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电站锅炉异种钢焊接接头应力模拟与使用寿命分析 摘要 本文用有限元分析软件a n s y s 模拟了g 1 0 2 ( 1 2 c r m o w v t i b ) 和 s u s 3 0 4 ( 0 c r l 9 n i 9 ) 异种钢焊接接头的残余应力分布状况，对比分析了几种不同 焊接工艺下的残余应力分布状况，从降低焊接残余应力角度出发，提出了这类 接头焊接工艺的具体优化方案。采取同样方法模拟了异种钢焊接接头在实际使 用过程中的工作应力分布状况，结果表明工作应力峰值出现在g 1 0 2 侧近熔合线 部位的热影响区，从而对实践中该部位的早期断裂失效作出了圆满解释。 对淮北电厂在役锅炉部分再热器管和过热器管中的g 1 0 2 ( 1 2 c r m o w v t i b ) 和s u s 3 0 4 ( o c r l 9 n i 9 ) 异种钢接头进行了高温与室温力学性能实验、接头金相组 织及显微硬度分布实验。实验结果表明，所截取的在役锅炉异种钢接头较原始 状态发生了不同程度组织和性能的变化，接头g 1 0 2 侧h a z 出现软化区，其内 最低硬度随回火参数的增大而降低，且软化速率高于g 1 0 2 母材；检测结果还 表明，所有被检测接头的抗拉强度与最低显微硬度都还不低于g 1 0 2 母材，即 接头尚未成为系统中的薄弱环节。 关键词：电站锅炉异种钢接头寿命分析残余应力 t h es t r e s ss i m u l a t i o na n dl i f e a n a l y s i so f t h ed i s s i m i l a r s t e e lj o i n t si np o w e rb o i l e r s a b s t r a e t f e ms o f t w a r ea n s y si su s e di nt h i sp a p e rt os i m u l a t et h er e s i d u a ls t r e s s d i s t r i b u t i o no ft h eg 1 0 2 ( 1 2 c r m o w v t i b ) a n ds u s 3 0 4 ( 0 c r l 9 n i 9 ) d i s s i m i l a rs t e e l j o i n t ，a n dt h ec o m p a r i n ga n a l y s i so f t h er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o nu n d e rs e v e r a l d i f f e r e n tw e l d i n gt e c h n i c si sa l s od o n e a no p t i m i z a t i o np r o j e c ta b o u tt h ew e l d i n g t e c h n i c so ft h i sk i n do fj o i n ti s p r e s e n t e dh e r ei nt h ep u r p o s eo fr e d u c i n gt h e r e s i d u a ls t r e s s ，u s i n gt h es a m em e t h o dt h ew o r k i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o nu n d e rt h e a c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o no ft h i st y p eo fd i s s i m i l a rj o i n ti ss i m u l a t e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ew o r k i n gs t r e s sp e a kv a l u ea p p e a r si nt h eh a zo ft h eg 10 2n e a rt h e f u s i o nl i n e ，f u l l y e x p l a i n i n g t h e e a r l yr u p t u r e i n v a l i d a t i o ni n t h i s p a r t i nt h e p r a c t i c e ， t h eg 1 0 2 ( 1 2 c r m o w v t i b ) a n ds u s 3 0 4 ( 0 c r l 9 n i 9 ) d i s s i m i l a rs t e e lj o i n t so f s o m eo ft h es u p e r h e a t e ra n dr e h e a t c rt u b e sf r o mt h eh u a i b e ip o