Monel-400合金焊接温度场的数值模拟
蒙乃尔合金的焊接

蒙乃尔合金的焊接摘要:蒙乃尔合金是一种机械性能和加工性能好,耐腐蚀性强的Ni-Cu合金,在焊接加工时容易产生热裂纹和气孔等缺陷。
通过对这些缺陷的分析,找出了缺陷产生的原因,经过焊接工艺试验,制定出合理的焊接工艺参数,解决了焊接中的裂纹和气孔问题。
关键词:蒙乃尔合金;焊接工艺;热裂纹;气孔我公司现为某厂生产的2台蒙乃尔合金换热压力容器,其筒体直径为Φ1300*12,主体材质为上下管箱为Monel400,中间筒体316L和Q345R。
316L和Q345R是我厂经常接触的材料,对其焊接性比较了解。
但是蒙乃尔是Ni-Cu组成的合金,该合金具有优良的耐腐蚀性能和良好的机械性能和加工性能。
适用于食盐、氨水、苛性碱和碳酸盐溶液,以及酒精、染料溶液等腐蚀性介质的设备和管道。
由于Monel400是我公司第一次接触,首先要对其焊接性作出分析,并作出焊接工艺评定。
1.Monel400的基本性能和焊接工艺特点(1)蒙乃尔属于镍铜系列合金.其化学成分和机械性能见表1:表1:由上表可见:Monel400的强度,冲击韧性较高,延伸性较好,可用在耐腐蚀要求较高的场合。
(2)焊接工艺特点 Monel400在液态下的流动性及浸润性很差,焊接接头容易产生热裂纹,气孔和不良的表面成形。
为了保证现场焊接的质量,对产生焊接缺陷的原因进行分析如下:a.热裂纹的形成机理蒙乃尔合金产生热裂纹的原因有冶金因素和工艺因素,其中冶金因素起主导作用。
蒙尔合金焊接时,由于S,Si等杂物在焊缝金属中偏析S和Ni可形成Ni-NiS低熔点共晶,在焊缝金属凝固过程中,这种低溶点共晶在晶界形成一层液态薄膜,在焊接应力的作用下形成所谓晶间裂纹。
Si在焊接过程中和氧等形成复杂的硅酸盐,在晶界形成一层脆的硅酸盐薄膜,在焊缝金属凝固后的高温区形成高温低塑性裂纹;另一方面,由于蒙乃尔合金导热性差,焊接热量不易散出,容易形成过热造成晶粒粗大,使晶间夹层增厚,减弱了晶间结合力,还能使焊缝金属的液固相存在时间加长,促进了热裂纹的形成。
《2024年基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》范文

《基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》篇一一、引言随着制造业和工业自动化技术的飞速发展,焊接技术已经成为一种关键的加工手段,被广泛应用于机械、船舶、航空和汽车等领域。
焊接过程中的温度场和应力分布直接影响焊接质量和性能。
因此,通过数值模拟研究焊接过程中的温度场和应力分布具有重要意义。
本文利用ANSYS软件对焊接过程进行数值模拟,分析温度场和应力的变化规律,为优化焊接工艺和提高焊接质量提供理论依据。
二、ANSYS在焊接模拟中的应用ANSYS是一款广泛应用于工程领域的有限元分析软件,具有强大的热-结构耦合分析能力。
在焊接模拟中,ANSYS可以通过建立三维模型、设定材料属性、加载边界条件等方式,对焊接过程中的温度场和应力进行数值模拟。
通过ANSYS软件,我们可以更加直观地了解焊接过程中的温度分布和应力变化,为优化焊接工艺提供理论支持。
三、焊接温度场的数值模拟研究(一)模型建立与材料属性设定在ANSYS中建立焊接过程的有限元模型,设定材料属性,包括热导率、比热容、热膨胀系数等。
根据实际焊接工艺,设定加热速度、焊接速度、电流等工艺参数。
(二)温度场模拟与结果分析在设定的边界条件下,模拟焊接过程中的温度场变化。
通过分析温度场的分布规律,可以得出焊接过程中各部位的加热速度、峰值温度等信息。
结合实际工艺参数,可以优化焊接工艺,提高焊接质量和效率。
四、焊接应力的数值模拟研究(一)模型建立与材料属性设定与温度场模拟类似,在ANSYS中建立焊接过程的有限元模型,并设定材料属性。
考虑到焊接过程中的热-结构耦合效应,需要设定材料的热弹塑性本构关系。
(二)应力模拟与结果分析在模拟过程中,考虑热-结构耦合效应,分析焊接过程中的应力分布和变化规律。
通过分析应力场的分布、大小和变化趋势,可以得出焊接过程中各部位的应力状态和变形情况。
结合实际工艺参数和应力分布规律,可以优化焊接工艺,减少焊接过程中的残余应力和变形。
五、结论本文利用ANSYS软件对焊接过程中的温度场和应力进行了数值模拟研究。
蒙乃尔焊接技术攻关

