（材料加工工程专业论文）07mnnimov乙烯球罐用钢焊接残余应力的数值模拟.pdf

天津穴学硕士学位论文 摘要 摘要 随着世界石油经济的飞速发展，乙烯产量的不断提高，乙烯球罐大型化的趋 势日益明显。由于大型乙烯球罐焊接残余应力的存在严重威胁着乙烯球罐的使用 寿命并置具有较大的安全隐患，因此宏观把握焊接工艺与残余应力之间的关系对 于控制乙烯球罐焊后残余廒力骞着十分重要的意义。本课题是以乙烯球罐用钢焊 接残余应力的数值模拟为对象，利用有限元软件动态模拟焊接的全过程，定量分 析焊接后的残余应力的分布和大小，通过对不同焊接工艺参数和预热温度下焊接 过程的模拟，分析焊接工艺参数和预热温度对焊接残余瘟力的影响，为乙烯球罐 在生产中的实际应用提供理论依据。通过少量的物理试验和大量的数值模拟技术 有机结合的方式，分析焊接过程中焊接接头的残余应力分布。 剩磊s y s w e l d 焊接有限元分桥软件，采用双椭球焊接热源模型，模拟了 乙烯球罐焊接过程，获 ! 导了不同工艺参数下焊接粗晶区的焊接热循环曲线，并分 析讨论了工艺因素对热循环参数的影响。同时，也应用s y s w e l d 软件模拟了 乙烯球罐热处瑗过程，数懂模拟考虑了材料热物理性能与温度的菲线性关系，以 及相变潜热对湿度场的影响，实现温度场、组织状态场和应力应变场三场耦合计 算，获得了多层焊接头残余应力的分布规律及焊后热处理对焊接残余应力分布状 态的影响。 关键词：乙烯球罐；残余应力；焊詹热处理；数值模拟 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t e t h y l e n es p h e r i c a lt a n k sa r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yh u g ea l o n gw i t ht h er a p i d a d v a n c e m e n to ft h ew o r l do i le c o n o m ya n dt h eu n c e a s i n ge n h a n c e m e n to fe t h y l e n e s o u t p u t h o w e v e r ，t h ee x i s t e n c eo fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s e ss e r i o u s l yt h r e a t e n sa n e t h y l e n es p h e r i c a lt a n k ss e r v i c el i f ea n de v e nm i g h tr e s u l ti ns e v e r es e c u r i t yd i s a s t e r ； t h e r e f o r ei ti si m m i n e n tt os o l v et h i sp r o b l e m 。t h i sp a p e rf o c u s e so nt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o no fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s si ne t h y l e n es p h e f i c a lt a n k s ，w h e r es y s w e l d ( a f i n i t ee l e m e ms o f t w a r e ) i su t i l i z e dt od y n a m i c a l l ys i m u l a t et h ee n t i r ew e l d i n gp r o c e s s a n dt oq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z et h ed i s t r i b u t i o no fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s e sa n dt h e i r v a l u e s t h ei n f l u e n c eo fw e l d i n gp a r a m e t e r sa n dp r e h e a tt e m p e r a t u r eo v e rw e l d i n g r e s i d u a ls t r e s s e si se x a m i n e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o no fd i s p a r a t ew e l d i n gp r o c e s s e s w i t hd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r sa n dp r e h e a tt e m p e r a t u r e n ea p p l i c a t i o no f e t h y l