劉有艷，溫永彬

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院揚(yáng)州分院化工站，江蘇 揚(yáng)州 225002;2.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

0 前言

13MnNiMoNbR是國(guó)產(chǎn)低合金高強(qiáng)度鋼，多用于大型厚板壓力容器，由于材料本身的焊接性能受焊接工藝、焊前/后熱處理等多方因素的影響，如何解決焊接殘余應(yīng)力及變形是目前13MnNiMoNbR鋼研究的主要課題。因此焊接過(guò)程的溫度對(duì)研究13MnNiMoNbR鋼的實(shí)際應(yīng)用具有極其重要的作用。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一，其優(yōu)點(diǎn)是:測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣、構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便［1－2］。在焊接研究的發(fā)展中，計(jì)算機(jī)模擬將發(fā)揮其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，ABAQUS是目前世界上流行的大型通用有限元分析軟件之一，其自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能，強(qiáng)大的非線性分析功能可以有效地模擬各種焊接非線性過(guò)程，后處理器可以方便地將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行彩色等值、矢量圖和梯度等多種直觀顯示。由于ABAQUS的以上功能及其可靠性和開(kāi)放性等特點(diǎn)，應(yīng)用該軟件模擬焊接過(guò)程也越來(lái)越受到人們的關(guān)注［3－6］。

本研究結(jié)果對(duì)準(zhǔn)確模擬殘余應(yīng)力，優(yōu)化13Mn－NiMoNbR的厚板焊接工藝，控制焊接過(guò)程中的殘余應(yīng)力，提高焊接接頭的可靠性和安全性具有重要的意義［7－10］。

1 溫度場(chǎng)測(cè)量

1.1 焊接件材料和尺寸

焊接件為兩塊13MnNiMoNbR板材，試件尺寸500 mm×400 mm×110 mm，材料成分如表1所示。

1.2 熱電偶布置

埋弧焊過(guò)程中焊縫處的溫度在1 000℃以上，距離焊縫一定距離處的溫度極限會(huì)低于1 000℃，因此，溫度場(chǎng)測(cè)量采用K型鉻硅－鎳硅鎧裝熱電偶，其使用溫度為 －200℃ ～1 300℃，最大誤差5%。熱電偶位置布置:斜向布置的五個(gè)表面測(cè)溫點(diǎn)自焊縫到熱影響區(qū)為點(diǎn) A、B、C、D、E，直接點(diǎn)焊到筒體，直線布置的五個(gè)深度測(cè)溫點(diǎn)采用打孔法，自左至右深度分別為點(diǎn) F、G、H、I、J，深度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、55 mm，小孔直徑3 mm。焊接過(guò)程從左到右，熱電偶的布置如圖1所示。

圖1 焊接件上表面及內(nèi)部熱電偶布置

1.3 測(cè)量結(jié)果

整個(gè)焊接過(guò)程共有37層，73道焊。在焊接過(guò)程中，每50 s自動(dòng)采集、記錄一次各熱電偶數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)打印機(jī)實(shí)時(shí)輸出。經(jīng)過(guò)觀察分析各個(gè)熱電偶的溫度測(cè)量記錄，去除出現(xiàn)異常讀數(shù)的熱電偶后，最終統(tǒng)計(jì)溫度測(cè)量的有效點(diǎn)為E、I、J。焊接前后實(shí)物如圖2所示。

2 ABAQUS模擬結(jié)果

2.1 幾何模型

幾何模型焊接完成后，焊板尺寸為500 mm×400 mm×110 mm。打底焊深2 mm，圓弧半徑8 mm，坡口角度82°，73道焊，焊縫熱影響區(qū)寬度4 mm，如圖3、圖4所示。

圖2 焊接前后實(shí)物圖

2.2 焊接材料參數(shù)

焊件與焊條所用材料均為13MnMoNiNbR，汽化潛熱300E3 J/kg·mol－1，計(jì)算考慮了材料性能隨溫度的變化，13MnMoNiNbR熱物理性能參數(shù)見(jiàn)表2［5］。

2.3 網(wǎng)格劃分

圖3 焊板及坡口刨面

圖4 焊板焊層劃分

表2 13MnMoNiNbR材料性能參數(shù)

