SS304半管夹套焊接部位残余应力三维有限元模拟

( 南京工业大学 机械与动力工程学院, 南京 210009)
摘 要: 半圆管夹套设备最常见 的问题 是夹套 焊接部位 开裂引 起泄漏, 焊 接残余应 力 是重要的影响因素之一。利用有限 元软 件 ABAQUS, 开 发了 一个 多次顺 次耦 合焊接 残 余应力有限元计算程序, 并利用 FORTRAN 语言编写移动高斯热源的分布子程序, 对 304 不锈 钢半管夹套焊接部位残余应力进行数值模 拟, 得 到半管 夹套 T 形接头 焊接残余 应 力分布规律。计算结果表明 , 在 T 形 接头 附近, 应力 水平较 高, 易诱 使焊缝 开裂 失效。 并对 半管夹套的焊接制造提出建议, 为优化半管夹套焊接 工艺、控制焊接残余应力 提供 理论依据, 对提高半管夹套设备的可靠性和安全 性具有重要意义。 关键词: 半管夹套; 焊接残余应力; 有限元; 多次顺次耦合; 软件 中图分类号: TG404 文献标识码: A 文章编号: 0253- 360X( 2006) 10- 077- 04
入的高斯分布如式( 1) 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( 2) 所示。功率 P 为
- 3r 2
P ( x, y, t ) = P0e r2 = b
3
UI
r
2 b
exp { -
3[ ( x -
vt ) 2 +
r
2 b
y2] } , ( 1)
P( R,
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 244 MPa, 最大 轴向应力为 212 MPa, 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 130 MPa, 然后逐渐递减。轴向应力为 压应力, 具 有峰值 217 MPa, 随着离开焊缝 中心, 轴 向应力逐渐递减。
图 2 T 形接头残余应力多次顺次耦 合计算程序 Fig. 2 Multi sequential coupling FE calculation procedure of welding residual stress for half pipe T joint
潜热为 3 105 kJ/ kg, 固相线 1 399 , 液相线 1 454 。常温屈服强度 254 MPa, 抗拉强度 296 MPa。
半管、筒体材料均为 SS304 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 料在高温状态下物理性能( 熔点以上) 保持不变[ 2] 。 具体物理性能和力学性能如图 3[ 3] 所示。SS304 的
图 3 SS304 材料 性能随温度的变化 Fi g. 3 Material properties of SS304
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。
2 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 S11 为环向应力, 沿半管轴向的力 S33 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 4, 图 5 分别给出了 半管对接焊后环 向、轴向应力的 分布。 图 6给出了半管内外表面环向应力和轴向应力分布。
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 50 m 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。
, t) =
P 0e-
3r2 r2
=
b
3
UI
r
2 b
exp{-
3[ R 2 +
(R
- vt -
r
2 b
R 0) 2] } , ( 2)
式中: U, I , v 分别为电弧电压、电流、电弧移动速
度; rb 为电弧有效加热半径( 95% 的热流分布在范 围以内) ; R 为点( R , ) 到电弧中心的距离; 是电 弧热效率常数, 取为 0. 70[ 5] ; P0 为最大功率。通过焊 接时间的变化和焊接速度来表示热源移动。
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焊接学报
第 27 卷
模型比较复杂, 不仅具有半管对接焊缝, 还包括 两条角焊缝, 且在对接焊缝与角焊缝交汇处形成 T 形接头。因此, 共需进行三次耦合计算。先进行对 接焊温度场计算, 然后进行对接焊应力场耦合计算; 再计算半管与筒体焊接的温度场, 然后进行应力场 的耦合计算, 同时将对接焊缝的应力场耦合进去, 最 终得到T 形接头焊接残余应力。多次顺次耦合计算 程序如图 2 所示。
图 7 半管与筒体组焊的环向应力分布 Fig. 7 Hoop stress distribution for assembling welding between half pipe and shell
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焊接学报
第 27 卷
图 8 半管与筒体组焊的轴向应力分布 Fig. 8 Axial stress distribution for assembling
1. 6 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 10 W/ m2K, 辐射发
第 10 期
蒋文春, 等: SS304 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 0. 85, 初始温度取 25 。 在力分析场中, 半管对接焊缝中心面为轴对称
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 软件 ABAQUS[ 1] , 对半管夹 套 T 形接头残余 应力进 行了三维有限元分析, 得到 T 形接头焊接残余应力 分布规律。
1 半管夹套 T 形接头有限元模型
1. 1 几何模型及网格划分 某半管夹套发酵罐, 设计压力 0. 3 MPa, 筒体内
图 4 半管对接焊后环向应力分布 Fig. 4 Hoop stress distribution of butt weld
图 5 半管对接焊后轴向应力分布 Fig. 5 Axial stress distribution of butt weld
3 半管与筒体组焊残余应力计算
图 7, 图 8 分别给 出了半管对接焊以后与筒体 组焊的环向应力和轴向应力的分布。从图 7 可以看 出, 环 向 应 力 S11 在 T 形 接 头 处 具 有 最 大 值 267 MPa, 另外在半管内壁顶部区域也具有较大的残 余应力。这是由于在角焊缝焊接之前, 半管已经点 焊固定在筒体上, 焊接角焊缝时, 半管受热后, 向半 管壁外产生翘曲变形, 此翘曲变形受到点焊固定的 约束, 因而在顶部区域产生较大的残余应力。
weldi ng between half pipe and shell
大约增加了 10% 。在对接焊始点和终点处, 由于角 焊缝的焊接, 应力分布发生了变化, 其余地方分布规 律基本差不多。
为更好地观察 T 形接头附近残余应力分布状态, 在半管与筒体的连接面上, 从 T 形接头处, 沿半管轴 向取路径 1, 沿筒体壁厚方向取路径 2, 如图 8 所示。 图 9 和图 10 分别给出了两条路径的应力分布。
第 27卷 第10期
焊接学报
2 0 0 6 年 1 0 月 TRANSACT IONS OF THE CHINA WELDING INST ITUTION
Vol. 27 No . 10 October 2 0 0 6
SS304 半管夹套焊接部位残余应力三维有限元模拟
蒋文春, 巩建鸣, 陈 虎, 涂善东
从图 8 可以看出, 轴向应力 S33 在 T 形接头附 近处具有最大值 321 MPa, 已经超过屈服强度, 成为 最薄弱环节。
在角焊缝焊接结束后, 半管应力整体有所增加,
图 6 对接焊后内外表面路径的应力分布 Fig. 6 Stress distribution of inner and outside surface of butt weld
1. 4 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! V∀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 1 所示。
径 2 200 mm, 设计温度 150 , 筒体壁厚 14 mm, 半 管内径 54 mm, 壁厚 6 mm, 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: 2006- 03- 17 基金项目: 国家留学回国人员科技活动择优资助项目( 200209)
圆度很小, 建模时可将筒体近似为平板来进行计算。 由于 T 形接头附近是最值得关注的区域, 因此在 T 形接头附近网格划分较密, 在远离 T 形接头的区域 比较稀 疏。几何 模型 及网格 划分如 图 1 所示, 共 5 966个 节 点, 4 644 个 单 元。 温 度 场 计 算 采 用 DC3D8 单元, 应力场计算采用 C3D8 单元。
图 1 半管夹套 T 形接 头几何模型及网格划分 Fig. 1 Geometric model and meshing of half pipe T joint