焊剂铜衬垫法三丝单面埋弧焊(FCB法)因高效、经济等优点,被广泛应用于船舶、桥梁等行业的大中厚板(8~40 mm)的拼板焊接。但由于FCB法含有多个高热输入热源及多重外力相叠作用,其熔池的温度场和动态行为十分复杂,焊接时极易出现某些缺陷,如焊缝区及热影响区晶粒组织严重粗化、焊缝始终端纵向裂纹、焊缝内部横向裂纹及焊缝背面微小的横向裂纹等,这些焊接缺陷的存在会造成拼板的使用性能(如抗拉强度、耐腐蚀性、抗疲劳性和结构稳定性等)严重下降,最终影响到船舶、钢桥结构的整体安全稳定性。而焊接温度场和残余应力场对焊接接头宏观、微观组织及焊接缺陷的形成起着至关重要的作用,实验测量耗时耗力,且无法获取温度场、流场及应力场的分布规律,因此本文采取数值模拟技术进行分析。本文主要进行了以下工作:(1)简要介绍了各种高效埋弧焊工艺及焊接数值模拟的研究现状。(2)在前人的研究基础上对单丝焊过程中熔池热源模型和外力模型进行适当改进,采用多个分布参数和作用位置不同的双椭球热源模型,考虑电磁力、重力、表面张力、浮升力、电弧压力、熔渣压力、熔滴撞击力及焊剂铜衬垫对熔池动态行为的影响,应用于三丝埋弧焊,建立了FCB法三维数学模型,采用CFD软件Fluent进行数值模拟,得到了FCB法焊过程中熔池温度场和流场的分布规律,得到了钢板表面和背面的HAZ宽度,以及焊缝的宏观凝固结晶方式,熔池断面尺寸及其凝固模式与实验结果吻合良好,验证了模型的准确性,为FCB法高效焊的研究提供理论与技术支持。(3)介绍了焊接热应力、残余应力相关理论知识,采用ANSYS软件,利用移动热源技术和生死单元技术模拟FCB法热源的移动和焊料填充过程,采用间接耦合法进行模拟计算,得到了FCB法焊接残余应力的分布规律,分析了其分布规律与FCB不同类型裂纹缺陷的联系,为实际工程减轻和消除FCB焊接缺陷提供理论指导。(4)计算了不同模型尺寸(长度、宽度)及工艺参数(焊接速度、尾丝间距)对FCB焊接残余应力分布的影响,为实际FCB焊接工艺的调整提供数据支持。