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摘 要

Q345钢塑性和焊接性良好，304L不锈钢耐腐蚀性高，加工性能好。本文基于ANSYS软件，选用高斯热源分布，建立了Q345和304L异种钢焊接接头有限元模型，并且对温度场和应力场都进行了研究。本文的主要研究内容及结论如下：

(1) 焊接熔池外围的等温线大致呈现卵形分布。在焊接接头上最高温度约为2221℃，焊接冷却到时间390s时，焊缝中心区域的温度约为220℃，热源温度场的分布也较均匀，温度分布较为合理。

(2) 对于路径Ⅰ，当焊接20s时间时，最高温度大约有2046℃，焊接390s时间时，温度基本稳定在约224℃。沿x方向的应力最大约为112MPa；沿y方向的最大约203MPa，最大Mises应力可以达到232MPa；最小Mises应力约为100MPa。

(3) 对于路径Ⅱ，焊接时间60s时最高温度约2221℃；焊接时间390s时，温度基本稳定在约221℃。沿x方向的最大应力约为131MPa，最小约-66MPa；沿y方向的最大应力约为268MPa，最小约-221MPa；最大Mises应力达244MPa，最小为100MPa。

关键词：Q345钢 304L不锈钢 ANSYS软件 数值模拟

Study on numerical simulation of Q345 and 304L dissimilar steels welding

ABSTRACT

Q345 steel has a good plasticity and weldability. 304L stainless steel has a high corrosion resistance and good processing performance. Based on ANSYS software, the finite element model of Q345 and 304L dissimilar steel MIG welded joints was established by the heat source model of Gauss distribution. The temperature field and the stress field were studied. The main research contents and conclusions are as follows:

1. The peripheral isotherms of the weld pool are oval. The highest temperature of the joint is about 2221℃. Weld center zone is about 220℃ after 390s. Meanwhile, the heat source temperature is uniform, and the temperature distribution is reasonable.
2. For path I, the highest temperature on weld is about 2046℃ at 20s, the temperature is about 224℃ after 390 s. The stress in X direction is about 112 MPa, For about 203 MPa in Y direction, and up to 232 MPa for the maximum Mises stress. The minimum Mises stress is about 100 MPa.
3. For path II, the highest temperature is about 2221℃ at 60 s, and the temperature steady at about 221℃ after 390s. The maximum stress in the X direction is about 131 MPa, the minimum stress is -66 MPa. The maximum stress in the Y direction is about 268 MPa, the minimum stress is -221 MPa. The maximum Mises stress is about 244 MPa, the minimum stress is 100 MPa.

Keywords: Q345; 304L; ANSYS software; Numerical simulation

目 录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪 论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 异种钢焊接技术分析 1

1.2.1稀释 1

1.2.2碳迁移 1

1.2.3焊接区的力学性能及应力／应变状态分析 1

1.2.4异种金属焊接与热处理 2

1.3 Q345钢焊接性分析 2

1.4 304L不钢焊接性分析 3

1.5 Q345和304L异种钢的焊接工艺 4

1.6 本课题的研究内容与方法 5

第二章 Q345和304L异种钢焊接基础及有限元模型建立 6

2.1有限元分析的理论基础 6

2.1.1焊接过程数值模拟研究 6

2.1.2焊接温度场数值模拟研究 6

2.2焊接温度场理论 6

2.3焊接热源模型 7

2.4Q345钢及304L不锈钢的属性 8

2.5Newton-Rephson平衡迭代 8

2.6子步数与时间步长 9

2.7耦合场计算 10

2.8有限元分析模型的建立及网格划分 10

2.8.1模型建立 10

2.8.2网格划分 11

2.9位移边界条件 13

第三章 焊接数值模拟结果分析 14

3.1焊接温度场的计算结果 14

3.1.1不同时刻温度场云图 14

3.1.2焊接温度的热循环 16

3.1.3温度场分布曲线 17

3.2焊接接头应力场计算分析 21

3.2.1不同时刻的应力云图 21

3.2.2焊接应力的热循环 22

3.2.3应力分布曲线 24

第四章 结论 29

参考文献 30

致 谢 32

第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

进入新世纪，随着科技和工业水平的不断发展，具有优异性能的新结构、新材料快速得到开发和应用。可以通过将两种或以上的金属结构，采用一定的加工工艺来进行连接并且能够构成一个完整的且具有一定实用功能的结构的工艺也开始逐渐地发展起来了。这种连接结构不仅能够节约金属用料，而且还能够降低结构整体的成本，并且充分发挥出不同材料在性能上面的优势。所以，异种材料焊接技术具有广阔的应用前景，越来越受到人们的关注。国内外许多学者专家对不锈钢与碳钢的焊接性做出了大量的研究 。宋明远^[1]学者通过分析1Cr18Ni9Ti钢与20R碳钢的焊接性，利用H1Cr24Ni13作为焊接时的焊丝，采用全氩弧焊接的方式，设计出了不同的根部间隙和坡口角度，严格遵守焊接工艺规程PQR施焊，最终得到完全符合各种性能指标的异种钢焊接接头。

1.2 异种钢焊接技术分析

1.2.1 稀释

异种金属焊接过程中会不可避免地产生稀释的现象，熔焊时融合线附近的焊缝金属会受到母材的稀释，然后导致产生缺陷，力学性能随之降低，因此必须要尽量降低稀释的程度。多项研究表明，在冶金措施和工艺措施的综合作用下，可以补偿或着降低稀释的现象^[2]。

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