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基于HyperMesh的球閥袖管焊接溫度場分析

2013/12/3 10:07:35      點擊:

  0 概述

  某抗硫球閥為對焊端結構,需要焊接袖管。焊接過程產生的高溫會造成熱影響區域,尤其接頭區域產生變形及殘余應力,同時O型密封圈處的溫度也是焊接生產比較 關心的問題。因此,為弄清袖管焊接過程中溫度場規律,給實際焊接生產提供理論性指導,有必要對袖管焊接問題進行數值模擬。

  該抗硫球閥在設計過程中,考慮到焊接過程中復雜熱傳導對結構的影響,適當增加了袖管長度,降低焊接袖管時對閥門本體材料及閥門內件產生的影響。為了科學驗 證焊縫I和焊縫Ⅱ的熱影響區域及袖管設計長度的合理性,根據焊接試驗數據,通過有限元前處理軟件HyperMesh建立有限元模型,利用某求解器計算抗硫 球閥袖管的焊接溫度場,為定量評價焊接溫度對閥門及袖管本身的影響提供科學依據。

  1 問題描述

  如圖1為抗硫球閥閥蓋和袖管焊接示意圖,閥蓋與袖管、袖管與袖管通過焊接方式連接起來,如圖中焊縫Ⅰ和焊縫Ⅱ,當設計的閥蓋進出口段與袖管過短,完全在焊接熱影響區域時,會影響閥門密封性能以及力學性能。因此,需要解決以下問題:

  1、當焊接焊縫Ⅰ時:

  A、閥蓋和袖管焊接時,計算O型圈密封面處的溫度?控制目標:≤200℃。

  B、焊接熱影響區(溫度≥200℃的區域),當溫度降到200℃時,此位置距離焊縫中心的距離是多少?目標:計算焊接熱影響區域范圍。

  2、當焊接焊縫Ⅱ時:

  焊接熱影響區(溫度≥200℃的區域),當溫度降到200℃時,此位置距離焊縫中心的距離是多少?目標:計算焊接熱影響區域范圍。

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圖1 閥蓋和袖管焊接示意圖

  2 焊接溫度場計算模型

  焊接是一個涉及電弧物理、傳熱介質、冶金和力學的復雜過程,在傳熱過程中,從局部快速加熱到高溫,并隨后快速冷卻,伴隨著金屬熔化和凝固、加熱或冷卻過程 的相變、焊接應力與變形的產生等。隨著熱源的移動,整個焊件的溫度隨時間和空間急劇變化,材料的熱物理性能也隨溫度劇烈變化,同時還存在熔化和相變時的潛 熱現象。

  實際焊接熱過程異常復雜,其模擬計算不可能考慮到所有的實際焊接條件。由于本計算旨在考察焊接時熱傳導對閥蓋及袖管的影響,因此為了計算保守,同時控制計算成本,提高效率,在建模計算時做適當的簡化假設。

  不考慮焊縫內部的變化,即對溫度在熔化溫度以上的熔化金屬部分仍然看作固態,所以其熱控制方程采用熱傳導微分方程。

  假定材料是各向同性,導熱系數不隨溫度變化,不考慮材料的熱物理性能對溫度的依賴性。

  根據實際焊接工藝以及考慮結果保守性,使用高斯面熱源模型模擬對工件的加熱作用。

  根據學者研究結論和工程經驗,由于在焊接熱源移動過程中,熱源位置的溫度場分布形狀基本保持不變,具有一定的準穩態分分析的特征。因此,本計算采用穩態熱分析方法。

  2.1 熱源模型以及過程模擬

  根據實際焊接工藝,摒棄復雜的熱源模型,如半球狀高斯體熱源、雙橢球功率密度分布熱源、高斯柱體熱源、旋轉體熱源等模型,而選取高斯面熱源模型,如下式:


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基于HyperMesh的球閥袖管焊接溫度場分析

   式中<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>上海<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>飛球閥門</a>有限公司</a>為換熱系數;<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>上海<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>飛球閥門</a>有限公司</a>為工件溫度;<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>上海<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>飛球閥門</a>有限公司</a>為環境溫度。

   當溫度達到200℃(此溫度下鋼開始喪失彈性)之處距離焊接熱源焊縫軸線的距離,確定焊接熱影響的區域范圍,焊接袖管采用的焊接工藝參數按照WPS,電流<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>上海<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>飛球閥門</a>有限公司</a>,電壓<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>上海<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>飛球閥門</a>有限公司</a>,電弧移動速度<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>上海<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>飛球閥門</a>有限公司</a>,袖管厚度T=16mm,熱利用有效系數為飛球閥門。電弧焊的有效功為<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>上海<a href='http://www.yeexun.cn/' target='_blank'>飛球閥門</a>有限公司</a>

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圖2 有限元網格


  3 計算結果

  計算模型采用單點高斯熱源模型進行穩態熱分析,圖3為點焊焊縫Ⅰ時整體的溫度場計算結果分布云圖,最高溫度區域均位于焊縫生熱單元處,且溫度隨離焊縫中心 距離的增加而逐漸降低,溫度最高達1190℃。圖4為閥蓋的溫度場分布云圖,閥蓋最高溫度為630℃,最低溫度為110℃,熱源以圓周方式向周圍擴散,圖 中灰色區域為熱影響區域(超出200℃范圍),O型圈密封面的溫度為144℃,在控制目標范圍內。

  圖5 點焊焊縫Ⅰ時熱影響區距離示意圖。點焊焊縫Ⅰ時,熱源以圓周方式向周圍擴散,溫度逐漸降低,當溫度降到200℃時,閥蓋端距離焊縫的距離為60mm,袖管端距離焊縫的距離為83mm。

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圖3 點焊焊縫Ⅰ時整體溫度場分布云圖

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圖4 點焊焊縫Ⅰ時閥蓋的溫度場分布云圖


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圖5 點焊焊縫Ⅰ時熱影響區距離示意圖


  圖6為點焊焊縫Ⅱ時的溫度場計算結果分布云圖,最高溫度區域均位于焊縫生熱單元處,溫度最高達1400℃,且溫度隨離焊縫中心距離的增加而逐漸降低,圖中灰色區域為熱影響區域(超出200℃范圍),袖管兩端距離焊縫的距離為144mm(對稱)。

圖6 點焊焊縫Ⅱ時閥蓋溫度場分布云圖

  4 結果分析

  本計算采用單點高斯熱源模型進行穩態熱模擬,可以較好地模擬出熱源在不同位置處的溫度場分布,并得出距焊縫不同位置的溫度值。比較實際焊接和熱處理過程,數值模擬忽略了部分影響因素,因此模擬結果與真實結果會存在一定的差異,但與實際焊接溫度場的分布基本一致。

  與采用移動高斯面體混合熱源模型的非線性瞬態模擬相比較,在溫度場分布趨勢上是一致的。由于穩態熱模擬,不考慮金屬相變的冷卻過程,因此在焊縫和熱影響區的軸向溫度值會更大一些,結果更保守,這樣對于僅判斷熱影響區域是合理的。

  5 結論

  利用Altair公司的HyperMesh有限元前處理軟件建立焊接溫度場有限元模型,采用單點高斯熱源模型進行穩態熱分析,計算結果與實際焊接溫度場的分布基本一致,且結果保守,可較好的評價焊接過程對閥門本體及附件產生的影響。

  6 參考文獻

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