多道焊焊间冷却时间对管道焊接残余应力的影响.pdf

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1、第37卷第3期化工机械339多道焊焊间冷却时间对管道焊接残余应力的影响李国成+(中国石油大学(华东))王保兴(山东省特种设备检验研究院淄博分院)摘要应用大型有限元分析软件ABAQUS，对工业管道多道焊进行温度场和残余应力场的数值模拟。将两种焊接工艺得到的温度场和残余应力场进行比较。结果表明。焊间长时间冷却焊可以降低焊接时的温度，而短时间冷却焊则得到较小的残余应力。关键词管道焊间冷却时间温度场残余应力场数值模拟中图分类号TQ055．8文献标识码A文章编号0254-6094(2010)03-0339-05石油化工行业中用到大量压力管道

2、，这砦管道采用多道焊焊接成型，焊接成型后的残余应力是影响其安全运行的主要冈素，而采用不同焊间冷却长度的焊接工艺时残余应力又会不同。笔者运用大型有限元软件ABAQUS，建立三维实体模型¨’2，，运用单元生死技术对管道对接多道焊实现焊接温度场的模拟，通过热一力耦合功能实现残余应力场的模拟，得到残余应力的分布规律。焊缝1物理模型笔者研究的对象为直径70mm、壁厚4mm的管道对接焊接接头。管道材料为316L，焊缝开坡口，采崩手工电弧焊，分两道焊接成型，焊接结束后冷却到常温。焊接接头如图1所示，接管焊接期间采用不同的冷却时间：1000s(长

3、时间)和200s(短时间)，其焊接规范见表1。b．圆管焊缝图l管道对接焊接头和管道焊缝表l焊接规范·李国成，男，1951年11月生，副教授。山东省东营市，257061。340化工机械2010年2有限元分析步骤2．1计算模型由于是等径管道对接焊，因此利用其对称条件以焊接中心面为对称面建立模型。该模型采用8节点三维实体单元，利用ABAQUS软件的网格自适应处理的特点，在靠近焊缝热影响区部位对网格进行细画，而在远离焊缝处则可以加大网格，有限元网格划分如图2所示。温度场分析时，单元类型为热单元(DC3D8)，残余应力场分析时，单元类型为力

4、分析单元(C3D8)。图2有限元模型网格划分2．2材料模型笔者对316L不锈钢管道焊接的热场和残余应力场进行分析。316L不锈钢的热力学和热化学性质参照文献[3]，其中1420'12为316L不锈钢的固相线温度，1460。C为316L不锈钢的液相线温度。在焊接加热的过程中，要考虑相变的影响HJ，由于材料的熔化需要吸收大量的热，而当焊后凝固时则需要放热，因此需要考虑焊接熔池相变潜热对焊接温度场的影响。由文献[3]可知316L不锈钢的潜热为300kJ／kg，热物理性能在l500—3000℃状态下保持不变”1。2．3焊接热源热源模型为内

5、生热源，焊接热源模型采用热振幅瞌线方法加载到焊缝，通过时间步的增加来模拟焊接热源的移动。内生热率等于电弧有效功率除以所作用单元的体积，热流密度为：q=掣(1)式中叩——电弧热效率，取为0．8【61；U——电弧电压；，——焊接电流；A——焊缝截面积；口——焊接速度。2．4边界条件在热场分析中，焊件的初始温度取室温20℃，圆管的内外表面均考虑为对流和辐射的边界条件，对流系数取10W／(m2·K)，辐射的发射率为0．85‘川。在应力场分析中，焊缝中心面(对称面)需要加对称约束；起焊点处要限制沿焊缝方向的位移。另外，为了确保焊件不发生刚性

6、移动，在远离焊件处取一点，约束所有的自由度。3数值模拟结果与分析3．1焊接温度场焊接温度场是进行残余应力分析的基础，即先得到温度场的结果才可以进行热一力耦合分析，温度场的分布对焊接残余应力有着蕈要的影响。当焊接热源作用时，焊件上某一点的温度随时间的变化称为焊接热循环，只要获得了热循环曲线，就可以得到焊接热循环参数，如峰值、温度、加热速度、高温持续时间、冷却速度和在某一温度区间内的冷却时间等。间断焊共用时间2971s，连续焊共用时间2171s。笔者取靠近焊缝上的一点，做出这两种不同焊接工艺的热循环曲线如图3所示。p型碉图3焊间长时间

7、与短时间冷却的热循环曲线由图3可以看出，同一点焊间长时间冷却的峰值温度低于短时间冷却峰值的温度。由于短时间冷却，焊接时是连续加热，该点的温度会随热源的移动而不断地升高以达到峰值，又随着热源的离开而逐渐降低，其热循环曲线的两个峰值离的很近；焊间长时间冷却是焊接一段时间后，冷却一段时间，再进行焊接，它的热积累没有连续焊的程度大，因此峰值温度也就自然低于连续焊的峰值温度，并且两个峰值温度的时间间隔也很长。另外，温度场情况的不同，势必会引起残余应力场的不同。3．2焊接接头残余应力场焊接的残余应力是对焊接构件造成破坏并影响其安全运行的重要因

8、素，因此准确地预测焊接残余应力场是焊接有限元分析最关键的一步。ABAQUS提供的热一力耦合功能可以准确地计算第37卷第3期化工机械34l焊接残余应力场。图4为长时间和短时间冷却焊外壁轴向残余应力的分布情况。由图4可以看出，距离焊缝近的部位残余应力最