e n es p h e r i c a lt a n k si np r a c t i c a lm a n u f a c t u r i n gw i l lb et h e o r e t i c a l l yb a s e do ns u c h a ne x a m i n a t i o n t h ed i s t r i b u t i o no fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s e si nw e l d i n gj o i n t sd u r i n g w e l d i n gi so b t a i n e df r o mt h ec o m b i n a t i o no faf e we x p e r i m e n t sa n da b u n d a n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s n ew e l d i n gp r o c e s so fe t h y l e n es p h e r i c a lt a n k si ss i m u l a t e dw i t hs y s w e l d ， w h e r eam o d e li sa p p l i e di nt h ef o r mo fd o u b l ee h i p s o i dh e a ts o u r c e 。c u r v e so f w e l d i n gh e a tc i r c u l a t i o ni nc o a r s eg r a i nz o n ea r ea t t a i n e du n d e rv a r i o u sw e l d i n g p a r a m e t e r s ，w h o s ei m p a c to v e rt h eh e a tc i r c u l a t i o ni sd i s c u s s e dt h e r e a f t e r i na d d i t i o n ， t h em u l t i l a y e rw e l d i n gp r o c e s so fe t h y l e n es p h e r i c a lt a n k si sa l s os i m u l a t e dw i t h s y s 、v e l d i nw h i c ht h en o n - l i n e a lr e l a t i o n s h i pi st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nb e t w e e n w e l d i n gm a t e r i a l st h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t ya n dt e m p e r a t u r e b e s i d e s ，i n f l u e n c eo f l a t e n th e a ti n 曲a s et r a n s f o r m a t i o no v e rt e m p e r a t u r ef i e l di st a k e ni n t oa c c o u n ti nt h e s i m u l a t i o na sw e l l 。t h ed i s t r i b u t i o nl a wi sc o n c l u d e do fr e s i d u a ls t r e s si nm u l t i l a y e r w e l d i n gj o i n t ，a n ds oi st h ei n f l u e n c eo fp o s t w e l dh e a tt r e a t m e n to v e rt h ed i s t r i b u t i o n o fw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sa sar e s u l to ft h es i m u l a t i o no ft h r e ec o u p l i n gf i e l d s ： w e l d i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r ef i e l da n ds t r e s s s t r a i nf i e l d k e yw o r d s ：e t h y l e n es p h e r i c a lt a n k ，r e s i d u a ls t r e s s ，p o s t w e l dh e a tt r e a t m e n t ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 天津犬学2 0 0 6 簇本科生毕泣设计( 论文 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗叁鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 佟了明确的说弱并表示了谢意。 