蒙乃尔焊接技术攻关摘要:本文通过对蒙乃尔400焊接性进行分析研究,并进行焊接工艺评定试验,确定合适的蒙乃尔400焊接工艺参数,并在实践中加以应用。
关键词:蒙乃尔400;焊接工艺评定试验;工艺参数蒙乃尔合金又称镍合金,是一种以金属镍为基体添加铜、铁、锰等其它元素而成的合金。
蒙乃尔合金具有优良耐腐蚀性能和中温强度,尤其在中高温的强酸、强碱介质中有很好的耐腐蚀性能。
化工二厂草甘膦生产中使用了蒙乃尔400材料。
但在通常的焊接工艺条件下,其焊缝中易出现气孔、未焊透及焊接裂纹等缺陷。
由于该材料的焊接原先一直由厂家进行,一方面在遇到紧急情况下不能满足生产需要,另一方面厂家生产费用较高,为了使该材料的焊接技术为我掌握,因此攻克该新材料的焊接技术迫在眉睫,同时也将不断提升工程分公司为公司生产服务的能力。
一、蒙乃尔400焊接性能分析蒙乃尔400化学成分如表1,室温下机械性能如表2。
表1蒙乃尔400化学成分表2蒙乃尔400室温机械性能1、在焊接中,由于蒙乃尔在一个温度区间形成一个互熔合金而凝固,这样就使得合金的流动性相对较差,并且由于熔点高、导热性差,造成过热区高温停留时间过长,使其过热区出现粗大晶粒,就很可能使枝晶缩松在晶界处形成,使焊接接头的塑性严重下降。
2、蒙乃尔容易吸收气体(主要吸收h2、co等气体),在焊接过程中,如果吸收的气体不能及时扩散出去,就会形成分散气孔,造成类似“马蜂窝”式缺陷,甚至有贯穿整个焊缝的可能。
3、蒙乃尔合金的焊接,当含碳量和含硅量增加时,焊接性能很差。
当含硅量达到1.5%以上时,就不大焊接了。
而硫、磷及低熔点金属以液态薄膜的形式存在于界面,形成很大的收缩力,导致热裂纹的倾向严重。
并且蒙乃尔导热系数小,线膨胀系数小,在焊接局部加热和冷却的条件下,接头在冷却过程中可形成较大的拉应力,易于产生焊缝凝固裂纹【1】。
4、蒙乃尔材料焊接时,由于焊缝中合金元素含量高,熔池流动性差,易造成焊缝表面成形不良,主要表现在根部焊道背面恶化及盖面焊道表面粗糙。
部分高温合金牌号及成分

部分高温合金牌号及成分部分特种合金牌号及成分Monel 400相近牌号UNS Trademark W.Nr N04400 Monel400 2.4360 Monel 400 的化学成分: 合金 % 镍 铜 铁 碳 锰 硅 硫 Monel400 最小 余 量28最大 34 2.5 0.3 2 0.5 0.024 Monel 400 的物理性能:在常温下合金的机械性能的最小值: 密度 8.83 g/cm3 熔点 1300-1390 ℃ Monel 400合金和状态抗拉强度Rm N/mm 2 屈服强度 RP0.2 N/mm 2 延伸率A5 % Monel40048017035Monel 400 应用领域:Monel400合金是一种多用途的材料,在许多工业领域都能应用:1.动力工厂中的无缝输水管、蒸汽管2.海水交换器和蒸发器3.硫酸和盐酸环境4.原油蒸馏5.在海水使用设备的泵轴和螺旋桨6.核工业用于制造铀提炼和同位素分离的设备7.制造生产盐酸设备使用的泵和阀Monel K500相近牌号UNS TrademarkN05500MonelK500Monel K500 的化学成分:合金%镍铜铝钛铁锰硫碳硅Monle K500最小6327.02.300.35最大33.03.150.852.01.50.010.250.5Monel K500 的物理性能:密度8.05 g/cm3熔点1288-1343℃Monel K500 在常温下合金的机械性能的最小值:合金和状态抗拉强度Rm N/mm2屈服强度RP0.2N/mm2延伸率A5 %Monel K500110079020此合金具有以下特性:Monel K500具有与Monel 400 相同的耐蚀性能,但是具有更高的机械强度和硬度。
具有较好的耐热腐蚀性能和长期组织稳定性。
主要用于制造航空发动机上的工作温度在750℃以下的涡轮叶片及燃气轮机叶片;用于制造船舶上的紧固件、弹簧;化工设备上的泵、阀门零部件;造纸设备上的刮浆刀片等。
Monel-400合金环焊温度场和残余应力场的数值模拟

6O 0 70 0
8 0 0
3. 94 4. 24
一
— — — — — —
一
1 . 66 1 . 70
1 . 74
焊 接 应 力 应 变 计 算 以 热 传 导 分 析 为 基 础 , 时 同 考虑焊 接 区域组 织转 变时 应力应 变 场带来 的影 响 。 材 料 属 于 弹性 或 塑 性 状 态 的应 力 应 变 关 系 为
