对蜗壳管节组装焊接的数值模拟及工艺优化 .pdf

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1、学兔兔www.xuetutu.com俘掳试验研究。～蜗壳管节组装焊接的数值模拟及工艺优化天津大学材料学院(300072)赵楠罗震单平刘健葛凤韩利哲河北工业大学(天津市300130)郑振太天津市静海县科委(301600)刘颖摘要焊接残余应力对水轮机蜗壳结构安全性的影响，主要是疲劳强度和脆性断裂，其分布关系到水轮机运行工作的稳定性与安全性。文中在建立GNAW温度场复合焊接热源模型的基础上，采用大型有限元软件ANSYS对蜗壳管节组装焊接的残余应力进行了数值模拟。并通过进一步的分析，提出了蜗壳管节组装焊接的工艺优化方案。关键词：水轮机蜗壳焊接

2、数值模拟工艺优化中图分类号：TG453问题的有利工具。0前言文中研究利用了大型有限元软件ANSYS对水轮水轮机蜗壳是水电设备中体积、质量最大的钢板机蜗壳管节组装焊接过程进行了数值模拟，并据此提焊接结构件，其结构复杂，断面尺寸大。大型机组蜗壳出了优化的工艺方案。通常南几十余节组成，再南现场进行拼装，工作量相对1数学模型的建立较大，因此其焊接残余应力非常复杂⋯。而残余应力的大小及其分布直接关系到机组运行中的承载能力和1．1复合式焊接热源模型的建立机组稳定性；另一方面，较大的残余应力可导致焊缝延从国内外的蜗壳现场焊接制造来看，主要还是焊迟裂

3、纹的产生，甚至在水力等联合作用下产生裂纹破条电弧焊和部分气体保护焊方式，一些蜗壳厂家也正坏，威胁机组安全运行。因此有必要对水轮机的焊在研究半自动气体保护焊的可能性。接工艺及其焊接过程中产生的残余应力进行研究，并传统的高斯热源模型J，在焊条电弧焊温度场的据此进一步优化工艺条件。数值模拟中，可以得到较好的结果。但是，对于能量由于焊接过程的复杂性，许多现象理论不足以解更为集中的气体保护焊而言，则需要建立熔滴热流分释，通过大量试验的方法则会大大提高科研成本，随着布和电弧热流分布的复合型热源模型_6J。其热流分计算机软件技术的不断发展，数值模拟

4、成为研究此类布模式可由下式表示：+唧c丢一q(r)=rlaUIexp(一l_2)p一)’，r>JD式中，叼为电弧热输入到焊件中的热效率；为熔滴流密度分布参数。输入到焊件中的热效率；为熔滴铺散范围直径；r为考虑到蜗壳焊接的基本方式是开坡口多层多道熔滴热源作用区；U为电弧电压；，为焊接电流；Or为热焊，且由于各层的热输入不同，直接导致每层每道焊接时构件中温度场不同，故数值模拟时采用了每层不同收稿日期：2010—07—23的热源模型分层处理。坡口及焊接示意图如图1所基金项目：国家863高科技项目(2008AA04Z136)；国家自然科学基金

5、项目示。(50975197)；广东省教育部产学研结合项目(2007A090302105)；天根据电弧偏位及对流辐射边界条件的变化特点，津市应用基础及前沿技术研究计划(09JCZDJC24000)．282010年第12期学兔兔www.xuetutu.comt—试验研究懈掳跏姗抛咖蝴咖鲫枷姗啪0其中，9为熔滴热源最大热流密度；g为电弧热源最大热流密度；rd为熔滴热流分布参数；为电弧热流分布参数；d为焊缝长度；n为第n段。将该热输入功率实用在中部的每个节点上。两端的节点因均分一小段热输入，故端点处热输入功率q：为：口q2—————=．——一

6、(3)j图1ALSTOM设计的V形坡口焊接顺序图采用了动态变化的边界条件进行计算，焊缝的逐步填2蜗壳管节组装焊接的数值模拟充效果采用“单元生死法”并考虑了相变潜热的影响。2．1数值模拟的具体焊接条件综合多项因素的多层多道焊计算结果的一个示例，如焊件为Q345钢，采用co：气体保护焊(与选择热图2所示。源模型及热效率值有关)，电弧电压u：24v，电流，：16oA，焊接速度tI=5mm／s，预热温度ro=75℃，焊缝每道之间时间间隔为60s，板厚d=30mm。蜗壳管节组装时，环缝的坡口形式一般为非对称的x形坡口，多层多道焊。每条环缝分4段

7、4个工位同时施焊，焊缝分段及分段退焊焊接顺序如图4所示。图2R点热循环曲线可见，热循环曲线能够正确反应该多层多道焊的热输入特点。1．2分段移动串行热源模型的建立大型焊接结构采用分段移动串行热源模型¨¨进行计算，将在保证必要精度的前提下可大大提高计算效率。将长度为d的焊缝作分段化处理，假设分为n段，-如图3所示。图4蜗壳管节环缝分段退焊示意图经计算环缝长度约为lO．5m。在分为4个工位8段分段退焊情况下，段长为262～393mm。每个工位的分段焊接也就是在ANSYS中的分段加载，是按照极坐标施加的，即I，Ⅳ象限每段为7．5。，Ⅱ，Ⅲ象限

8、每段为11．25。。加载起始点分别为90。，180。，180。和270。，以7．5。和l1．25。步长按图4所示分段加载。2．2蜗壳管节焊接残余应力及其分析图3移动热源分段化处理示意图残余应力的计算结果如图5～7所示。由