学位论文棒者签名毙嘞 签字魄衫年7 月歹圈 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者宪全了解基凄盘堂有关保馘、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阕和借阅。网意学棱 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密豹学位论文在解密看适用本授权说鹗) 学位论文作者虢名嘶 签字闩期：扣箩年罗月? f 1 天津大举硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 随着石油天然气工业的发展，乙烯球罐建造正出现一个蓬勃发展的趋势。 量前乙烯球罐在承嚣( 1 8 m p a ) 、低溢条传( 一4 9 0 m p a 的低焊接裂纹敏感性钢种的研制。8 0 年代中期由合肥通用所组织有关单位进行 国产c f 镶的工疆应焉研究，力我国大受球罐国产讫提供大量的有价值的数据【”。 自1 9 9 4 年大庆石化总厂乙烯球罐国产化科技攻关完成后，我闼已具备了公 称容积在2 0 0 0 立方米以下乙烯球罐国产化的能力，并达到了发达圜家的技术水 平。我国已叁主开发癌c f 一6 2 钢制1 5 0 0 立方米大型球罐，打破了藿内低温乙 烯球罐长期以来一直无材料可选，只能大量从国外进口的局面1 8 l 。 在“十一五”期间，大型( 2 0 0 0 3 0 0 0 立方米) 乙烯球罐的研制将是我们 发展的重点。容积的增大导致壁厚增加，因丽要求选择低温高强度锅种，我隔 与圜外的差距主要表现在球罐大型化所需的低温高强度钢品种少，相配套的焊 天津丈学硕士学位论文第一章绪论 接 生研究及大厚度乙烯球罐焊接残余应力的：i 舞| | 定及数值模拟分析也比较少。因 此，开展这方面的研究工作是非常必要的。 1 3 数值模拟在焊接中的应用 焊接数值模拟的理论意义在于，通过对复杂或不可观察的现象进行定量分 析和对极端情况下浅不可知的规则的推测稻预测，实现对复杂焊接现象的模掇， 以助于认清焊接现象的本质，弄清焊接过程规律 9 1 。其现实意义在于，根据对 焊接现象和过程的数值模拟，可以优化结构设计和工艺设计，从而减少试验工 作量，提高焊接接头的质量。 我国焊接界数值模拟研究起步于8 0 年代初，模拟的内容是以二维温度场或 薄扳准稳态湿度场为主，从9 0 年代开始，三维温度场的数值模拟已经开始。与 此同时，焊接数值模拟的领域也已经拓展到了熔池反应、凝固、固态相变、焊 接接头的性能、焊接残余应力等各个方面，并取得了长足的进步。 l 、焊接热过程分析 焊接热过程是影响焊接质量和生产率的主要因素之一。焊接过程的准确计 算和测定是定量焊接冶金分析、焊接应力变形分析以及对焊接进行质量控制的 前提。 焊接热过程分析包括焊接热源模型的建立与热物理性能随温度变化的影响 分析和传熟分析以及各种实际焊接接头形式、焊接程序、焊接工艺方法的边界 条件处理等。利用数值模拟方法计算焊接热过程，为合理选择焊接方法和工艺 参数以及迸一步进行冶金分析和动态应力应变分析奠定了基础。 早期，r y k a l i n 把焊接热源简化为点、线、面三种形式的理想热源，由于不 考虑材料热物理性能随温度的变化以及有限尺寸对解的影响，因此所得的解与 实际测定有相当大的镳差，尤其是在焊接熔池附近的区域误差很大，丽该区域 正是焊接工作者非常关心的部位。a d a m e s 、木原博和稻垣道夫等人根据热传导 微分方程，以大量的试验为基础，积累了不同材质、不同厚度、不同焊接线能 量以及不简预热温度等测量数据，并从传热学理论出发，建立了不同情况下的 焊接传热公式。后者比前者采用数学解析法要准确，但试验工作量大，有确定 的应用条件和范围，且可靠性取决于测试手段的精度。有限元法在焊接温度场 的分析和计算中的应用开始于2 0 世纪7 0 年代，近几年来，随着计算机技术的 发展，温度场的有限元计算有了长是的进展。但是在焊接过程中，由于移动热 源使焊件的温度随时闷和空闻急剧变化，形成梯度很大的不均匀湿度场，材料 的热物理性能参数是温度的函数：焊接冷却过程中伴随相变产生相交潜热f l o 】。 因此，在焊接过程的模拟中应将温度场看作非线性的瞬态传热问题，建立精确 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的物理模型( 包括热源邈数、边界条件、材料的物理性能以及备相的相变潜热 等) 是解决问题的关键。目前关于焊接温度场的计算已经有很多报道h 卜闻，主 要存在的阀题有以下凡今： ( 1 ) 热源的能量分布多以篱斯函数为主，此模型在二维计算( 垂壶于焊缝 的截面) 中应用较多，但由于忽略了焊缝方向的热流，在低速焊接模拟中将产 生较大懿误差f l 麓； ( 2 ) 缺乏材料的高温热物理性能和力学性能参数，很少研究能建立完善的 材料数据库用于有限元计算，造成了计算结果与实际条件的偏差； ( 3 ) 盘予焊接过程中爵阕、窒闻蠹大麴温度梯艘导致了材料的非线性，产 生求解过程中的收敛蠢难和解豹不稳定性，以及瞬态分析在对间域内的离散程 度加大而导致的求解时间步的增加【l q 。 