哈氏合金C276是一种耐腐蚀、耐高温、含高镍的镍基合金,由于其具有优越的耐腐蚀性能,被广 泛用于强腐蚀性的介质中。哈氏合金C276具有较高的热裂纹敏感性,气孔生成率较高,焊缝区 易产生晶间腐蚀<1>。管道结构在焊接过程中,由于焊接加热冷却循环,焊接接头中会产生残余 应力和变形,成为结构在服役过程中产生裂纹的重要因素之一。因此对C276管道的焊接残余应 力和变形进行研究,对于选择合理的焊接工艺参数、防止裂纹、脆性断裂以及提高构件的稳定性具 有重要的作用。本文利用大型有限元软件ABAQUS,对哈氏合金C276管道焊接残余应力进 行了数值模拟,获得了残余应力和变形的分布规律,讨论了线能量变化的影响,为哈氏合金C27 6的焊接提供参考依据。1有限元计算模型的建立1.1焊接工艺参数管道规格为76mm×5.49mm,坡口角度60°,三道焊,焊接方法为氩弧焊,焊条牌号ERNi-CrMo-4。采用两种线能量Q1=310 J/mm和Q2=550 J/mm来分别进行计算,速度均取为8cm/m in。1.2材料热物理性能以及力学性能为方便起见,假设焊材和母材热物性近似相同;由于难以得到材料的高温性能,假定材料在高温(熔点及熔点以上)下的性能不变<2,3>。固相线1323℃,液相线1 371℃,常温屈服强度376MPa,抗拉强度796MPa。其热力学性能与温度相关<4>(图1),对于未知的材料性能运用外推法得到。图1 Hastelloy C276材料特性图2网格划分1.3几何模型及网格划分利用非线性有限元软件ABAQUS建立 了管道焊接模型。由于该模型是关于环焊缝中心对称的,因此,建模时取管道沿环焊缝中心线的一 半。在焊缝及热影响区网格划分较密,在远离焊缝的区域网格划分较疏,节约了分析成本和计算时 间,保证了有限元分析的精度和经济性。网格划分如图2所示。温度场计算单元类型为DC3D8 ,应力场计算单元类型为C3D8。1.4焊接热源GTAW采用高斯热源就可以得到满意的模拟 结果<5~8>,本文将电弧看成辐射状对称并呈高斯分布作用于管道表面,用FORTRAN语 言编写热源子程序DFLUX,在ABAQUS调用该子程序进行计算。随着时间的变化,电弧中 心随焊缝做环向移动,其高斯分布为:q(R,,θt)=q0e-3rr2b2=3ηVIπr 2bexp-3
2rb(1)式中V、I、v———分别为 电弧电压、电流、电弧移动速度;r、η———分别是点(R,θ)到电弧中心的距离和电弧热效 率系数,手工弧焊取η为0.75<9>;rb、q0———分别是电弧有效加热半径和最大功率 。1.5边界条件和初始条件焊缝中心为对称面,为绝热边界条件;内、外表面以及另一个端面与 周围环境的热交换,按对流和辐射来处理;初始温度为均匀的室温(20℃)。2焊接残余应力结 果与分析由于管道壁较薄,所以忽略厚度方向的应力。定义管道轴向方向(与环焊缝方向垂直)的 力为轴向应力,沿着环焊缝圆周的方向(与环焊缝方向平行)的力为环向应力。图3、4分别给出 了在不同线能量Q1、Q2下内、外表面轴向残余应力分布,图5、6分别给出了在不同线能量Q 1、Q2下内、外表面环向残余应力分布。图3内表面轴向残余应力图4外表面轴向残余应力图5 内表面环向残余应力图6外表面环向残余应力从图3可见,在管道内表面的焊缝及近缝区,轴向残 余应力为拉应力,峰值应力为300MPa,随后逐渐降低,在离焊缝大约1.5cm处变为压应 力,在大约3cm处出现最大压应力150MPa,随后逐渐减小,在离焊缝6cm处降为0。在 不同线能量下,Q2引起的内表面轴向残余应力稍大于Q1,但是差别不大。从图4可见,在管道 外表面的焊缝及近缝区,轴向残余应力为压应力,峰值压应力为280MPa,随后逐渐降低,转 变为拉应力,在离焊缝3cm左右达到最大值150MPa,随后逐渐降低为0。