w e rp l a n ta t ec u tt o d ot h ef o l l o w i n ge x p e r i m e n t s ：t h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e a n dr o o m t e m p e r a t u r e ，m e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e ，a n d t h em i c r o - r i g i d i t yd i s t r i b u t i o n t h ee x p e r i m e n t s r e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s s i m i l a rj o i n t sh a v ec h a n g e di ns t r u c t u r e a n dp e r f o r m a n c ea td i f f e r e n tl e v e l c o m p a r i n gw i t ht h eo r i g i n a lo n e ，a n ds o f t e n r e g i o nh a sa p p e a r e di nt h eh a z o ft h eg 1 0 2 ，w h e r et h es l o w e s tr i g i d i t yf a l l sw i t h t h ea u g m e n t a t i o no ft h et e m p e rp a r a m e t e r ，a n dt h es o f t e n i n gr a t ei sh i g h e rt h a nt h e g10 2m o t h e rm a t e r i a l ；t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h em e c h a n i c a ls t r e n g t ha n dt h e s l o w e s t r i g i d i t y o fa l lt h et e s t e dj o i n t sa r es t i l l h i g h e rt h a nt h e g 10 2m o t h e r m a t e r i a l ，t h a ti st os a yt h ej o i n t sh a v e n tb e c o m e t h ew e a k p o i n t so f t h es y s t e m ， k e yw o r d s ：p o w e r b o i l e rd i s s i m i l a rs t e e l j o i n t l i f ea n a l y s i sr e s i d u a ls t r e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金魍工些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：谢经签字日期：伽叫年f 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 a b 王些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：= i | 嗡霞 导师签名 卵；卵 致谢 值此论文完成之际，请允许我向三年来关心和爱护我的人致以诚挚的谢意： 首先要感谢三年来给予我悉心指导的李萌盛副教授。导师严谨的治学态度 和朴素的生活作风是学生终生学习和工作的楷模。三年来，导师为学生创造了 优良的学习和研究环境，并在生活中给予我无微不至的关心，使我能够顺利完 成各个阶段的学习和研究任务，在此谨向敬爱的导师表示崇高的敬意。 特别向在课题选题和研究中给予我许多建议和帮助的焊接教研室徐道荣副 教授致以深深的谢意和敬意：同时对实验室秦琳老师的热心帮助表示衷心的感 谢。 在课题的实验部分，得到了同窗王丽芳的热心帮助和积极配合，正是我们 之间的通力合作，才使课题得以如期完成，她的勤奋是我学习的榜样。她的勤 奋与好学永远是我学习的榜样，在此向她表示感谢。 作者：谢霞 2 0 0 4 年3 月 c 材料比热 五材料导热系数 足热流集中系数 符号清单 窜电弧的有效功率 u 电弧电压 q ，边界换热热损失 【d 卜一弹塑性矩阵 口s 屈服应力 【司单元几何矩阵 卵) 。单元节点上力的增量 日应变硬化指数 p 材料密度 q 区域q 中的热源 帮加热功率的有效系数 ，焊接电流 h 热焓 电弧加热斑点中心最大比热流 孑等效应力 k r 单元刚度矩阵 彩r 加载引起的位移增量 c 卜_ 温度场总的影响向量 第一章绪论 1 1 课题产生背景 我国社会主义现代化建设事业的发展，使得对能源的需求不断增加。特别 是对电力供应的需求量不断增加，使得电站发电机组向高温、高压、大容量发 展。