2 、焊接接头徼麓组织模拟预溅 焊接质量豹好坏、力学挂能的优劣在很大程度上取决乎焊恁的微观组织形 态。因此，通过建立完善的焊接显微组织模型来分析接头显微组织的形成过程、 类型及状态，对于预测焊接接头费力学性能并最终控制焊接接头的质量至关重 要。 对焊接h a z 的组织进行模拟预测是焊接工作者长期致力研究的课题。过去 的组织优纯原燹| j 是对不丽条件下制备的试样进行金耱检验，戬褥到箕组织形成 的觏律性。这样要耗费大量熊入力、物力，显具有定的盲蜀性。逐年来，采 用焊接热模拟方法测定焊接热影响区的连续冷却组织转变图( s h - c c t 图) ， 可以把热影响区最终的桶变缀织、性能与使用的焊接工艺条件联系起来，为优 化焊接工艺参数奠定了基础，它把焊接工艺从定性阶段提高到了定量分析阶段。 3 、焊接应力应变分析 由于焊接属于局部加热，所以不可避免的将产生焊接应力和交形。焊接应 力和变形不健可能辱| 起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，两显在一定条 件下将影响结构的承载能力，如强度、刚度和受压稳定性。除此以外还将影响 结构韵加工精度和尺寸的稳定性l 玎】。因诧，在设计和施工时应充分考虑焊接应 力翡变形这特点是十分重要嚣。霹翌对焊接应力和变形进行计算霸分辑对预 防焊接裂纹和提高接头的性能有很大益处。 嗣前，焊接应力与交形的数值模拟分析方面己经取得了很大的成就和进震。 徨是，匿蠹对于乙烯球罐焊接残余应力魏研究傻荐餐在实蒺l 阶段，只对球罐豹 表面残余应力进行了研究，没有宏观的把握整个焊接接头残余应力的分布状态， 并且没有系统的研究乙烯球罐焊接工艺对残余应力的影响规律，本文将针对 0 7 m n n i m o v 乙烯球罐雳钢焊接残余应力方面展嚣深入研究，药研究乙烯球罐 焊接残余应力的影响因素提供理论指导。 天津大学矮女学经论文第一章绪论 1 4 本课题研究内容 本课题主要是利用s y s w e l d 有限元软件对大型乙烯球罐在焊接过程中的动态 应力变化和焊接后的残余应力以及经焊后热处理后的残余应力进行数值模拟，定 量的分析残余应力的分布和应力的大小，预测实际接头中可能出现的应力集中部 位。透过对不同焊接工艺参数和预热温度下焊接过程的模拟，从理论上缛出焊接 工艺参数与预热温度对残余应力的影响关系，为实际旌工中对焊接工艺参数的优 化控制奠定基础。 在查阅有关赘料，了解国内外有关乙烯球罐的焊接后残余应力分析，熟悉掌 握相关软件和实验设备的使用方法后，初步制定课题的基本研究内容如下： 1 、焊接电弧热源模型的校正及焊接温度场的数值分析： 2 、焊接过程中焊接应力的动态变化规律的有限元分析； 3 、焊接接头焊后残余应力的大小及分布； 4 、经焊接热处理后焊接接头残余应力的大小及分布。 天津大学硕士学使论文 第三章试验材料及方法 2 1 试验材料 第二章试验材料及方法 试验用钢板为0 7 m 穗n i m o 、囝r ，属于焊接无裂纹钢。该铜种具有如下特点： 碳当量( c e 0 卸钢材焊接裂纹敏感性指数( p e r u ) 低，纯洁度高，具有优良的韧性 及焊接性【1 懿。本课题试验所用钢板化学成分和力学性能的标准要求及实测数据 如表2 1 所示： 表2 10 7 搽溉油r 钢板化学成分和力学性能 注：a ) 必要时掬入 b ) p c m = c + s i 3 0 + m n 2 0 + c u 2 0 + c r 2 0 + n i 6 0 + m o 1 5 + v 1 0 + 5 b ( ) 该钢板的金相组织为回火索氏体+ 先共析铁索体。高温回火后得到的产物为 回火索氏体，由予回火的温度高，使渗碳体颗粒增大，成为铁素体与较粗大颗 粒状渗碳体的机械混合物f 嘲。钢板原始组织如图2 1 所示。它具有适当的强度 与较高的塑性和韧性，因而综合机械性能优良。 查苎互兰堡主鲎竺堡苎 蔓三兰苎竺塑壁墨查垄 溅藕 塑兰翌! 变嚣 ( 0 7 4 ( 5 0 0 。) c o ) 1 n ( 5 0 0 。) 图2 - 10 7 m n n t m o v d r 钢板原始组织 试验所用的焊条为j 6 0 7 1 廿i 。j 6 0 7 r h 是压力容器用5 9 0 m p a 级焊接无裂纹 钢使用的超低氢钠型高韧性焊条，具有良好的缺1 2 冲击韧性和抗裂性能，极性 采用直流反接，可进行全位置焊接。它的性能如下。 1 ) 焊条熔敷金属扩散氢含量 焊条熔敷金属扩散氢含量( h j ) 的测定以 h 】立o m 坍0 。g 为合格。 试验测得焊条熔敷金属扩散氢含量为1 4 6 m l 1 0 9 9 ，满足规定要求。 2 ) 熔敷金属化学成分和力学性能标准要求及实测数据如表2 之所示 表2 - 2 熔敢金属化学成分显力学性能 c s lk i np s n im 。 化学 标 10 0 0 柏0 】5 成分矗*莹0 1 0 曲5 0 卿0 2 5 蛐0 1 5 、 1 6 0 1 2 00 3 5 g 值00 6 202 314 0 0 0 0 90 0 0 61 0 4 03 0 伸*h 击试 标 r mk a * 验日度 自 a k v ： * m”n ”n*t + 均值 m + 值 6 1o _ - 7 4 0 _ 4 9 0 丑0s 0 j 4 71 3 3 采d 6 5 5 5 3 52 6t 5 09 61 0 l 9 09 6 瀵 。