p 瓦( + a ) c = a 軎 ) + 軎
式 中 c为 材 料 比 热 容 ; 为 材 料 密 度 ; 为 导 热 P A
A W m- . ≯ cJ ; / ( ℃) I ,. . {
系数 ; T为 温度 场 分 布 函数 ; Q为 内热 源 强 度 ; 为 t 传热 时间 。 些参数 中 A, c都 随温度 变化[ 这 P, 4 1 。
热 源 的 移 动 依 靠 分 布 循 环 加 载 来 实现 f 本 研 究 5 l 。
热 源 的 移 动 是 通 过 ANS YS的 A DL语 言 的 循 环 语 P
句 * O E D O来实 现 利用 生死单 元来模拟焊缝 D N D
金 属 的 填 _。 6 】
4 计 算 结 果 和 分 析
为 了计 算 精 确 , 分 网 格 时 焊 缝 区 和 过 渡 区细 划 密 ( 格 尺 寸 约 1 6m )母 材 区 相 对 稀 疏 , 用 八 网 . m , 7 采
3 加载 计 算
在模拟计算过程 中, 用完全的牛顿一拉夫森法 采
进 行瞬 态热分 析 。 置母 材 区的初始 温度 为 2 设 5℃ , 整 个 模 型 的 外 表 面 施 加 对 流 边 界 条 件 , 于 本 研 由
焊接数值模拟

• 熔池部分
– 熔池形状 – 流场、温度场,主要研究成分和工艺因素对熔池形状的影响,针对焊缝形状控制 – 冶金过程
熔池中气体的吸收 各种氧化物氮化物的形成及其作为非均质核心的可能 凝固-熔质元素分布(偏析)凝固组织大小,结晶路径,BTR区间等
• 结构部分
– 热过程-温度分布,预测热影响区大小,冷却时间,Tmax,th,t8/5等 – 力过程-应力应变过程,残余应力和变形,预测裂纹,控制残余应力和变形 – 冶金过程-晶粒长大,相变,氢扩散,接头组织性能预测,冷裂敏感性预测等 – 接头性能与服役行为-不均质、存在缺陷、残余应力-断裂行为(韧性,强度,
• 热加工过程模拟的意义
– 认识过程或工艺的本质,预测并优化过程和工艺的 结果(组织和性能)
– 与制造过程结合,实现快速设计和制造
焊接数值计算
2-1 热加工过程模拟的研究现状 热加工过程模拟的发展历程
• 60年代(起源于铸造)
• 丹麦的Forsund首次采用有限差分计算了铸件凝固过程的传 热。
• 美国随后进行了大型铸钢件温度场的数值模拟
q(x, y, z) q(0,0,0) e3x2 / a2 e e 3z2 / b2 3 y2 / a2
q(0,0,0) 6 3Q a2bπ π
q(x, y) qm eK x2 y2
qm
QK π
;
K
3 R02
q(x, y, z) qm eK x2 y2
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QK πH
;
3 K R02
Gauss 圆柱热 源模型
热流密度均匀 分布的柱状热
源模型
H b
H
H
热源示意图 x
高温合金电子束焊接温度场数值模拟

小孔直接作用在工件内部。电子束焊接熔池特有的 小孔效应, 形成的熔池深宽比大, 普通熔焊的热源模 型, 如高斯分布面 热 源、 双 椭 球 热 源 模 型 等, 并不适 合模拟电子束深 而 窄 的 焊 缝, 因此近年来发展了柱 状、 锥状等体热源模型。 作者 根 据 高 温 电 子 束 焊 接 工 艺 分 析 的 需 要, 在 对电子束焊接机理及热源模型进行深入研究的基础 上, 选取组合热源模型, 应用有限元方法对高温合金 电子束焊接温度场进行了数值模拟。
图? 电子束焊接温度场模拟结果 (右) 与实际焊缝 (左) 对比 "#$ % ? @70’,1#37. 7* 3#026,-#7. 1(326- ,.9 1(,6 /(69
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焊
接
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第 +$ 卷
[ !] 则 , 取温度高于 " #$" % 为 熔 池, 模拟熔池最宽处
