SS304 半管夹套焊接部位残余应力三维有限元模拟

第 (! 期
蒋文春， 等： ’’)!* 半管夹套焊接部位残余应力三维有限元模拟
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射率取为 ! " #$ ， 初始温度取 %$ & 。 在力 分 析 场 中， 半管对接焊缝中心面为轴对称 条件， 在远离焊缝处取三点约束其所有自由度， 限制 焊件的刚性移动。
在半管内表 面， 环向应力和轴向应力均为拉伸 应力。最大 环 向 应 力 为 %** ,-.， 最大轴向应力为 随着离开焊缝中心， 逐渐递减。 %(% ,-.， 在半 管 外 表 面 的 路 径 上， 环向应力在热影响区 具有最大 值 ()! ,-.， 然 后 逐 渐 递 减。 轴 向 应 力 为 压应力， 具 有 峰 值 %(/ ,-.， 随 着 离 开 焊 缝 中 心， 轴 向应力逐渐递减。 在对接焊缝 引 弧 和 收 弧 处， 具 有 峰 值 应 力。 为 了避免与后续角 焊 缝 焊 接 产 生 的 残 余 应 力 叠 加， 在 实际焊接的过程中， 可以添加引出板， 将引弧和收弧 处的峰值应力引到引出板上。且对接焊缝必须一根 焊条焊完， 避免 出 现 多 个 起 弧 与 收 弧 点。 要 严 格 控 制对接焊缝的数量， 在每 $! 0 的区域尽量控制最好 只有一条对接 焊 缝。 半 管 内 壁 用 氩 气 保 护， 在对接 焊第一道焊完后， 进行气体泄漏试验和表面缺陷检 查， 合格后再焊第 二 道； 对 接 焊 缝 焊 接 完 毕 后， 再进 行气体泄漏试验、 无损检测以及射线探伤等， 经过严 格检验合格， 确认没有缺陷后方能焊角焊缝。
表; "0@)- ;
焊缝 层次 4 " 4 "
焊接工艺参数 A-)6$/% 3050B-*-5
电压 !8@ 4" 42 4" 45 电流 "8A 411 4"1 441 401 速度 ・B C 4 ） #（ 8 %% "E4 "F0 "E0 "F5
图!
" 形接头残余应力多次顺次耦合计算程序 ’()*$+,-.(-/*$0) 12(3)$/% #4 10)1()0*$2/ 3521-6(5- 27 8-)6$/% 5-,$6(0) ,*5-,, 725 90)7+3$3- "+:2$/*
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半管对接焊残余应力计算
定义沿 着 半 管 圆 周 的 方 向 （与 对 接 焊 缝 方 向 平
行） 的力 ’(( 为环 向 应 力， 沿 半 管 轴 向 的 力 ’)) 为 轴 向应力。为方便起见， 且计 算 结 果 具 有 对 称 性， 沿对 接焊缝的中心面取二分之一 模 型 来 观 察。图 *， 图$ 分别 给 出 了 半 管 对 接 焊 后 环 向、 轴 向 应 力 的 分 布。 图 +给出了半管内外表面环向应力和轴向应力分布。
热为 0 3 415 67 8 69， 固 相 线 4 0:: ; ， 液 相 线 4 252 抗拉强度 ":? <=>。 ; 。常温屈服强度 "52 <=>， ;&? 焊接工艺参数 对接焊缝与角焊缝的焊接顺序对残余应力有着 非常重要的影 响。 如 果 先 焊 角 焊 缝， 那么半管焊后 将没有收缩余地， 在对接焊缝间将留下较大的装配 应力， 这一装配应力一般表现为拉伸应力， 极易造成 焊接裂纹， 降低焊缝的抗拉强度。因此， 需先焊对接 焊缝， 然后再进行半管与筒体的组焊， 这样可降低对 接焊缝应力， 降 低 出 现 焊 接 裂 纹 的 几 率。 对 接 焊 缝 采用 “ @” 形坡口形 式， 角 焊 缝 采 用 内 坡 口 形 式， 内表 面均采用氩气保护。焊接工艺参数如表 4 所示。
半管 设 备 作 为 一 种 加 热 冷 却 设 备， 与普通夹套 容器相比， 具有筒 体 受 力 好、 传 热 效 率 高、 节能及节 约钢材用 量 等 优 点， 被 广 泛 运 用 在 化 工、 医药等行 业。目前， 此类设 备 存 在 的 普 遍 问 题 是 半 管 与 筒 体 焊接部位出现开裂， 引起泄漏。 对于 半 管 夹 套 设 备， 半管与筒体之间存在环角 焊缝， 半管之间存在对接焊缝， 角焊缝与对接焊缝交 接处存在 1 形接头。这些区域的焊接残余应力状态 复杂， 容易出现缺 陷， 成 为 最 薄 弱 环 节， 需要引起足 够的重视。 目前， 对于半管夹套结构焊接部位残余应力的 有限元分析， 尚 无 相 关 文 献 可 查。 利 用 大 型 有 限 元