， 、 - * 镕大学碗 t 文 3 ) 熔敷金属金相组织 焙敷金属金相组织为先共析铁 索体( 沿晶界分布) + 晶内针状铁素 体。图2 - 2 显示的是焊缝区和过热区 的组织。 2 2 试验方法 图2 - 2 焊缝区和过热区组织 h 0 0 ) 本试验方案采用一次回归正交试验设计。回归正交设计是回归分析与正交 试验设计相结合的产物。回归正交设计，一方面利用正交试验法的“正交性”， 有计划、有目的、科学的、合理的在正交表上安排较少的试验次数，达到较好 的试验效果t 另一方面利用回归分析方法中的最小二乘原理，使得研究指标与 各考察因素之间建立回归模型。回归正交设计将两者的优点有机地结合起来。 利用该方法设计试验，不仅使得在每个试验点上获得的数据信息量最大，而且 大大减少了试验次数，并且使得数据的统计分析具有一些较好的性质 2 i i , 一次回归正交试验设计： 本课题通过数值模拟的方法定量考察焊接线能量和预热温度对焊接残余应 力的影响规律，并建立最大应力与上述因素间的回归模型。 为了符合实际生产的要求，工艺参数根据现场施工规范进行选择确定试 验采用的线能量上水平为3 4 k j c m ，下水平为l o k j e m ：预热温度的上水平为 1 8 0 c ，下水平为7 0 。试验因子水平及编码如表2 - 6 所示：晟终得到的一次回 归正交试验方案如表2 7 所示。 表2 - 6 试验园子的水平及编码 注：表中z l 、z 2 分别为线能量、预热温度的自然因子，有量纲 x 1 、x 2 分别为线能量、预热温度的编码因子无量纲 天津大学硕士学位论文第三章试验材料及方法 2 3 本章小结： l 、通过“一次回归正交抒方法设计试验方案，依所需焊接工艺参数进行焊 接。 2 、通过s y s w e l d 工程有限元软件做热场数值模拟，获 | 导热循环曲线和 t s ，5 、t 8 值，可据此分析线能量和预热温度等工艺参数对焊接粗晶区热循环的影 响规律。 天津大学硕士学位论文 第三耄温度场数值模拟及熟循环曲线的影响西素 第三章温度场数值模拟及热循环曲线的影响因素 3 1 前言 焊接热过程的准确计算和测定是焊接性分析、应力应变分析以及焊接质量 控制的前提。在焊接过程中，热源是移动的，且温度场中各点的温度变化非常 剧烈。早期应用于焊接温度场计算的经典r o s o n t h a l 解析模式中，以集中热源为 基础的计算方法，假定热物理性能参数不变，不考虑相变与结晶潜热，将焊件 几何形状简单归为无限( 无限大、无限长和无限薄) ，计算结果对焊缝和热影 响区的误差很大。因此，锵板模式不能适应温度场准确计算的需求。 随着热源模型的发展，又提出了高斯函数分布、半球状热源分布、椭球形 热源分布以及双椭球的热源分布函数。有文献【2 2 】对各种热源模式进行了比较， 认为采用有限元或有限差分法，应用高斯分布的表露热流分布函数计算，可以 引入材料性能的非线性，进步的提高高温区的准确性分析，但是仍未考虑电 弧挺度对熔池的影响。从球状、椭球到双椭球，其计算精度依次提高，但同时 也伴随着计算量的增大。因此，这些热源醒数更利于应用有限元法或差分法在 高速计算机上进行计算。 研究表明，采用双椭球的热源分布函数对焊接温度场进行计算，可以得到 与试验值较一致的结果疆引。在本文的焊接温度场的模拟中将采用双椭球热源模 型进行计算。 3 。2 接头设计 本试验焊接接头为不对称的x 型坡口， 共五层焊缝；外侧坡口较大，共九层焊缝。 体的焊接截面及尺寸参数如图3 1 所示。 板厚4 2 r a m ，球罐内侧坡蜀较小， 先焊外侧坡口，后焊内侧坡口。具 天津大学硕士学饯论文第三章温度场数值模拟及热循环曲线的影响因索 3 3 焊接温度场的模拟 图3 1 实际焊接截面圈 焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析帮焊接应力、应变热弹塑 性动态分析的前提。为保证焊接温度场数值模拟的芷确计算，本文以s y s w e 乙d 有限元计算软件为基础，考虑了材料热物理性能随着温度的非线性变化，采用 了s y s w e l d 软件材料库中的材料热物理性能数据，并选用了符合实际的双椭 球熟源模型。另外，由于焊接过程中伴随着相变的产生，因此模拟过程中还考 虑了相变潜热对温度场的影响。 3 3 1 焊接热源模型 焊接温度场的准确计算必须首先建立起准确的热传递数学模型和符合生产 实际的物理模型。这主要考虑焊接过程的热量输入、热量传导和散热三个方面， 所建立的控制方程应该包括热源模型、焊件内部的热传导方程、焊件对环境的 热输出模型。为确保温度场计算的准确，应选用合适的热源模型【2 4 1 。下面先介 绥几种常用的热源模型。 3 311 高斯函数分布的热源模式 焊接时，电弧热源把热能传给焊件时通过定鑫冬作用面积进行的，这个面 积成为加热斑点。加热斑点上热量分布是不均匀的，中心多而边缘少。加热斑 点上的热流密度分布可以近似地用高斯函数来描述。 该模型的热流分布表达式为： 天津大学硕士学位论文第三章温度场数值模拟及熟循环曲线的影响因索 g ( ，) = q ( o ) e - ” ( 3 1 ) 式中g 甜一半径，处表面热流( j n 产s d ) ； q c o ) 热源中心处的热流量最大值( j m - 2 5 0 ) ： e 一热源集中系数，o 的取值与焊接方法相关； r 一距热源中心的距离( m ) 。 