ANSYS焊缝的残余应力及温度场分析+CAD图纸(4)

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焊缝是指焊件经焊接后所形成的结合部分，即填充金属与熔化的母材凝固后形成的区域。焊缝区在冷却过程中以熔合线上局部半熔化的晶粒为核心向内生长，生长方向为散热最快方向，最终成长为柱状晶粒。晶粒前沿伸展到焊缝中心，呈柱状铸态组织，此种结晶方式称为联生结晶。联生结晶过程使化学成分和杂质易在焊缝中心区产生偏析，引起焊缝金属力学性能下降，因此焊接时要以适当摆动和渗合金等方式加以改善。焊缝形式分为:对接焊缝、角焊缝、塞焊缝、槽焊缝和端接焊缝。

熔合区是焊接接头中焊缝金属向热影响区过渡的区域。该区很窄，两侧分别为经过完全熔化的焊缝区和完全不熔化的热影响区。熔合区的加热温度在合金的固-液相线之间。熔合区具有明显的化学不均匀性，从而引起组织不均匀，其组织特征为少量铸态组织和粗大的过热组织，因而塑性差，强度低，脆性大，易产生焊接裂纹和脆性断裂，是焊接接头最薄弱的环节之一。

热影响区是焊缝两侧因焊接热作用没有熔化但发生金相组织变化和力学性能变化的区域。根据热影响区内各点受热情况的不同，热影响区可分为过热区、正火区和部分相变区。

（1）过热区是指热影响区内具有过热组织或晶粒显著粗大的区域。其加热温度为AC3以上100-200℃至固相线之间。该区内奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，因此塑性和韧性差，也是焊接接头的一个薄弱环节。对易淬火硬化材料，该区的脆性会更大。

（2）正火区是指热影响区内相当于受到正火热处理的区域。加热温度为AC3至AC3+（100-200）℃之间。此温度区间与正火温度区间相同，金属完全发生重结晶，冷却后为均匀而细小的正火组织，力学性能明显改善，该区是焊接接头中组织和性能最好的区域。

（3）部分相变区是指热影响区内组织发生部分转变的区域。加热温度在AC1至AC3之间。该区内的热温度在珠光体和部分铁素体发生重结晶，使晶粒细化，而另一部分铁素体来不及转变，冷却后成为粗大的铁素体与细晶粒珠光体的混合组织。由于晶粒大小不一，故该区力学性能较差。

1.2 焊接应力与变形

焊接时发生应力和变形的原因是焊件受到不均匀加热，并且，加热所引起的热变形和组织变形受到焊件本身刚度的约束。在焊接过程中所发生的应力和变形被称为暂态或瞬态的应力变形，而在焊接完毕和构件完全冷却后残留的应力和变形，称之为残余或剩余的应力变形。

焊接应力和变形是直接影响焊接结构性能源Z自+751+文/论^文]网[www.751com.cn、安全可靠性和制造工艺性的重要因素。它会导致在焊接接头中产生冷、热裂纹等缺陷，在一定的条件下还会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度有不利的影响。在构件制造过程中，焊接变形往往引起正常工艺流程中断，在某种程度上还会影响焊接结构的承载能力和服役寿命。因此掌握焊接应力与变形的规律，了解其作用与影响，采取措施控制与消除，对于焊接结构的完整性设计和制造工艺方法的选择以及运行中的安全评定都有重要意义。

1.2.1 引起焊接应力与变形的机理及影响因素

焊接时焊件受到不均匀加热并使焊缝区熔化，与焊接熔池毗邻的高温区材料的热膨胀系数受到周围冷态材料的制约，产生不均匀的压缩塑性变形。在冷却过程中，已经发生压缩塑性变形的这部分材料（如长焊缝两侧）同样受到周围金属的制约而不能自由收缩，并在一定程度上受到拉伸而卸载。与此同时，熔池凝固，焊缝金属冷却收缩也应受到制约而产生收缩拉应力和变形。这样，在焊接接头区域就产生了缩短的不协调应变，即残余应变。