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严春妍等:9Ni钢焊接残余应力的数值模拟

9Ni钢焊接残余应力的数值模拟

严春妍

1,李午申2,杨顺贞1,白世武3,薛振奎3

(1.河海大学机电工程学院,江苏常州213022

2.天津大学材料科学与工程学院,天津300072

3.中国石油天然气管道科学研究院,河北廊坊065000)

摘要:本文以液化天然气储罐用9Ni钢为研究对象,以热动力学、金属物理学和力学等基本理论为基础,采用

SYSWELD有限元计算软件对其多道多层焊的应力场进行了数值模拟。计算时,采用双椭球焊接热源模型,考虑

材料热物理性能与温度的非线性关系,以及相变潜热对温度场的影响,实现焊接温度场、组织转变场和应力应变

场的三场耦合计算。通过模拟,得出了9Ni钢焊接接头残余应力的分布。计算结果表明,9Ni钢焊接热影响区残

余应力水平最高,是整个焊接接头的应力集中部位;纵向残余应力在焊缝及热影响区表现为拉应力,远离热影响

区部位表现为压应力。计算所得残余应力的分布与理论分析相一致。

关键词:液化天然气储罐;9Ni钢;多道多层焊;数值模拟

序言

9Ni钢是世界范围内广泛用作液化天然气(Liquefiednaturalgas,LNG)储罐的内壁材料,因其在-16

2℃下仍具有较高的强度和优良的韧性,目前已成为国际上低温设备领域广泛使用的钢种。近年来,我国

正在广东、福建、上海和山东等地陆续建造大型LNG储罐,使得9Ni钢的相关应用技术也受到极大的重

视[1,2]。由于LNG储罐的焊接多采用多道多层焊,焊接过程较为复杂[3-5],因此,了解9Ni钢焊接接头

残余应力的大小和分布对优化焊接工艺、预防焊接裂纹的产生来说十分重要。

本研究采用SYSWELD有限元计算软件,建立符合实际情况的几何模型,并通过参数校正获得精度较

高的双椭球移动热源模型,对9Ni钢多道多层焊的焊接残余应力进行了数值模拟。

1试验材料和方法

1.1试验材料

试验材料为ASTMA5539Ni钢板,板厚为22mm。其主要化学成分如表1所示。

为保证9Ni钢焊接热影响区在低温下仍保持较高的韧性,避免因不均匀的热胀冷缩造成的热应力,焊

接试验采用高镍型NYLOID2ENiCrMo-6型焊条,其主要化学成分如表2所示。

表19Ni钢的化学成分(质量分数,%)

CMnPSSiNiCr

0.0360.5920.0030.00030.2099.1150.042

表2ENiCrMo-6型焊条的化学成分(质量分数,%)

CMnSiNiCrMoNbWFe

0.053.00.4681361.51.56

1.2试验方法

焊件的尺寸为500mm×160mm×22mm,开V型坡口,坡口角度为45°。焊接时采用焊条电弧焊,焊

件初始温度为20℃,焊接电压为23V,焊接电流为110A,焊接速度为8.4cm/min,层间温度为100℃。焊

第十五次全国焊接学术会议论文集,2010年7月2-8日,青海西宁期

缝共五层,一层打底焊、三层填充焊缝及一层盖面焊。

2焊接过程物理模型的建立

2.1焊接热源

热源模型的选取是否合理,直接影响到最终模拟结果的准确度。为了使数值模拟结果最大程度地与实

际相符合,针对本研究中采用的焊接方法,选用双椭球热源模型,实现焊接温度场、组织转变场和应力应

变场三场耦合计算。双椭球热源模型的数学表达式为[6]:

q=?y?x?z(1)

(x,y,z)Qexp()exp()exp()

222

1,2c

222

ab

1,2

式中:q为热通量(J·m-2·s-1);x,y,z为相对于热源中心的坐标;Q1,Q2分别为热源前半球和

后半球的能量密度(J·m-3);a1,a2,b,c为与熔池形状相关的参数。

2.2材料的物理性能参数

有限元计算软件的材料数据库中,通常将材料的热物理性能参数表示为温度的函数。计算时所使用的

9Ni钢的材料性能如表3所示。

2.3相变潜热

焊接过程中必然伴有组织的转变,计算时因此而产生的相变潜热以焓的形式表示:

H=∫ρTcTdT(2)

()()

在某温度增量区间,产生的总的相变潜热表示为各相值的叠加:

H=∑H?V(3)

vjj

j

式中:Hj为第j相的相变潜热(J/cm2);△Vj为第j相的转变体积比。

因此,若已知被焊材料在相变前后随温度变化的密度和比热容,就可计算出相应的热焓值。

表39Ni钢的性能参数

温度比热密度弹性模量屈服强度

T/℃C/J·kg

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