这葶申热源分布函数在早期使用有限元方法计算焊接温度场时应用较多。在 电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况下，高斯分布的热源模式较准确，但 在计算时常将纵向热流忽略，只考虑垂直焊缝平面上的热传导，低速焊接时会 引起较大的误差。 3 3 1 。2 双椭球能量密度分布的热源模式 以高斯分布函数为基础弓l 出了半球能量密度分布的热源模式、椭球能量密 度分布的热源模式、双椭球能量密度分布的热源模式等。半球能量密度分布的 热源模式朐提出，解决了高斯分布热源忽略电弧对熔池的冲击带来的误差。在 此热源模式的基础上，结合实际熔池的形状以及能量的分布，提如了椭球能量 密度分布的热源模式和双椭球能量密度分布的热源模式。双椭球能量密度分布 的热源模式，在处理如手工电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护爆等时，有 较高的准确性。 由于本试验的工艺参数是依据手工电弧焊的常用焊接工艺参数制定的，温 度场的数值模拟选用双椭球热源模型为数值模拟计算的热源模型，其示意图如 图3 2 所示，双椭球热源模型的数学表达式为： 图3 2 双椭球热源模型 天津大学硕士学位论文 第篡章温度场数值模拟及热循环曲线的影响因素 m 凼z ) 唱e x p ( 一毒) c x p ( 一争e x p ( 一争 ( 3 - 2 ) 式中q 一熟通量( j m - 2 s 1 ) ； 茗，y ，z 一相对于热源中心的坐标； q ，国一是热源前半球和后半球的能量密度( 时) ； a j ，a 2 ，b ，c 一与熔池形状相关的参数。 3 3 1 3 控制方程 由于焊接时焊件是局部受热，焊件中存在很大的温度梯度，因此不管是焊 件内部还是焊件与周围介质之间都会发生热传递。根据传热学的理论，热传递 包括传导、对流和辐射三种基本形式。在焊接过程中，由热源传给焊件的热量， 主要是以辐射和对流为主，丽母材穰焊接材料获得热能后，热的传掇则是以热 传导为主。焊接传热过程中所研究的内容主要是焊件上的温度分布及其温度随 时间的变化。因此研究焊接温度场，是以热传导为主，适当地考虑辐射和对流 作用绷。 在焊接过程中，随热源的移动，焊件上的温度场随时间和空间急剧变化， 材料的热物理性能也随温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变潜热的产生。因 此，焊接温度场的分析属于典型的菲线性瞬态热传导问题。焊件上某点瞬时的 温度分布称必湿度场，可以表示为： t = r ( x ，y ，z ，f ) ( 3 3 ) 式中f 一焊件上某点的瞬时温度( k ) ； f j c ，y ，矽一某点的坐标； t 一时间( s ) 。 因此非线性瞬态热传导闯题的控制方程可以表示为： 印詈= 丢( 蠢罢) + 号一茜) + 丢i 罚州 。3 4 ， 式中c 一为材料的比热容( j k g - i k 。) ! p 一材料的密度( k g m 4 ) ； r 一温度场的分布函数( k ) ； f 一时闽( s ) ； 缸，砂，乜一分别为z ，y ，z 方向上的导热系数( w m - 1 k 1 ) ： q 一内热源( j m 3 ) 。 天津大学硕士学位论文第三章温度场数值模拟及热循环曲线的影响因素 边界条件力： 备f 匆) = 一( 矗一) ( 3 5 ) 式中 g 一是热通量( j m - 2 s - ) ； r 单位外法向标准矢量； 矗，一表瑟散热系数( j m - 2 s - i k 1 ) ； 一热流附近的温度( k ) ； 疋一模型的表蔼湿度( k ) 。 当采用有限元计算时，传热方程一般采用矩阵形式： 眵弦 + 医弦 - q ) ( 3 6 ) 式中闳一热传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数； q 一比热矩阵，考虑系统内能的增加； 留 一节点的温度向量； 留 一温度对时间的导数； q ) 一节点的热流矢量。 c 】= 夕ic 】【 d r ( 3 _ 7 ) t 鬈，= t 嚣，t t d b ，d 矿+ h f n ， n ，丁积 ( 3 8 q = q i n d r + i ：t 蠢厂f 埘积 ( 3 - 9 ) 式中n 一元素的形状函数。 3 3 2 焊接试件几何模型的建立 由于此焊接接头属于大板厚多道多层焊，采用对称的方法建立模型虽然能 减少模型的阙格数尽，但是在多道焊模拟过程中，生于采用等效的方式处理热 源，忽略了后面焊道对前面焊道的热作用，并且由上层坡口尺寸较大，热源等 效及校正比较困难，勉强行之则与实际相差太远，故本课题是采用的完整的焊 接接头的计算模型，这样能够较为真实的模拟多道多层焊过程中温度场的变化 过程，为应力场的准确模拟做好准备。 建立三维的焊接接头模型尽管能较必壹观地反映焊接过程中湿度场的变化 过程，但是必然导致网格的租化，计算精度和计算速度韵下降，并盈由予弓l 入 镕大学碰 位* ! i $ a 自值槿h # 循环白勺* 自目 许多三维单元，在结果处理上会产生许多不必要的麻烦。