为 " & ’ ((。由此可以看出, 组合 热 源 能 很 好 地 模 拟 电子束深熔焊的焊缝特征。通过适当调整模型中参 数, 可模拟不同工艺及材料的模型。 模拟后的结果显示, 在电子束焊接过程中, 起始 位置处由于工件温度低, 工件并未穿透, 熔池随时间 逐渐加深, 在 " & ! ) 时, 即距 焊 接 起 始 处 " & * (( 处, 熔池穿透工件, 形成完全穿透焊缝。此后, 焊缝深度 稳定, 形成相对 稳 定 的 准 稳 态 过 程。 准 稳 态 焊 接 过 程中各 时 刻 最 高 温 度 略 高 于 + *,, % , 接近材料沸 点, 略有波动。焊缝末端, 由于热源前方已经没有固 体材料, 热量不能 向 前 方 传 递, 温 度 急 剧 升 高, 达到 或超过材料汽化温度。在实际加工过程中应表现为 材料的汽化, 熔池加宽, 以及材料蒸汽喷出的反作用 力引起的匙孔增大。在焊缝终端形成的一个比熔池 略宽的空洞, 应是此时停止电子束作用, 保留下来的 熔池形状。 图 $ 为工件上表面近缝区的热循环曲线模 拟 结 果。由图中可以看出, 随着与焊缝距离的增加, 材料 所达到的最高温度迅速下降。这种温度梯度是焊接 应力 及 变 形 产 生 的 根 源。 在 + (( 处, 最高温度为 最 高 温 度 只 有 !,, % " "*, % 左右。在 # & * (( 处, 左右。这与试件焊缝热影响区宽 , & - ((, 即距焊缝 中心为 " & ’ . + (( 相吻合。
Monel400耐腐蚀镍铜合金指标

Monel400耐腐蚀镍铜合金指标以下是Monel 400合金的主要指标:
1.化学成分
-镍(Ni):余量
-铜(Cu):28-34%
-铁(Fe):≤2.5%
-锰(Mn):≤2%
-硅(Si):≤0.5%
-碳(C):≤0.3%
-硫(S):≤0.024%
2.物理性能
- 密度:8.80 g/cm³
-热导率:22.6W/(m·K)
-线膨胀系数:13.9μm/m°C(20-100°C)
3.机械性能
-屈服强度(室温):≥240MPa
-抗拉强度(室温):≥550MPa
-伸长率(室温):≥35%
4.耐腐蚀性能
- 盐水:Monel 400对海水和盐水具有极佳的抗腐蚀性能,适用于船
舰和海洋设备等领域的应用。
- 硫酸:Monel 400能够在浓度小于80%的硫酸中长时间使用,对于
低浓度的硫酸,其腐蚀速率非常低。
- 碱溶液:Monel 400能够在浓度小于85%的碱溶液中使用。
- 高温环境:Monel 400能够在摄氏700度以下的高温环境中使用。
需要注意的是,Monel 400合金对干氯化物和氢氟化酸的腐蚀性较高,应避免在这些介质中使用。
总结起来,Monel 400是一种耐腐蚀镍铜合金,具有良好的抗海水、
盐水、硫酸和碱溶液的耐蚀性,适用于海洋、化工和电力等领域的应用。
其主要指标包括化学成分、物理性能、机械性能和耐腐蚀性能等方面。
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文章编号 :04・96 (0 0 0 08 一 4 10 一 72 2 1 ) 2— 18 o
Moe-0 金焊 接 温度 场 的数值 模拟 nl 0合 4
刘轶 暄, 李慧琴 , 麻永林 , 邢淑 清, 陈重毅
( 内蒙古科技大学 材料与冶金学 院,内蒙古 包头 041) 100
关键词 : nl 0 Moe 40合金 ; - 数值模拟 ; 温度场
w l t s n tan ed sr sa d sri . e ,
M nl 0 oe4 0合金是镍基合 金, 的质量分数为 - 镍
6 % , 的质 量分 数 为 2 % , 一种 单 相 奥 氏体 合 3 铜 5 是
金 , 且该合 金 的抗 腐 蚀 性 强 , 其 在 中高 温 的 强 并 尤 酸、 强碱 中表现 出 了良好 的耐腐蚀 性. 该合 金 的另 一
途越来 越 广 , 中 自然会 遇 到 一 些 焊 接 方 面 的 问 其
1 有 限元 模 型 的建 立
实体 模型 尺寸 : 外半 径 =10 m , 0 m 内半 径 =
9 m, 0m 壁厚 =1 m, 0 m 圆桶长 = 0n 焊缝 坡 口底 5 l m, 部进行 14 m 的打 底焊 , 接道 次 为 3道 次 , 接 . m 焊 焊
中图分类号: C 7 1 TA5 .9 文献标识码 : A
,
摘
要 : Moe 40合金圆桶轴向焊接的温度 场进 行有限元分 析, 对 nl 0 - 采用 A S S大 型通用有 限元分析软件 , NY 利用
A D 语言进行数值模拟计算. PL 从焊接温度场方面 , 对圆桶轴向焊接过程的数值 模拟进行 了分析讨论. 为以后焊接 应力应变的模拟计算及分析奠定了基础.