高斯 分 布 作 用 于 焊 缝 表 面， 用 IJK!KAL 语 言 编 写 热源子程序 MINOP， 在 AQARO/ 中调用该子程序 进 行计算。对于角焊缝， 随着时间 $ 的变化， 电弧中心 沿角焊缝表面作直线移动， 实现了热源的移动， 热输 入的高斯分布如式 （4） 所示。关于半管对接焊缝， 随 着时间的变化， 电弧中心随焊缝作环向不断移动， 高 斯分布为式 （"） 所示。功率 % 为 （ &， % ’， $ ） ( %1 #
蒋文春
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序
言
圆度很小， 建模时可将筒体近似为平板来进行计算。 由于 1 形接头 附 近 是 最 值 得 关 注 的 区 域， 因此在 1 形接头附近网格划 分 较 密， 在远离 1 形接头的区域 比 较 稀 疏。 几 何 模 型 及 网 格 划 分 如 图 & 所 示， 共 5 (## 个 节 点， 3 #33 个 单 元。 温 度 场 计 算 采 用 应力场计算采用 >%=? 单元。 =>%=? 单元，
［"］ 。 料在高温状态下 物 理 性 能 （熔 点 以 上） 保持不变 ［0］ 所示。 具 体 物 理 性 能 和 力 学 性 能 如 图0 //012 的 潜
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移动热源模拟 对于三维 模 型， G!AH 采 用 高 斯 热 源 就 可 以 得
［2］ 。将电弧看成辐射状对称并成 到满意的模拟结果
径 ! !"" ;;， 设计 温 度 &5" < ， 筒 体 壁 厚 &3 ;;， 半 管内径 53 ;;， 壁 厚 # ;;， 半 管 坡 口 为 内 坡 口。 半 管、 筒体均为薄壁 结 构， 相 对 一 个 半 管 而 言， 筒体的
收稿日期：!""# $ "% $ &’ 基金项目： 国家留学回国人员科技活动择优资助项目 （ !""!"(）
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式中： ! ， 电 流、 电弧移动速 "， # 分 别 为 电 弧 电 压、 度； （:5 . 的 热 流 分 布 在 范 * + 为电弧 有 效 加 热 半 径 围以内） ； （ -， - 为点 #）到 电 弧 中 心 的 距 离； ! 是电
［5］ ； 通过焊 弧热效率常数， 取为 1 / U1 % 1 为最大功率。
第 !’ 卷 第 & " 期 !""# 年 & " 月
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蒋文春， 巩建鸣， 陈 虎， 涂善东
!&"""(） （南京工业大学 机械与动力工程学院，南京
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对接焊缝 ?1D坡口 角焊缝 25D内坡口
在此多次耦 合 计 算 程 序 中， 需要运用单元生死 技术 （ #$#%#&’ ()*’+ ’#,+&)-.# ） 来实现焊缝金属的形 成。同时， 在进行半管对接焊时， 将简体以及两条角 焊缝单元全部杀死； 在进行半管与筒体组焊时， 再将 筒体单元以及两条角焊缝单元依次激活。这是因为 在进行对接焊时， 筒体不受影响， 假如不将筒体单元 杀死， 那么在半管起弧与收弧的地方， 筒体受热以后 将产生较大的应 力， 与后面角焊缝焊接产生的应力 叠加， 出现高应力区， 与实际不符合。 ;&< 材料热物理性能参数 半管、 筒体 材 料 均 为 //012 不 锈 钢。 焊 材 和 母 材的材料相同， 热力学性能与温度相关， 并且假定材
接时间的变化和焊接速度来表示热源移动。 ;&D
图< #$% &< ==<>? 材料性能随温度的变化 ’0*-5$0) 3523-5*$-, 27 ==<>?
边界条件和初始条件 在热 分 析 中， 半管和筒体的内外表面均考虑对
流和 辐 射 边 界 条 件， 对 流 系 数 取 41 H 8 %" V， 辐射发
［&］ ， 对半管夹套 1 形接头残余应力进 软件 )*)+,-
行了三维有限元分 析， 得到 1 形接头焊接残余应力 分布规律。
图%
半管夹套 ’ 形接头几何模型及网格划分 ()* &% +,-.,/0)1 .-2,3 452 .,67)5* -8 74389:):, ’9;-)5/
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