因此，本课题选用一 个垂直于焊缝的截面作为研究对象针对此截面建立个二维的焊接接头的模 型此截面距离起弧点3 0 r a m ，当热源沿着焊接线前进到此截面时，热源已经 稳定，故所研究截面具有一般性。由于剔除了三维模型中许多不必要的单元 在相同的计算精度下，可以大大的提高运算速度，并且方便了后处理过程的操 作。焊接接头模型及网格划分如图3 - 3 所示焊接接头截面模型的尺寸为1 6 0 r a m x 4 2 r a m ，采用了规则的四面体网格，在焊缝区域及近缝区细化网格，远离焊缝 区采用较粗的网格。 睡 * 目* e - 亡= 专气再= 亍手亍亏f ：闩 霸l 覃影 羞 。盎、 ( a 1d o m a i n 的划分( 圈中编号代表焊道顺序 m 1 同格的划分 图3 - 3 焊接接头的分区及网格模型 3 3 3 双椭球热源模型参数的确定 在双椭球热源模型公式( 3 - 2 ) 中需要确定的参数包括两类。 第一类为形状参数如图3 - 2 所示，包括a 1 ，a 2 ，b ，c 等，这类参数在熔池 凝固后通过测量焊缝的宽度( 参数b ) 深度( 参数c ) ，熔池末端弧坑的形状 参数( 参数a i ，a 2 ) 来确定。 第二粪参数是不可测的，包括能量密度q l 和0 2 ，这两个参数是以单位时间 必津大学硕士攀经论文第三鬈湿度场数毽模拟及热循巧煦线的影响因素 内热源输出给焊件的能量与焊件各点获得豹热量总鞠相等这一能量寄恒原理戈 前提确定的。其具体步骤为：在已有形状参数的基础上，首先假设q i 梵变量x 并预设q l 和q 2 的比值为常量y ，然震根据公式( 3 2 ) 诗算热源嬲熟区内备点愆热逶 量q 值，将备点的热通量值累加后与试验所采用的线能量进行比较，求得变量x 的值，然后重薪进行计算，并将数值计算褥到的熔池形状与试验结果进行对比。 巍对魄结果不吻会对，谖整常量y 的值并重薪计算，直到数值模拟诗纂得到的熔 滟形状与试验观察到的熔池形状一致髓，认沟参数基本合逶，然后w 进一步核 对焊接热循环并对各参数做出适当的调整。 3 3 4 材料的热物理性畿 材料的热物理性能影响藉焊接过程巾焊接接头的能量分布，直接影响着焊 接过程的温度场状态，表3 。l 中列患了软锋所使震豹材料热物理性能。 袭3 - 1 材料韵热物瑗性能 3 3 5 焊接温度场的数值模拟结果及分析 焊接温度场的数值模拟以焊接试验为基础，以各试验获得的焊缝形状和热 循环曲线的测量结果为检查依据，采用法国e s i 公司的s y s w e l d 焊接有限元 软件进行。 按表2 7 所设计的试验方案对每一组试验在试件坡q 内焊接，按3 3 3 的要 求测定底层及多道多层焊对熔池的形状参数，将魇得参数代入双椭球热源模型， 结合热传导方程、辐射帮对流方程遴行分析。在掬热过程孛，随熟源翡移动， 焊件套点的湿度迅速于 高；经过段时间盾形成了准稳态温度场。 熔池的形状是计算过程中检煎热源数值模拟正确性的重要依据，以第五组 试验 第五组试验费工艺参数帮预热温度炎零水平) 为例，箕试验结果与数值 模拟褥型豹焊缝及热影响嚣形状豹对毖结果翔蜜3 所示，两者基本檩弱。 i # 学酶学诧i第二 a 场数模m & # 镕# 自曰勺影目目 ( a ) 试验接头 ( b ) 模拟接头 图3 4 第五组试验的焊接接头截面对比 数值模拟得到第五组试验的i - d k z 处节点的热循环如图3 - 5 。在移动热源的 作用下焊件的温度场随时间、空间的改变而急剧变化具有较大的温度梯度， 模拟过程中所建立的物理模型的准确性将直接影响到焊接接头各区域的温度场 计算结果，从而影响焊后接头各区域的组织、性能的分析计算。 1 6 0 0 l4 0 0 12 0 0 - l o o o 8 0 0 6 0 0 d o o 2 0 0 【l、 图3 - 5 第五组试验h a z 粗晶匣热循环曲线 在相同的焊接方法和焊接线能量下，双椭球热源模型的参数是相同的。在 改变其它的焊接参数时，通过数值模拟计算可咀得到相应的焊接热循环曲线。 采用相同的方法，通过数值模拟计算可以得到其余四组试验的热循环曲 线，如图3 - 6 和3 - 7 ( 图中曲线均由三十个点组成为避免混乱，仅保留一个点 以示区分) 。 八 天津大学硕士学缎论文第三章湿度场数值模拟及热循环曲线的影响因素 薹 l 1 p1 a 善 i - - 02 04 06 08 01 0 01 2 0 t | m e s 凰3 - 6 第一组试验和第三组试验h a z 粗晶区热循环曲线 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 21 0 0 0 厶 菩8 0 0 i - - 6 0 0 4 0 0 2 0 0 o 02 0 4 06 08 01 0 01 2 0 t i m e ，s 图3 7 第= 组试验和第露组试验h a z 粗晶区热循环熬线 3 3 6 工艺参数对热循环曲线的影响 焊接热循环是指当焊接热源作用时，焊件上的某点的温度随时间的变化 过程。决定焊接热循环特征的主要参数有：峰值温度如、高温停留时间瓴、在 某一温度区闽的冷却时间等。焊接是一个涉及电弧物理、传热传质、冶金和力 学的复杂过程，在传热过程中金属进行着熔化和凝固、加热或冷却过程的相交、 焊接应力与变形等。