在不同线能量下 ,Q2引起外表面轴向残余应力稍大于Q1,但是差别不大。从图5可见,在管道内表面的焊缝及 近缝区,环向应力为拉应力,最大值出现在焊缝中心,其值为130MPa,随后逐渐降低,转变 为压应力,在离焊缝2cm左右出现最大压应力75MPa左右,随后逐渐降为0。在不同线能量 下,内表面环向残余应力相差不大,Q2下的应力稍大于Q1。从图6可见,在管道外表面的焊缝 及近缝区,环向应力为拉应力,最大值出现在焊缝中心,其值在250MPa左右,然后逐渐降低 转变为压应力,在离焊缝2cm处出现最大压应力45MPa,然后逐渐降低,在4cm处变为0 。Q2下的应力整体稍大于Q1下的应力,但是差别不大。3焊接变形结果与分析图7、8分别给 出了内、外表面x方向的位移,图9、10分别给出了内、外表面y方向的位移,图11、12分 别给图出7了内、外外表表面面xz向方位向移的位移。图8内表面x向位移图9外表面y向位移 图10内表面y向位移图11外表面z向位移图12内表面z向位移从图7可见,在外表面的焊缝 区,x向变形为收缩变形,在焊缝中心具有最大值,然后逐渐转变为拉伸变形,离焊缝1cm处最 大,然后逐渐降低。在不同线能量下,Q2下的变形整体稍大于Q1下的变形。从图8可见,在内 表面的焊缝及近缝区,x向变形为拉伸变形,在焊缝中心具有最大值,然后逐渐降低,离焊缝3c m处转变为较小的收缩变形。在不同线能量下,Q2下的变形整体稍大于Q1下的变形。从图9、 10可见,y向变形在内外表面的分布具有相似性,均表现为拉伸变形;在焊缝区具有最大值,然 后逐渐降低;线能量Q2下的变形大于Q1,内表面的变形整体大于外表面。从图11、12可见 ,z向位移在内外表面的分布具有相似性,均表现为收缩变形。焊缝中心线的位移为0,这是由于 焊缝中心面为轴对称边界条件,z向的位移受到约束。随后逐渐增大,在大约1cm处达最大值, 并趋于稳定。线能量Q2下的变形大于Q1,外表面的变形整体大于内表面。4结论4.1在速度 不变的情况下,线能量对焊接温度和变形影响较大,而对残余应力的影响不大。4.2管道内表面 焊缝及近缝区,轴向和环向残余应力均为拉应力;轴向拉应力最大值为300MPa,环向拉应力 最大值为130MPa。可见,轴向拉应力对内壁裂纹的产生有主要的影响。4.3在管道外表面 焊缝及近缝区,轴向应力为压应力,最大值为280MPa。环向应力为拉应力,最大值为250 MPa。可见,环向拉应力对外壁裂纹的产生有主要的影响。4.4管道内表面焊缝及近缝区,x 向位移和y向位移为拉伸变形,z向位移为收缩变形。4.5管道外表面焊缝及近缝区,x向位移和z向位移为收缩变形,y向变形为拉伸变形。哈氏合金C276管道焊接残余应力与变形的有限元分析@蒋文春$南京工业大学
@巩建鸣$南京工业大学
@陈虎$南京工业大学
@涂善东$南京工业大学针对哈氏合金C276焊接特点,运用有限元分析软件ABAQUS,对哈 氏合金C276管道多道焊残余应力进行了有限元模拟。利用单元生死技术,模拟焊缝金属的形成 ;利用FORTRAN语言编写子程序DFLUX,实现了移动的高斯分布热源;考虑对流、传导 、辐射以及高温下的材料性能,获得了残余应力和变形的分布规律。计算结果表明,在焊缝及热影 响区,轴向拉应力对内壁裂纹的产生有主要的影响,环向拉应力对外壁裂纹的产生有主要的影响。 线能量对温度和变形的影响较大,而对残余应力影响不大。哈氏合金C276;;管道;;高斯热 源;;焊接残余应力;;有限元分析1吴芳.哈氏合金C276管道焊接施工技术.化学建设工程,2001,23(4):27
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