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1、第37卷第3期化工機械339多道焊焊間冷卻時間對管道焊接殘余應(yīng)力的影響李國成+(中國石油大學(xué)(華東))王保興(山東省特種設(shè)備檢驗研究院淄博分院)摘要應(yīng)用大型有限元分析軟件ABAQUS，對工業(yè)管道多道焊進行溫度場和殘余應(yīng)力場的數(shù)值模擬。將兩種焊接工藝得到的溫度場和殘余應(yīng)力場進行比較。結(jié)果表明。焊間長時間冷卻焊可以降低焊接時的溫度，而短時間冷卻焊則得到較小的殘余應(yīng)力。關(guān)鍵詞管道焊間冷卻時間溫度場殘余應(yīng)力場數(shù)值模擬中圖分類號TQ055．8文獻標識碼A文章編號0254-6094(2010)03-0339-05石油化工行業(yè)中用到大量壓力管道
2、，這砦管道采用多道焊焊接成型，焊接成型后的殘余應(yīng)力是影響其安全運行的主要岡素，而采用不同焊間冷卻長度的焊接工藝時殘余應(yīng)力又會不同。筆者運用大型有限元軟件ABAQUS，建立三維實體模型¨’2，，運用單元生死技術(shù)對管道對接多道焊實現(xiàn)焊接溫度場的模擬，通過熱一力耦合功能實現(xiàn)殘余應(yīng)力場的模擬，得到殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。焊縫1物理模型筆者研究的對象為直徑70mm、壁厚4mm的管道對接焊接接頭。管道材料為316L，焊縫開坡口，采崩手工電弧焊，分兩道焊接成型，焊接結(jié)束后冷卻到常溫。焊接接頭如圖1所示，接管焊接期間采用不同的冷卻時間：1000s(長
3、時間)和200s(短時間)，其焊接規(guī)范見表1。b．圓管焊縫圖l管道對接焊接頭和管道焊縫表l焊接規(guī)范·李國成，男，1951年11月生，副教授。山東省東營市，257061。340化工機械2010年2有限元分析步驟2．1計算模型由于是等徑管道對接焊，因此利用其對稱條件以焊接中心面為對稱面建立模型。該模型采用8節(jié)點三維實體單元，利用ABAQUS軟件的網(wǎng)格自適應(yīng)處理的特點，在靠近焊縫熱影響區(qū)部位對網(wǎng)格進行細畫，而在遠離焊縫處則可以加大網(wǎng)格，有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。溫度場分析時，單元類型為熱單元(DC3D8)，殘余應(yīng)力場分析時，單元類型為力
4、分析單元(C3D8)。圖2有限元模型網(wǎng)格劃分2．2材料模型筆者對316L不銹鋼管道焊接的熱場和殘余應(yīng)力場進行分析。316L不銹鋼的熱力學(xué)和熱化學(xué)性質(zhì)參照文獻[3]，其中1420'12為316L不銹鋼的固相線溫度，1460。C為316L不銹鋼的液相線溫度。在焊接加熱的過程中，要考慮相變的影響HJ，由于材料的熔化需要吸收大量的熱，而當焊后凝固時則需要放熱，因此需要考慮焊接熔池相變潛熱對焊接溫度場的影響。由文獻[3]可知316L不銹鋼的潛熱為300kJ／kg，熱物理性能在l500—3000℃狀態(tài)下保持不變”1。2．3焊接熱源熱源模型為內(nèi)
5、生熱源，焊接熱源模型采用熱振幅瞌線方法加載到焊縫，通過時間步的增加來模擬焊接熱源的移動。內(nèi)生熱率等于電弧有效功率除以所作用單元的體積，熱流密度為：q=掣(1)式中叩——電弧熱效率，取為0．8【61；U——電弧電壓；，——焊接電流；A——焊縫截面積；口——焊接速度。2．4邊界條件在熱場分析中，焊件的初始溫度取室溫20℃，圓管的內(nèi)外表面均考慮為對流和輻射的邊界條件，對流系數(shù)取10W／(m2·K)，輻射的發(fā)射率為0．85‘川。在應(yīng)力場分析中，焊縫中心面(對稱面)需要加對稱約束；起焊點處要限制沿焊縫方向的位移。另外，為了確保焊件不發(fā)生剛性
6、移動，在遠離焊件處取一點，約束所有的自由度。3數(shù)值模擬結(jié)果與分析3．1焊接溫度場焊接溫度場是進行殘余應(yīng)力分析的基礎(chǔ)，即先得到溫度場的結(jié)果才可以進行熱一力耦合分析，溫度場的分布對焊接殘余應(yīng)力有著蕈要的影響。當焊接熱源作用時，焊件上某一點的溫度隨時間的變化稱為焊接熱循環(huán)，只要獲得了熱循環(huán)曲線，就可以得到焊接熱循環(huán)參數(shù)，如峰值、溫度、加熱速度、高溫持續(xù)時間、冷卻速度和在某一溫度區(qū)間內(nèi)的冷卻時間等。間斷焊共用時間2971s，連續(xù)焊共用時間2171s。筆者取靠近焊縫上的一點，做出這兩種不同焊接工藝的熱循環(huán)曲線如圖3所示。p型碉圖3焊間長時間
7、與短時間冷卻的熱循環(huán)曲線由圖3可以看出，同一點焊間長時間冷卻的峰值溫度低于短時間冷卻峰值的溫度。由于短時間冷卻，焊接時是連續(xù)加熱，該點的溫度會隨熱源的移動而不斷地升高以達到峰值，又隨著熱源的離開而逐漸降低，其熱循環(huán)曲線的兩個峰值離的很近；焊間長時間冷卻是焊接一段時間后，冷卻一段時間，再進行焊接，它的熱積累沒有連續(xù)焊的程度大，因此峰值溫度也就自然低于連續(xù)焊的峰值溫度，并且兩個峰值溫度的時間間隔也很長。另外，溫度場情況的不同，勢必會引起殘余應(yīng)力場的不同。3．2焊接接頭殘余應(yīng)力場焊接的殘余應(yīng)力是對焊接構(gòu)件造成破壞并影響其安全運行的重要因
8、素，因此準確地預(yù)測焊接殘余應(yīng)力場是焊接有限元分析最關(guān)鍵的一步。ABAQUS提供的熱一力耦合功能可以準確地計算第37卷第3期化工機械34l焊接殘余應(yīng)力場。圖4為長時間和短時間冷卻焊外壁軸向殘余應(yīng)力的分布情況。由圖4可以看出，距離焊縫近的部位殘余應(yīng)力最
