P92钢管道对接焊接残余应力数值模拟_邓蒲实.pdf

年第期 钢管道对接焊接残余应力数值模拟邓蒲实（重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆 ）摘要：为了能系统全面探究 钢管焊条在焊接变形状态后焊缝内的焊缝热残余应力变化规律和其分布及规律情况，基于三维有限元分析及模拟分析的实验软件 建立起了实验数据库 钢焊接模拟仿真模型的数据，研究的实验分析结果与分析模型表明，在钢管焊接变形的状态情况条件下，焊缝应力分布以及钢管焊缝受热温度影响区环向热应变分布和钢管焊缝内轴向应力变化主要体现呈拉应力，在焊缝热影响区出现了拉残余应力分布的最大值。随着距离焊缝中心距离的进一步的增加，焊接过程中拉残余的残余应力值也就逐渐减小。关键词：焊接模拟仿真；残余应力；热影响区；有限元中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；作者简介：邓蒲实，男，重庆市潼南区，汉族，在读研究生，残余应力的评估与疲劳寿命预测。引言在火力发电机组中，需要大量的高温组件，而在高温组件发生失效而引起的事故中，焊缝出现裂纹而导致失效的案例被多次报道。火电厂设计中安装的高压蒸汽炉管管道长期暴露在各种高温高压恶劣的高温工况系统下和服役，由于其焊接后接头残余的高温残余应力以及在焊接时接头过程中存在的一些不稳定均匀导致的高温蠕变与变形，使得热影响区中易出现型裂纹，并导致焊接接头早期失效。铁素体钢因它自身的具有显着性能较好，及优良稳定的耐低值高温情况下的抗水蠕曲与变性、较宽高低的热线热膨胀性系数性能特点和有极强良好热稳定性的高温抗氧化与耐腐蚀材料的各项性能特点，而已越来越广泛多地已经被普遍应用于生产加工与制造耐超高值（超）值高温的临界型号的高温火电机组上用钢的各种高温蒸汽管道、锅炉缸体等和各类高温构件。由于有的 钢管壁厚较大，焊接过程中刚性和拘束应力较大，在接头区域容易产生较大的残余应力，对于钢管的强度、刚度、疲劳寿命、抗蠕变性能以及抗应力腐蚀能力减弱，因此有必要对焊接 焊接接头残余应力分布进行研究。但是仅通过实验的方法对残余应力的分布进行分析，不仅会增加实验成本、延长试验周期、而且不具有前瞻性。采用数值模拟的方法能够极大的缩短试验周期与实验成本。张国栋等采用蠕变损伤的修正方程探究了在焊接残余应力下对 蠕变损伤的数值模拟，结果表明蠕变损伤出现在残余应力集中处，并通过计算预测了蠕变裂纹萌生的时间。任森栋等研究了 钢多层多道焊接接头残余应力的有限元模拟，结果表明通过有限元模拟方法可以准确地预测 钢多层多道焊接接头的残余应力分布情况。本文作者以高温炉管件的焊接试验入手，通过采用 有限元分析模拟软件成功建立完善了 钢的焊接现场模拟数值仿真计算模型，分析得出了钢在连续焊接实验过程中的焊接残余应力以及沿钢轴向、环向、径向焊缝的焊缝应力及其分布规律。有限元分析模型 焊接数值模拟的双椭球热源模型模拟三维焊接热温度场时，选用 程序软件编写成 的用户子程序，再直接将这个用户子程序软件导入至 软件中，从而能模拟制造出一个三维可移动焊接的热源模型。集中性、移动性、瞬时性等基本特点均是焊接时热源本身所共同具有着的。温度场内的温度分布变化一般由热源靠近热源点的所处相对位置而决定，靠近热源时，由其热流密度来决定，远离热源DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.04.023内燃机与配件 时，由焊缝材料的本身固有的某些几何参数而决定。因为热源在被焊工件后使焊件上的各种表面形状和几何截面等分别都有着阶段上不同程度的改变温度场热量分布变动不均，不同阶段的受热膨胀将进而导致产生一系列残余应力变形和变形。因此，焊接用热源位置对焊接检测结果得出的数据精确性都有着比较显著程度的直接影响，特别的是对于靠近焊缝中心附近焊接的区域（热影响区）。本文采用双椭球热源模型，该热源模型的几何形状类似于水滴形，形态与焊接时的熔池相似，在焊接路径方向上以热源加热的几何中心为界划分为前后两个二分之一大小不一的椭球。电弧前半椭球和电弧后半椭球的热源分布函数分别为（）、（）。（，）（）（）（，）（）（）式（）中和式（）中以及表（）中：为电弧焊速，、四点为电弧热源几何尺寸，点为电弧源的最大输入热量，、两点为模型图中的某一点加热位置时的热流密度；其中点为电弧焊接的电压；表示为焊接总电流；表示焊接热效率，设定值为.，焊接所需的参数见表。考虑到产生了热辐射效应和热对流，对流焊机的换热效率系数一般大约都为小于 （）；发射率常数 ；室 温 常 数；斯 蒂 芬 玻 尔 兹 曼 常 数 （）；表焊接模拟参数热源参数数值焊接参数数值 （）有限元模型的建立采用有限元软件 进行建模分析，以尺寸为 的 蒸汽管道为研究对象，由于对称性，建立四分之一模型，焊缝热影响区被划分为细晶区和粗晶区，宽度分别都为，在焊接温度场模拟中，焊接的初始温度取，在温度场与残余应力场中采用循环对称约束，取一端完全固定，约束其自由度，其有限元模型由图所示。