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| 带压开孔结构多道间断焊的数值模拟 |
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发布者：aisaite 发布时间：2009-4-19 阅读：95次 【字体：大 中 小】 |
度场控制方程为
pc
OT
= (．1c )+-O， (1)
式中：p为密度；c 为比热；k为导热系数；Q为内热
源强度；T为温度；t为时间。
焊接温度场控制方程的热流边界条件为
q=一k T， (2)
式中：q包括对流、辐射以及通过非对称边界的热
流。
1．2 应力场
力学平衡方程为
or¨ =0， (3)
式中： 为应力分量，包括热应力的影响。
热应变可按下式描述为
￡ = 。 (T—Tr)8 (4)
式中：￡ 为热应变张量；Or 为热膨胀系数；Tr为参考
温度； 为8算子。
应力应变间的本构方程为
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26 焊 接 学 报 第26卷
d =D (如“一d Pj一 c一如 )， (5)
式中：D 为弹性本构张量系数；如 d 、d ： 、如
分别为总应变、塑性应变、蠕变应变和热应变。
2 物理模型
模型由主管、支管等组成，其结构及尺寸见
图1。焊缝截面为等腰直角三角形，总腰高为6 mm，
共分为三道。
试件所用材料为304不锈钢，其随温度变化的
材料性能 见表1。
图1 带压开孔结构
Fig：1 Hot tap structure
表1 304不锈钢的物理性能和力学性能
Table 1 Physical and mechanical properties of SS304
焊接采用焊条电弧焊，焊接规范见表2。间断 3．2 热源
焊时，每焊接44 mm，冷却10 s的时间。
表2 焊接工艺参数
Table 2 Welding parameter
焊道
∥ 。
l Al32 2．5 85～95 20～22 3
2—3 Al32 3．2 ll0～l30 20～22 5
3 数值模拟
3．1 有限元网格
沿主管长度方向取400 mm建模，采用八节点
实体单元对主管及支管进行网格划分。由于焊缝附
近是模型较易发生破坏的区域，焊接时的局部高温
也发生在该区域。因而仅在有较大温度梯度的地方
即焊缝附近使用较细的网格，而在离焊缝较远的区
域使用较大的单元尺寸 。
对于填角焊缝，焊接热源通过假定焊缝单元的
内部热生成施加到焊缝上，将有效的焊接热输入量
换算成焊缝单元在单位体积、单位时间上的热生成
强度_l 。由于热源是随着电弧移动逐渐加上的，故
计算中把三道焊缝的单元先全部“杀死”，再逐步
“激活”¨¨，并通过定义热流密度振幅曲线限制加
载时间来模拟电弧的移动。
3．3 相变的影响
熔池熔化和凝固时，要吸收和放出热量，故需要
考虑相变的影响。假定熔化潜热等于凝固潜热，并
通过比热容量的上升或下降的变化来计算潜热对结
构热焓值的影响。
3．4 边界条件
焊接过程中，焊件与外界同时存在着对流和辐
射换热，为方便计算，引用一个总的换热系数_l 。
在所有外表面均施加换热边界条件，由于操作在室
内进行，取换热系数为13 w／(m ·K)，环境温度为
20℃。应力应变施加的其它边界条件使试件无整
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第4期 薛小龙，等：带压开孔结构多道间断焊的数值模拟 27
体刚体位移即可。
4 计算结果
4．1 温度场
焊接开始时，焊接单元升温很快，短时间内就达
到材料的熔化温度以上；焊接停止后，焊缝单元立即
降温。连续焊共用时859．2 s，间断焊共用时
1 099．2 s。图2所示为第二道焊接到截面Y=0时的
温度分布，此时连续焊共用时453 s，间断焊共用时
573 s。可以看出，间断焊的温度明显低于连续焊。
图3所示为此时截面Y=0上的温度分布。由于此
(a)连续焊t=453 s
(b)间断焊t=573 s
图2 焊接热过程的温度分布
Fig．2 Temperature distribution during welding
(a)连续焊
(b)间断焊
图3 焊缝横截面的温度分布
Fig．3 Temperature distribution on cross·section
时仅焊接到第二道焊，故第三道焊的单元为“死单
元”，其温度近乎不变。连续焊时，超过1 400℃(材
料熔化温度)、800 oC、500 oC以上的区域距离内壁分
别约为5．0 ITIm、3．4 mm、1．2 mm，而间断焊时分别
约为5．5 mm、4．2 mm、3 mm，间断焊时由于局部高
温而引起的有效壁厚的减薄量明显小于连续焊时。
图中温度的单位均为℃。
试件上一点 (一0．06 m，0 m，0．109 5 m)的热
循环曲线见图4。从图上可以看出，该点在间断焊
时的温度明显低于连续焊时的温度。连续焊时由于
是连续加热，该点的温度随着热源的移近而不断升
高达到峰值，又随着热源的离开而逐渐降低；间断焊
时，由于加热与冷却的不断交替，其热循环曲线呈锯
齿状，这必将对焊后的残余应力产生影响。
赠
时I1日J‘／
图4 焊接热循环曲线
Fig．4 Thermal cycle of point A
4．2 应力场
线(y=0m， =0．1095 m)上 、y方向的残余应
力沿 轴的分布见图5。从图中可以看出，最大应
100
s
。
0
一50
一100
一150
幂星 一200
一250
匠
匿
坐标x／mm
(a) 方向残余应力
坐标x／mm
(b)y方向残余应力
图5 残余应力分布
Fig．5 Residual stress distribution
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焊接学报 第26卷
力均出现在焊缝处，连续焊所产生的残余应力略大
于间断焊，但两者的变化趋势一致，主管上轴向应
力在焊缝附近为压应力，随着与焊缝距离的增加出
现一个拉应力峰值而后衰减为零 主管周向应力在
焊缝附近为拉应力，随着与焊缝距离的增加出现一
个压应力峰值而后衰减为零。
5 焊缝的金相分析
图6所示为内压试验后模型的焊缝结构，焙合
线处沿厚度方向的金相组织状况如图7所示。由焊
缝结构图可以看出，间断焊由于起弧次数多，对焊接
质量产生了一定的影响，容易产生焊接缺陷。但通
过对焊缝区域的金相分析可以看出．试件主管与支
管焊接区在间断焊与连续焊时的金相组织相同且均
正常，其焊接工艺包括预热、焊接及热处理等是正确
的 进行内压试验时，在超工作压力15．0 MPa(工
作压力为4．0 NPa)作用下，主管与支管发生了较大
变形，在焊缝处最先出现裂纹而失效，安全系数达到
3．75，因而使用这样的焊接规范及焊接工艺能够保
证结构在运行中的安全。
图6 焊缝结构
Fig 6 Structure of weld
a)连续焊 【b)问新焊
图7 熔合线处组织
Fig 7 Metallurgical streclure of bond line
6 结 论
和管内流体压力作用而导致烧穿的可能性。
(2)与连续焊不同，间断焊由于加热与冷却的
不断交替，其热循环曲线呈锯齿状
(3)采用间断焊时结构的焊后残余应力略低于
连续焊，其分布规律相似。
(4)对焊缝区的金相分析表明其金相组织正
常，内压试验的结果表明该结构能安全运行。
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作者简介：薛小龙 弭，1980年7月出牛，博士研究生．主要研究
(1)采用间断焊可有效降低焊接时焊缝区的瞬 方向为过程设备的结构与强度．发表论文5篇。
时高温，从而降低因管道设备局部高温强度的降低 Email： Ixue21@⋯h⋯ |
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