中頻感應加熱消除薄板焊接失穩變形的機理研究

《中頻感應加熱消除薄板焊接失穩變形的機理研究》是依託華中科技大學，由王江超擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：中頻感應加熱消除薄板焊接失穩變形的機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王江超
• 依託單位：華中科技大學

項目摘要

在“輕量化造船”中，焊接產生的固有變形使得高強鋼薄板製造的船體加筋板發生失穩；而伴隨焊槍移動的中頻感應加熱，可有效地消除焊接失穩變形。通過感應加熱溫度場的模擬，以及感應加熱和焊接加熱溫度場的耦合分析，得出感應加熱對整體溫度場分布的影響機理。通過對不同感應加熱和焊接加熱下整體溫度場平均溫度的測量和計算，建立感應加熱和平均溫度關係的數學模型，闡明感應加熱時，整體溫度場變化的現象本質。通過焊接變形的測量和有限元分析，估算感應加熱作用下的焊接固有變形，初步揭示感應加熱消除焊接失穩變形的內在機理。三根棒力學模型分析感應加熱時的焊接過程，結合固有應變的產生機理，解釋側棒溫度因感應加熱升高時，主棒固有應變減小的內在機制。本項目以固有變形為依據，闡明了感應加熱作用時，焊接失穩變形消除的內在機理；為高質高效的船體加筋板製造工藝的制定，提供理論依據；對提升我國高新船舶製造的市場競爭力具有重要意義。

結題摘要

水面艦艇及遠洋高技術客船的輕量化建造，使得高強鋼薄板結構的套用逐步增多；高強鋼薄板在滿足船體結構強度和剛度的同時，會因厚度的銳減，在建造過程中發生失穩屈曲現象，影響船舶建造的精度和周期。本研究基於焊接失穩變形預測及力學機理的分析，提出使用中頻感應加熱，在遠離焊縫的區域，產生同步的附加熱源；增加整個焊接接頭的平均溫度，進而減小母材對焊縫的自約束強度，得到較小的焊接縱向收縮力，避免焊接失穩變形的產生。通過多組薄板焊接試驗、溫度場及面外失穩變形的測量，分析了焊接溫度場與感應加熱溫度場之間的耦合效應；提出了焊接縱向收縮力的精確評估方法，建立了焊接固有變形資料庫；基於三根棒模型和平均溫度的概念，解釋了附加熱源降低焊接接頭自約束，及減小焊接縱向收縮力的內在機理。使用高效的熱-彈-塑性有限元計算，研究了附加熱源強度和位置等過程參數對消除焊接失穩變形的影響，建立了虛擬的多變數試驗空間，實現過程工藝參數的最佳化分析。基於基金項目的研究，一方面，提出了感應加熱熱源模型，預測了瞬態溫度場及其產生的殘留變形；採用塑性應變積分法，獲得焊接及感應加熱過程耦合作用下的縱向收縮力；同時，從力學機理上闡述了輔助感應加熱增加焊接接頭平均溫度、減小母材的自約束強度，以及消除高強鋼薄板焊接失穩變形等科學問題；另一方面，建立了感應加熱工藝參數（熱源強度和加熱位置）的虛擬試驗空間，通過大通量的熱-彈-塑性有限元計算得到了最佳化的工藝參數組合，為實際工程問題的解決，提供了必要的理論指導，且具有一定的借鑑意義。