图四分之一焊管模型在焊缝和热影响区中，在此区域由于残余应力较大且热流密度也十分密集，对焊接接头失效的影响也较大，因此在此区域的网格划分比较密集，如图所示，将热影响区的网格大小划分为，而在远离焊缝和热影响区处影响较小，网格稀疏，采用轴对称单元，计算温度场和焊接残余应力场采用 单元。图型坡口焊缝附近的网格在焊接残余应力场模拟过程中，采用直接耦合法的热弹塑性有限元分析焊接温度场、残余应力场、应变场与焊接过程的变形行为。并且模拟过程中，需要考虑 钢热物理性能与力学性能。焊接过程温度场与残余应力场模拟结果与分析 温度场分析结果 钢管道焊接过程中会产生较大的残余应力，这是因为焊接时温度场分布不均匀所导致的，因此对焊接温度场的研究是必不可少的。在焊接的过程中温度场的变化是影响焊接残余应力的重要因素。由于热源的加热作用，使得局部区域温度升高，钢管受热膨胀使得材料分子间相互挤压碰撞产生塑性残余应变，但又随着热源的移动过程使得管道快速冷却，内部材料分子相互拉伸导致 钢内部产生残余拉应力。钢固相线温度为 ，液相线温度为 ，因此定义温度场计算中 以上区域为熔池，图为焊接热源在焊道上移动到第 时的温度场，图为在此时刻的熔池形状，在温度场云图中灰色区域代表熔池。温度场的仿真结果和熔池形状与前人学者相似，从而验证了此方法的准确性。图 时温度场分布图 时熔池形状 残余应力分析结果图在给出钢管的剩余应力云图过程中还出示了 四分之一钢管在焊接成形时接头残余主应力云和焊 年第期缝残余 应力云的横向空间应力分布情况等有关情况，和图 则分别填示了为钢管径向、轴向、环切向的残余应力。从图的残余应力云图的变化也可以大致看出，焊管在焊接并冷却恢复至正常室温条件后，径向残余应力 降到最小，这完全是由于当时该型 炉的管身壁厚仍为薄壁，厚度均为，焊接完毕后管沿焊缝径向产生的热收缩力量均较小所为导致，在径向残余应力 时最大径向残余拉应力仅为 ，最大径向残余压应力仍为 ，均为出现在热影响区。轴向残余应力在靠近主焊缝内壁处可表现出为拉应力，最大值可为 以下；而在极靠近主焊缝外壁处则表现出为静压应力，最大值常为 。轴向截面上横向最大的斜拉应力值和纵向的最大静压拉应力峰值始终都要固定在中心焊缝处，并且都将始终随着离焊缝中心位置之间的距离而逐步由增大减小而又逐渐减小。环向拉应力主要的出现发生于在焊缝内壁，且多出现于在热影响区焊缝壁中，为 ，距焊缝中心距离也逐渐的在逐渐增大，拉应力变小，最后在靠近热影响区处的母材区就产生出了 以上的热压应力。图（）、（）、（）为 ，残余应力分别沿着路径、的分布趋势图。路径图形上图、各点位置分别所代表的为炉管外壁、内壁、焊缝中心处的焊接残余截面，由上图可以十分明确可以看出，焊接残余应力曲线中的前后两个曲线最高值位置都主要分别地集中出现于焊接在焊缝边缘中心和边缘焊缝的热影响区处，随着焊缝距边缘焊缝中心处和边缘焊接在热应力影响温度区间中的实际焊接残余距离的进一步地增大，焊接残余应力也开始会逐渐的得到逐渐减小，在边缘距边缘焊缝中心处的 焊接高度附近，焊接横向残余应力已基本降至近历史以来最低，径向焊缝残余应力正逐渐趋低于焊接的轴向压力值和焊缝环向剩余应力，并且焊缝靠近内壁方向的残余环向余应力最大。靠近焊管内壁处的热影响区轴向拉应力与环向拉应力达到最高值。这一般是因为在焊接成形过程中热影响区金属虽然没有受热分解但是表面并未充分熔化，材料自身的金相组织特性和机械力学性能尚未发生较大变化，而正是由于这些热影响区合金与基体母材合金的基本材料属性组织和机械力学性能也不相同，这就导致焊接残余应力容易往热影响区出现集中现象。图（）沿外壁路径残余应力变化曲线（）沿内壁路径残余应力变化曲线（）沿壁厚路径残余应力变化曲线结论、在正常焊接拉应力状态情况条件下，焊缝表面和焊缝热影响区中轴向的残余应力值和环向残余应力值分别均呈正常拉应力状态，且此两者的拉应力值的两个相对应力最大值相对应点都将同时地出现作用于焊缝在焊接时热应力影响区。、焊接残余应力随着距焊缝中心的距离增加而减小，在距焊缝中心 附近，焊接残余应力降至最低，此后残余应力变化趋势趋于水平。参考文献：杨乐全尺寸 钢管弯头蠕变试验与失效研究华北电力大学（北京），代真，郝晓军，沈利英，刘长福 管道焊接残余应力数值模拟 热加工工艺，（）张国栋，赵彦芬，周昌玉，刘毅，刘天佐，张路，李建 钢焊接接头蠕变疲劳交互作用下高温断裂参量表征及失效评定曲线的建立 中国电机工程学报，（）：任森栋，毕涛，李索，刘祥军，王浩宇，邓德安 钢多层多道焊接接头残余应力的有限元模拟机械工程材料，（）：姜运建 钢焊接残余应力场及对高温寿命的影响研究天津大学，