三维管接头焊后局部热处理加热宽度准则研究.docx

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第三届计算机在焊接中的应用技术交流会论文集数值模拟与仿真三维管接头焊后局部热处理加热宽度准则研究

上海交通大学材料学院陆皓汪建华

大阪大学村川英一

摘要提出了直接定量评定管接头焊后局部热处理应力释放效果的方法。构造了三维管接头焊接应力和局部热处理温度场。采用粘弹塑性有限元方法对管接头焊后不同局部热处理条件下应力分布特征进行了研究。对单道焊情况，不同焊接规范下的焊接应力分布具有相似性，焊接顺序对应力峰值位置的影响较小。对管接头热点处焊接应力在不同局部热处理条件下释放程度作了分析，在局部热处理加热宽度足够大情况下残余应力明显下降。周向和轴向应力分量与加热宽度的关系不同，周向和轴向应力的最优加热宽度分别为3.46√RF和4.8√Ri。通过对局部热处理主要工艺参数的计算，推荐了正交管接头局部热处理加热宽度准则。

关键词：管接头、局部热处理、粘弹塑性有限元、加热宽度

0前言

在压力容器制造中，管接头是广泛使用的结构型式。管接头焊后局部热处理力学行为和应力释放准则的数值计算是非常复杂的问题，主要涉及以下内容：首先是焊缝空间交贯线几何方程的描述其次又涉及焊接热循环下形成的残余应力计算和局部热处理过程的蠕变现象描述；最后涉及因加热参数变化产生的热边界条件的优化问题。为此美国焊接学会计划发布对应的指导文件I。美国压力容器研究协会、日本发电设备技术检查协会对管子局部热处理制定了全面研究计划。

关于管接头局部热处理过程力学行为研究的未见详细报道。文献[2]提出采用粘弹塑性有限元方法求解管子对接焊形式下局部热处理过程应力变化情况。轴对称模型计算结果表明：在一定周向加热宽度作用下焊接应力随加热温度的上升因屈服强度的下降而下降；在高温及保温阶段，由于蠕变的作用焊接应力进一步下降；而在冷却阶段因弹性模量的恢复残余应力略为上升。考察不同加热宽度条件下残余应力的大小就可以直接定量评定管子对接焊后局部热处理应力释放的效果3。上述方法同样适合三维管接头局部热处理力学行为的研究。

本文利用热弹塑性有限元方法构造了单道焊条件下焊接应力。利用粘弹塑性有限元方法对管接头局部热处理相关力学行为进行数值解析，得出了正交管接头局部热处理加热宽度的关系，并给出了加热宽度推荐值。

1计算模型的交贯线方程

为了在有限元分析中准确描述弦管和支管所形成的交贯线，需要获得交贯线方程。对于交贯线几何方程的描述，文献[4]做了大量的工作。这里仅导出正交管接头的一些重要结论作为有限元网格划分的基础。弦管和支管组成的管接头涉及两个坐标系及矩阵的转换。坐标系的定义如图1所示，假定有弦管坐标系(0-xyz),支管坐标系(0-xyz’)。φ为弦管中任意点的圆周角；φ则是支管中任意一点的圆周角，该参数涉及交贯线焊缝的起始位置和焊接方向。弦管和支管的坐标转换矩阵如下所示。

(1)

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因z1+Y2=R2,在支管坐标系中的交贯线可以由公式(2)描述。

z=√R2-(R,sinφ)(2)

交贯线在弦管坐标系中可以表示为

(3)

依据方程(3),可以实现弦管与支管交贯线的有限元网格划分。图2是依据交贯线几何方程实现的管接头弦管和支管连接部分有限元网格单元划分。其中焊缝的网格划分在任意截面相同。

图1管接头坐标系图2网格划分和焊接顺序

2.计算模型和方法

2.1焊接模型

本文采用管接头中最普遍的正交管接头。计算中，不对弦管和支管连接处采用任何的加强型式，弦管和支管的连接严格遵循交贯线几何方程。采用热弹塑性有限元方法生成交贯线焊缝焊接应力。用有限元方法产生连续焊体积热源，有限元计算的焊缝处于紧连交贯线的弦管上，并采用等宽的I型穿透焊缝，数值模拟中采用匀速焊接。具体焊接规范参数如表1所示。文中主要采用C-1生成局部热处理计算用初始应力。为了使生成的焊接应力具有代表性，焊接应力计算中考虑了不同焊接起始位置及焊接速度的影响。焊接起始位置和顺序说明参见图2。其中位置A为管接头交贯线的鞍点，B为交贯线的中心位置，C为交贯线的冠点。算例中C-2改变C-1交贯线焊缝起始位置及焊接方向。C-3主要考虑交贯线焊缝施焊过程焊接速度对应力分布影响。有限元计算中考虑管接