因此，高温停留时问t h 、冷却时阀t 8 ，5 等热循环参数会对焊 天津犬学硕士学位论文 第三章温度场数值模拟及热循环曲线的影响因素 件的组织状态、力学性能以及焊接冷裂纹的形成产生重要的影响【2 7 】。 表3 - 2 不同热循环所对应的冷却时间t 8 ，5 和高温停留时间t h 注：袭中高温停留时间t m 是指热循环在9 0 0 ( 2 以上的时间 对于粗晶区，在峰值温度一定的条件下，表征该区域热循环的主要特性参 数包括加热速度、高温停留时间和冷却速度，三者将直接影响粗晶区焊后的组 织及性能。 通过上节数值模拟得到不同工艺参数下粗晶区的t 8 ，5 和高温停留时间t h 的数 据见表3 艺。剥用次回归分析的方法，得n t s 5 和坛的编码因子方程分别见公式 ( 3 1 0 ) 和( 3 1 1 ) 。 t s ，5 = 一1 6 1 6 0 + 0 3 6 0 4 x 1 + 0 0 1 0 5 x 2 ( 3 - 1 0 ) 式( 3 1 0 ) 的置信度：9 9 ：方差：0 。l t h = - - 4 1 5 5 9 + 0 5 6 2 5 x 1 + 0 0 2 2 7 x 2 ( 3 一1 1 ) 式( 3 ，1 1 ) 的置信度：9 5 ：方差：o 5 6 式中锄一8 0 0 5 的冷却时间( s ) ； t h 一高温停留时间( s ) ； x 1 、x 2 一分别代表线能量和预热温度的编码因子。 由公式( 3 1 0 ) 和( 3 1 1 ) 可以看出，焊接热循环参数毓与镶和均有关系。 为了真观地分析焊接工艺参数对热循环参数t 粥和t h 的影响，制了二元爵数立体 图，如图3 培和3 - 9 所示。 津大 日学论文第= a 扬数值摸拟# 镕g 自# 目目 图3 - 9l ”与工艺参数的关系 从图3 - 8 和3 - 9 中可以看出，吣和h 随着线能量和预热温度的增大而增大， 当线能量和预热温度晟高时，“5 和t h 值最大，如果线能量固定，随着预热温度 的升高t s 5 和t h 值逐渐增大；同样，如果预热温度固定，随着线能量的增加 t “5 和l h 也呈上升趋势。从数值 看，线能量对l 阱和“的影响强于预热温度的影 响。 天津大学硕士学位论文第三章温度场数值模拟及熟循环曲线的影响因素 3 4 本章小结 l 、本文采用了更接近实际的双椭球热源模型，通过对不同焊接工艺参数下 的热源模型的校正，确定了热源模型参数。 2 、在影响焊接温度场的主要工艺因素中，焊接线能量是双椭球热源模型参 数的主要影响因素，面预热温度只在温度场的计算过程中，对热量的传导有影 响。 3 、焊接温度场随时间和空间急剧变化，各点及冬区域的温度将直接影响组 织转变帮应力分布。因此，焊接温度场的准确模拟为逃一步实现组织场狸虚力 场的耦合计算提供了前提条件。 4 、对焊接粗晶区热循环曲线进行了测定，建立了毓和t 珏与线能量和预热温 度之间的回归方程。对t 8 ，5 和t h 回归分析结果表明，t 8 ，5 和t h 随着线能量和预热温 度的增加而增大，线能量对t s 5 和t h 的影响较为显著。 天津大学硕士学位论文第四章乙烯球罐厢钢焊接应力的数值模拟 4 1 前言 第四章乙烯球罐用钢焊接应力的数值模拟 本章采用s y s w e l p 工程有限元分析软件，以第五组参数为例分析乙烯球 罐用钢在焊接过程中的瞬态应力应变场和焊接残余应力，以及消除应力热处理 工序对于最终焊接残余应力分布的影响。结合具体的研究对象乙烯球罐用 钢的焊接接头，选择合适的求解策略，建立全位置焊接数学模型，并通过参数 校正获得符合实际的三维双椭球移动热源模型，经计算得到焊接接头横向和纵 淘残余应力分布，为控制残余应力提供理论依据。 4 2 应力场的计算 在应力场的计算过程中，从记录温度变化的历史文件中读取各单元的温度 数据，并将不网时刻各节点的瀑度作失载荷施加在应力分析中，结合材料随温 度变化的的力学性能参数就能实现应力应变分析。力学性能参数见表4 1 。 表垂l 材料的力学性能参数 下面以第五组试验参数为例来分析焊接过程中的应力变化和残余应力分 布。在模型中选取一个垂直予焊缝的截逝来进行分折。如图3 - 3 ( a ) 所示，左右 两端为母材区，中闻的热影响区和焊缝区为细化网格区域，焊缝区域由二十七 天津大学硕士学徒论文第四露乞攥球瓣雳锈焊接应力驰数馕模拟 个小格组成，每个小格代表相应的道焊缝，在计算中，按照编号的顺净逐道 填充以达到对真实焊接过程的模拟。此截面距焊接起弧点3 0 m m ，热源到达此 截面时已经稳定，可以认为所选截面具有代表性。 此焊接接头的残余应力在厚度方向土的分布存在差异。下蘧取焊接接头的 内表面、距内表面6 m m 、距内表面1 2 r a m 、距内表面1 8 r a m 、距内表面2 4 m m 、 距内表面3 0 m m 、距内表面3 6 m m 和外表面八个部位来分析( 图4 - 1 ) 。 并裹鏊 内衰面 图4 1 分析的接头部位 4 2 1 内表面的残余应力分布 乙烯球罐的内表面是工作界蘸，直接与介质接熬，受到多重因素的作用， 在球罐焊接接头中，属予最容易产生裂纹的部位。 押 也 墨 _ 一 爱 - 锚 捌 净： 爱 挣 8 0击o- 4 02 002 04 06 08 g 蹲蜒。二h ) 趵高i l l l m 图4 3内表面等效残余应力分布 2 3 叫j1；州01裔，叶0 必潘大攀硕士学位论文第四章乙烯球