计算 过程 中 , 文采 用 了 A S S的生死 单 元技 术 , 本 NY 线性化处 理远离 焊 缝 区. 后 通过计 算 结果 可 以得 最
出整个焊 件 的温 度 场分 布 , 即各 个节 点 的温 度 随热 源 移动 的变化情况 .
个重要 特征是不 容易 产 生应 力腐 蚀 裂纹 , 削 性 能 切 良好. 随着近几年该 合金在 核工业 、 航空等领 域 的用
Ke r s Mo e- 0 l y u r a i l t n; mp rt r ed y wo d : n l 0 al ;n me c ls 4 o i mu ai t o e e au e f l i
A s atM nl 0 l ycl dr oft i l e m e tr f l a nl e yf i l e t to.A p ga a ee・ b t c: oe- 0ao yn e nt dn l t pr ue e w saa sdb nt ee n hd r rm w sdvl r 4 l i l u aw de a d i y i e m me o
Th u e i a i u a i n o l i g t m pe a ur ed o o e - 0 lo e n m rc lsm l to fwe d n e r t e f l fm n l4 0 a l y i
L U ua L iqn, I Yix n, IHu ' i MA n —i XI S u- ig, Yo g ln, N h q n CHEN o g-i Zh n y
( t a adMe l r colInr no aU i rt 。 e neadT c n1g , at 10 0 C i Ma r l n tl g Sh o, e Mogl n esy f i c n eh 。 Y B o u04 1 ,hn e i au y n i v i Se 。 。 a
题 j由于该合 金 的物 理 性 能 , 导 热 性 和 液 体 时 l . 如
流 动性 与普通钢有很 大 的 差异 , 焊 接后会 出现 气 在 孔、 未焊 透、 未融 合等 宏 观 缺陷 , 给焊 缝 的性 能 带来
速度 为 5m s实体模 型如图 1 m/ , 所示 .
不 良的影 响 . 文通 过 对 M nl 0 本 oe- 0合 金 圆桶 轴 4 向焊缝温度 场的分 析 , 而为 以后 的焊接 应力 应 变 进 分 析奠定基础 . 在 对 M n10 oe. 0合 金 圆桶轴 向焊接 的数值 模 拟 . 4
a d d s u s d i e a d t h l i g tmp r tr ed, h c y ly t e fu d t n fr te s lai n a d a ay i o h u q e t n ic s e rg r o te wedn n e e au e f l w ih ma a h o n ai o h i i o mu t n n l s ft e s b u n o s
为了节省计算时间, 把实体模型分成 3 个区: 焊 缝 区、 过渡 区和母 材 区 , 中母 材 区离 焊缝 处较 远 , 其 并且把母 材 区线 形 化处 理 , 这样 在很 大程度 上 可 以
o e i P n u g u p s db NS o w r p dw t A DLl g aesp o e yA YSs, ae.T er h yid ra il u r a i lt no ligpoe sw saaye h a h g t l e xa me cls i c n n i muai f dn rcs a n zd o we l
21 00年 6月
内 蒙 古 科 技 大 学 学 报
J u l f n e n oi iest fS in ea dT o na o n rMo gl Unv ri o ce c n l I a y
Jn ,0 0 u e2 1
Vo. 1 29, 2 No.
第2 9卷第 2期