在焊接模型網(wǎng)格劃分中，一般來(lái)說(shuō)，增加劃分網(wǎng)格的密度可以提高計(jì)算結(jié)果的精度，但網(wǎng)格密度的增加，意味著計(jì)算量的增加，計(jì)算成本(如計(jì)算量、計(jì)算時(shí)間、計(jì)算文件占用空間等)會(huì)上升。同時(shí)網(wǎng)格的密度也不能無(wú)限制上升，一般以保證計(jì)算結(jié)果的精度在用戶控制的范圍即可，而且網(wǎng)格的劃分細(xì)到一定得程度，計(jì)算精度變化較小甚至不發(fā)生變化。焊接過(guò)程是一個(gè)加熱極不均勻的過(guò)程，在焊縫處溫度梯度變化很大，劃分網(wǎng)格時(shí)一般不采取均勻的網(wǎng)格，而是在焊縫及其附近的部分用加密的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，能量傳遞緩慢，溫度分布梯度變化相對(duì)較小，這時(shí)可以采用相對(duì)稀疏的單元網(wǎng)格。要獲得一個(gè)良好的瞬態(tài)焊接溫度場(chǎng)，焊縫處的單元網(wǎng)格應(yīng)該細(xì)化。因試驗(yàn)材料形狀較規(guī)則，采用四節(jié)點(diǎn)熱分析單元DC2D4，采用關(guān)鍵點(diǎn)建立線面，然后對(duì)線面進(jìn)行劃分［6］如圖5所示。

圖5 焊板有限元網(wǎng)格劃分

2.4 焊接熱源及工藝參數(shù)

焊接方法為埋弧自動(dòng)焊，焊材與母材同質(zhì)，線能量240 kJ/mm，焊接電壓25 V，電流300 A，速度3 mm/s，打底焊為一道，其余均為每層兩道焊。熱源模型為內(nèi)生熱源，內(nèi)生熱率等于電弧有效功率除以所作用單元的體積［6－8］，熱流密度計(jì)算為。

式中 η為電弧熱效率，取0.75;U為電壓;I為電流;S為焊縫截面積;v為焊接速度。

2.5 模擬結(jié)果

測(cè)溫點(diǎn)E、I、J的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖6所示。焊接模擬過(guò)程中，取各層焊接過(guò)程中的溫度最大值，即移動(dòng)熱源到達(dá)點(diǎn) E、I、J 時(shí)，點(diǎn) E、I、J 的溫度。

圖6 第2、10、14、70道焊焊接最高溫度模擬圖

3 對(duì)比分析與結(jié)果

3.1 對(duì)比分析

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，利用origin軟件繪制出折線圖。取有效溫度測(cè)量點(diǎn)E、I、J實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比如下:

表面測(cè)溫點(diǎn)E與第70道焊距離最近，因此此點(diǎn)的溫度最大值應(yīng)該出現(xiàn)在第70道焊。同理，深度方向測(cè)溫點(diǎn)I、J的溫度最大值應(yīng)該出現(xiàn)在第14、10道焊接。由圖7可知，焊接過(guò)程中點(diǎn)E、I、J位置處的溫度模擬值和實(shí)測(cè)值圖形走勢(shì)基本一致。其中造成實(shí)測(cè)值與模擬值差異的主要原因有:(1)熱電偶不能充分和焊接件接觸導(dǎo)致所測(cè)溫度與模擬溫度存在差異;(2)模擬結(jié)果的熱源加載方式與實(shí)際情況的焊接熱源之間存在差異也是造成實(shí)測(cè)值和模擬值差異的原因;(3)測(cè)量過(guò)程以50 s為間歇打印一次溫度的數(shù)值，模擬的瞬時(shí)溫度和實(shí)測(cè)瞬時(shí)溫度會(huì)存在差異。

圖7 點(diǎn)E、I、J點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

3.2 結(jié)果

(1)點(diǎn)E的測(cè)量值與模擬值溫度變化趨勢(shì)基本一致，隨焊接層數(shù)的增加逐漸增大，最大值出現(xiàn)在第70道焊。點(diǎn)I的測(cè)量值與模擬值溫度變化趨勢(shì)基本一致，隨焊縫層數(shù)的增加先增大后減小，最大值出現(xiàn)在第14道焊。點(diǎn)J的測(cè)量值與模擬值溫度變化趨勢(shì)基本一致，隨焊縫層數(shù)的增加先增大后減小，最大值出現(xiàn)在第10道焊。

(2)溫度的變化趨勢(shì)符合實(shí)際焊接過(guò)程中隨著時(shí)間的增加由高到低的趨勢(shì)。

(3)測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果的一致性驗(yàn)證了模型與網(wǎng)格劃分的正確性，為焊接殘余應(yīng)力的模擬奠定了基礎(chǔ)。

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