全文总字数：4755字

1. 研究目的与意义（文献综述）

焊接热裂纹是焊接件中常见的焊接缺陷之一，焊件中出现热裂纹不仅可能会给后续投入使用中带来灾难性的事故，也会对社会和企业产生巨大的经济损失。^[1]新材料设计与开发越来越多样化，对于新材料的工艺要求和使用要求评价需通过焊接性试验来评定。可调拘束试验是一种定量评定材料热裂纹敏感性实验方法，被广泛用于焊接生产过程中，但实际焊件是多种多样的，要对所有焊件进行焊接热裂纹试验，将造成人力、物力和财力上的极大浪费。 随着计算机水平的高速发展和有限元理论的不断提升，为焊接过程的有限元模拟研究提供了非常有效的理论和工具，准确地模拟实际试验中的热裂纹开裂过程，从而更有效地预测和判别材料热裂纹开裂机理，同时通过仿真可以将研究模式转变为“理论-数值模拟-生产”^[2]，制定出合理的工艺方法，节约企业生产成本和社会劳动力，为实际焊接生产技术提供有利的数据支撑。

焊接热裂纹的形成受多种相关因素影响，这些因素主要可分为冶金因素和力学因素两个方面。冶金因素包括如金属的化学成分、凝固行为、晶粒尺寸、低熔共晶的形态和分布等；而力学因素则由焊接构件的拘束条件、材料的热物理参数、力学参数及焊接过程不均匀的温度场等因素所建立的应力应变所决定。^[3]近些年来对于冶金因素方面的研究，如日本 jws 建立的低合金钢 hcs 热裂纹敏感指标、美国的低合金钢hcs 以及奥氏体不锈钢的 hci 指标等，已非常成熟。而对引起热裂纹的力因素主要有两种观点，在拉应力作用下、脆性转变温度区间的沿晶开裂，即基于第一强度理论; 另一种观点以第二强度理论为基础，由横向拉伸应力所引起的内部变形率超过材料延性而致。^[4]从上个世纪 50年代开始，为了更好了解热裂纹的开裂机理和避免热裂纹的产生，各国就先后采用各种实验方法来定量评定材料的热裂纹的敏感性。试验方法主要可分为自应力试验法和外加应力试验法两大类。其中，自应力试验法是抑制材料本身的收缩而使用刚性固定产生变形应力的试验方法，如 fisco试验和 lundin， delong和 spond裂纹弯曲试验，该类方法简单方便，但无法区分冶金因素和力学因素的影响，大多只能作定性评定。而外加应力试验法是通过施加外应力而在焊接区域产生变形应力的方法，该类方法最大的优点是可以区分冶金因素和力学因的影响，且各参数均独立可变可对试验材料的抗裂性进行定量评定。外加应力裂纹试验方法主要包括:可调拘束试验、pvr试验和 sigmajig试验等。^[5]可调拘束试验的原理是在焊缝凝固后期施加一定的应变，当外加的应变值在某一温度下超过焊缝或热影响区金属的塑形变形能力时，就会出现热裂纹从而可以比较热裂纹敏感性，其可分为横向和纵向可调拘束试验。该试验除了能测得比较直观的反映材料热裂纹敏感性的裂纹总长度，条数等参数外，还能定量地测出材料产生裂纹的临界应变量，脆性温度区间 (btr)，在btr内的塑性变形能力一凝固塑性曲线，以及产生热裂纹的临界应变速率等定量参数。这些参数的确定有利于进一步研究热裂纹的形成机理、影响因素和防止措施。^[6]

近些年来对于焊接热裂纹的数值模拟研究进展也与冶金方面和力学方面相关。冶金方面数值模拟方面有学者提出建立奥氏体不锈钢焊接凝固裂纹预测的计算策略，建立阶梯模型，并分析其在焊接凝固裂纹预测过程中的数值稳定性和收敛性，其研究表明证所建立的优化阶梯模型用于焊接凝固裂纹敏感性预测的有效性，其误差为30％左右^[7]；在力学因素数值模拟方面，焊接热裂纹的出现多是和焊接过程中不均匀的温度场和应力场有关。焊接温度场的计算精度很大程度上取决于焊接热源模型是否选取适当，尤其是对于靠近焊接热源的高温区温度分布具有较大的影响。分布式热源在一定的范围内按高斯分布的函数形式，是比线热源和点热源更接近实际结果的一种热源函数。电弧焊热过程的模拟研究中通常采用高斯热源和双椭球热源模型。哈尔滨工业大学的研究人员对电弧焊常用的热源模型进行了系统的总结及应用分析^[8]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

在有限元软件ansys上建立奥氏体不锈钢板tig焊不同应变条件下进行可调拘束热裂纹试验的模型。对建立的模型完成模拟实验后的结果进行温度场分布和应力分布分析，研究在热裂纹形成温度区间，热裂纹形成与外加应变量以及应力参量之间关系，研究判断热裂纹的形成机理以及焊接性试验的存在必要性。

2.2 研究目标

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，确定技术方案，并完成开题报告。

第4－7周：按照设计方案，学习相关软件，完成模型建立。

第8－11周：完成程序设计、计算与调试，研究结果的初步分析和完善。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]张文钺主编.焊接冶金学基本原理[m].北京：机械工业出版社.1995.

[2]佘律波,王少刚,魏艳红.焊接过程多场耦合模拟研究进展[j].航空制造技术,2017(15):64-69.

[3]董志波,魏艳红,刘仁培.焊接凝固裂纹数值模拟的研究及其进展[j].焊接,2005(11):19-23.