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试验研究
热源模型参数对管道焊接的影响硏究
贾小磊,徐杰,刘兆衡,黄少杰,孙智,樊宇
(中国矿业大学材料科学与工程学院,江苏徐州221116)
摘嬃:基于热弹塑性有限元法,采用轴对称模型对管道焊接工艺进行模拟分析,探讨了热源模型参
数分别在固定温度峰值和线能量条件下对焊接残余应力的影响,并对固定温度峰值条件下的焊缝
嫆融区和热影响区尺寸与热源模型参数的关系进行了分析。结果表明:保持一定温度峰值条件下,
设定不同热源模型参数,残余应力值变化显著;采用固定线能量的方法进行焊接模拟时,辉接残余
应力对热源模型参数的改变不敏感;在材料属性、模型一定的条件下,热影响区尺寸的改变量与热
源模型参数设定值存在一定的关系,但是两者并不相等
关键词:热源模型参数;数值模拟技术;焊接残余应力
中图分类号:TH131.2;:TC404文献标识码:A文章编号:1001-4837(2013)08-0027-06
doi:10.3969/j. Issn.1001-4837.2013:.08.005
investigation on the Effect of Welding Heat Source Shape Parameters
on the Pipe Welding Simulation Process
JIA Xiao-lei, XU ie, LU Zhao-heng, AANG Shao-jie, SUN Zhi, FAN YI
(School of Materials Science and Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou
221116, China)
Abstract: Effect of welding heat souree shape parameters on residual stress in 2-D axi-symmetric mod-
el was investigated under the condition of constant peak temperature and heat input rate respectively. In
the condition of constant peak temperature, the relationship between both the melting zone and HAZ
(Heat Affected Zone )and the parameters was studied. The results show that the heat source shape param
eters have sigmificant influence on residual stress. The condition of constant heat input rate can make re
sidual stress results more stable than the other one. With the same model and material. there is a certain
relationship between temperature distribution and parameters of heat source. However, the weld pool size
doesn't equal to heat source shape parameters
Key words heat source shape parameters; numerical simulation technolo welding residual stress
0引言
过程,因而焊接模拟结果的影响因素非常复杂。
焊接速度、焊接热输人和材料属性等都会彤响焊
焊接数值模拟是高度非线性的热固耦合分析接温度场和残余应力分布以及焊接变形等结果-]。
基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助(2011QNAO7);中国矿业大学研究生实践与科研创新资助项目(CSF121106)
CPVT
热源模型参数对管道焊接的影响硏究
Vol30.No82013
此外,CERY等“从焊接速度、焊接热输人和热源
文中以薄壁管单道焊焊接为例,采用MSC
分布的角度对焊接温度场进行了研究,发现焊接MARC研究热源模型参数设定对焊接残余应力的
温度分布对热源模型参数非常敏感。可见,设置影响,得到了沿管子轴向和径向分布的残余应力
合理的热源模型参数,可大大提高数值模拟分析的变化规律;以特征温度区域尺寸(焊接熔融区
结果的准确性和可靠性。但是,对热源模型参和热影响区)为参考量,研究热源模型参数对特
数进行实际焊接验证是极难实现的,一般采用间征温度场分布的影响,获得了特征区域与热源模
接的方式进行验证6?。 GOLDAK等曾指出型宽度和深度的定性关系。为深入研究合理设定
焊接热源模型参数的确定可依据实际焊鏠形状进热源模型参数奠定一定的基础。
行设定。虽然此方法随后被国内外研究者广泛使
用,但是,由于该法并未提供具体的指导方法,实1试验方案的设定
际进行模拟分析时焊接参数的设定往往因人而
异。为获得更为合理和普遍适用的设定方法,热
选用三维管道模型进行焊接模拟,焊接坡口
源模型参数本身对于焊接模拟分析的影响有待研为Y型坡口,采用单道焊接工艺。模型材料选用
究。为此,前人对焊接热源与温度场的关系做了MSC.MARC软件材料库的C22钢?(C22为德
大量工作?,但对于焊接热源模型参数对焊接残国钢牌号,相当于我国的20钢,为普通碳素结构
余应力和温度分布的影响的研究却鲜见报道。
钢)。具体材料属性如表1所示。
表1材料热物性参数
温度/"℃」热导率/W?(m?℃)
热膨胀系数/1?℃
比热容/J?(kg?℃)「杨氏模/MPa
1.16×10
4.51×10
2.13×105
1.19×10
4.61×10
X
1.30x10-
4.96x10
2.07x10
1.40×10
5、33×10
1.99×10
300
1.50×10
5.68x1032
1.92×10
400
1,59×10
6,11×10
1.84x10
500
36.6
1.66x10
6.77×10
75×10°
600
34.1
1.64x10
7.78×10
1.64x10°
150
1.64×10
7.78x102
7,73×10
1600
1.64x10
7.78x10
2000
1.64x10-5
7.78×102
5.00x10
文中采用双椭球热源模型,如图1所示剧。温度峰值不变,调整热源模型参数α与b,其中温
对于二维轴对称模型,计算分析仅需考虑参数半度峰值设定为1820℃;方案Ⅱ设定实际焊接线能
宽a(对应管子的轴向)和深b(沿管子径向)的设量大小为一定值,调整热源模型参数α与b,焊接
定对残余应力峰值及其分布的影响,前半椭球半电流、电压参数分别设定为220A,25V,焊接速
轴长和后半椭球半轴长c,均设为定值。对于热度0.6cm/s,焊接效率