢薄板对接接头焊接过程的数值模拟，有助于焊接工艺的优化和焊接质量的提高，为后续人研究不锈钢薄板焊接接头的力学性能提供参考。主要研究内容如下：

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