焊接残余应力与变形一直伴随着焊接过程,既是形成各种焊接缺陷的重要因素,又是造成焊接热应变脆化的根源,直接影响焊接结构的制造质量和使用性能,严重时会导致焊接构件失效甚至报废。因此,探明焊接应力变形的形成机理、作用与影响,掌握控制和调整焊接应力与变形的方法,对于提高焊接结构的制造质量和服役性能具有重要的意义。论文以AH36高强钢薄板为研究对象,基于热弹塑性有限元理论,采用数值模拟的方法对普通对接焊以及在焊枪后施加辅助冷源实现“冷热源一体加载”控制失稳变形的两种焊接情况进行机理研究及对比分析。为改善优化当前的焊接加工工艺,实现船舶结构轻量化的精度制造提供理论依据。主要研究内容如下:(1)基于热弹塑性有限元法,针对AH36高强钢平板对接焊进行数值模拟研究,获得平板对接试件温度场和残余应力应变场的变化规律。研究表明:所采用的体生热率热源和焊缝“生死”单元的处理可准确的对薄板对接焊进行数值计算。同时可知,横向和纵向残余应力是引起薄板焊接失稳变形的主要驱动力。(2)对焊后施加随焊枪同步移动的不同宽度方向尺寸冷源对焊接变形及残余应力的影响进行了数值模拟研究,并与常规焊接作对比分析。在焊枪后施加一个跟随焊枪同步运动的冷源,其作用部位金属的极冷收缩产生强烈的拉伸作用,使得焊缝及近焊缝区金属升温过程产生的纵向压缩塑性应变减小,冷却过程中产生的纵向拉伸塑性应变增大,焊缝与近焊缝区域的不协调应变减小,纵向残余应力降低。研究表明:受冷源影响,横向应力、纵向应力以及等效应力在高应力区域宽度和应力峰值方面表现为减弱趋势。尤其是当冷源宽度大于焊缝宽度时,板中心纵向残余应力由普通焊接的381MPa,减少至350MPa,横向残余应力由普通焊接的330MPa,减少至15MPa,且整体变形量最小,由普通焊接变形量的4.2mm减小至2.1mm。由此可见冷源宽度方向尺寸较焊缝宽窄关系的研究为干冰出口喷嘴形状的设计提供理论指导。(3)在冷源强度一定及上述研究优化出最佳的冷源宽度情况下,对焊后施加随焊枪同步移动的冷源与热源之间不同距离L对焊接变形及残余应力的影响进行了数值模拟研究及对比分析。研究表明:焊接残余应力与变形的控制能力与冷、热源之间的距离L关系密切。当L较小时,焊接变形控制能力较强,当L较大时,焊接变形控制能力较弱,甚至无影响。由此可见,冷、热源之间的距离是低应力无变形焊接技术的重要工艺参数,对控制焊接失稳变形起着至关重要的作用。