从而提高了对电站设备用材的使用性能要求及制造、施工质量的要求，促 进了原材料品种的更新换代及相应制造工艺水平的进步。 电站锅炉的主要部件是各种管道组成的过热器、再热器、省煤器等。除传 送高温高压蒸汽外，管道还要承受炉膛火焰和烟气高温的作用，使用条件十分 恶劣。根据各部件在锅炉内的不同位置和使用温度，选用不同的材料。一般来 说，锅炉受热面管予高温部位( 高于6 2 0 ) 常选用奥氏体不锈钢管，主要牌 号有s u s 3 0 4 h t b 、t p 3 4 7 h ( 1 9 c r 1 1 n i - n b ) 等，其组织为奥氏体，具有良好的 热强性及抗晶间腐蚀性能。面壁温低于6 2 0 的锅炉过热器、再热器，从经济 角度考虑，一般使用贝氏体、珠光体耐热钢。该类钢含有少量c r 、m o 元素， 具有良好的热强性和一定的高温抗氧化性能。具有代表性的为 g 1 0 2 ( 1 2 c r 2 m o w v t i b ) 等。这种钢是我国自行研制的低碳、低合金贝氏体型热 强钢。 由于锅炉内使用了多种不同成分性能的钢管，由此出现了各类异质对接焊 接接头。锅炉中的各类焊接接头，是锅炉运行中的事故多发部位，经常由于接 头的早期实效断裂而造成停炉停机，尤其是珠光体耐热钢和奥氏体不锈钢这样 的异类异质接头，由于其具有不同金属的化学成分、组织结构、机械性能及物 理性能的差异，故接头的焊接性要比同类钢复杂得多，因而安全性显得更加突 出。近年来，国内外多次发生异种钢焊接接头的断裂失效事故。据统计，美国 t v a 电力公司3 0 台锅炉1 9 7 0 年到1 9 8 3 年十三年间，就发生过大约2 5 0 次异 种钢接头的失效。失效的异种钢接头的断裂部位普遍发生在珠光体侧靠熔合线 部位。异种钢接头的早期失效是一个世界性的问题，即使采用镍基材料，接头 往往也达不到设计寿命。因此，有必要对还在使用的异种钢接头的剩余寿命作 出可靠评估，以便及时更换危险管材，减少因异种钢接头早期失效而发生的事 故。 1 2 异种钢接头高温运行早期失效的原因 珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢焊接接头在锅炉运行工况下存在的问题及 研究现状半个世纪以来一直是众多焊接工作者研究的热点，尤其是对采用奥氏 体焊材的接头的失效机理进行了较深入、全面的探讨。比较一致的看法为： 1 焊缝近熔合线部位的马氏体组织 无论采用奥氏体焊条或镍基焊条，由于焊接过程中存在基体金属的熔入作 用，加之熔化存在时间较短，熔入的金属来不及充分扩散，因此焊缝近熔合线 区域存在较大合金元素的浓度梯度。在靠近珠光体耐热钢一侧的近熔合线的焊 缝，存在马氏体过渡带或富马氏体的混合组织。 马氏体组织的特点是硬而脆且比容较大，在其由奥氏体向马氏体生成过程 中会因比容的改变而在与其相邻的界面上形成巨大的剪切应力。 即使采用了高铬一镍焊条，焊缝金属的塑性、韧性很好，由于在熔合区这 种马氏体过渡段的形成，熔合区的冲击韧性试验的结果与采用高强钢焊条焊接 时一样，在交界层出现硬而脆的马氏体组织，在焊接或使用中可能形成裂纹【。 不过，在采用焊前预热，焊后热处理等工艺措施后，这一问题基本得到控制。 锅炉内过热器，再热器管口径小，壁厚较薄，适当采用焊后回火处理可进行不 预热焊接。 2 熔合区的碳迁移 碳迁移主要发生在焊缝与珠光体钢一侧的熔合区。通常，珠光体钢中的含 碳量高于焊缝。焊缝中含有大量碳化物形成元素c r ，因此大大降低了碳在焊 缝中的活度系数。加之碳在基体中的扩散系数远远大于在焊缝奥氏体中的扩散 系数，造成焊态下、焊后热处理过程中、尤其是使用过程中大量的碳元素自耐 热钢焊接热影响区向焊缝中扩散。在熔合线两侧分别形成增碳区与脱碳区。温 度越高或保温时间越长，碳迁移状况越严重。电站锅炉的高温部件运行温度一 般在5 0 0 - 6 5 0 。c ，显然，长期高温运行是促使碳迁移的主要原因，碳迁移造成 接头组织与性能的恶化。文献 2 通过改变熔敷金属成分研究了几种主要合金 元素含量对碳迁移倾向的影响。认为：碳元素总是从低铬钢一侧向高铬钢中迁 移；增大焊缝中的强碳化物形成元素钼、钒或减少母材中的钼、钒含量均会加 快碳的迁移速度；提高焊缝中的镍含量能有效地抑制碳的扩散迁移，这是近期 采用镍基合金焊条的基本出发点。 3 异种钢接头的热应力 由于不锈钢和低合金耐热钢的热膨胀系数不同，奥氏体不锈钢的线膨胀系 数大约比铬一钼钢大3 0 5 0 。因此可以设想在高温时异质接头的熔合区存在 热应力，这就是大部分异质接头破坏的原因之一。因此，本文第二章用数值模 拟方法模拟了这类异质接头工作时实际所承受的应力，即热应力和工作应力的 迭加。当加热异质接头时，由于奥氏体钢较大的线膨胀系数，会助长熔合区碳 的扩散迁移，热膨胀系数的差异也可能促使熔合区内组织结构的缺陷发展和聚 集。 接头在焊接热循环过程中、焊后热处理以及运行中的加热与冷却过程中， 尤其是快速加热与冷却时，由于奥氏体钢的导热系数较低，热膨胀系数较大， 2 将在焊接接头产生较大热应力。这种应力和工作应力迭加，当超过该温度下材 料的蠕变强度时，就可能造成接头的蠕变断裂。 4 接头的蠕变断裂 很多文献认为：锅炉内异质接头的失效是由于高温与应力作用下的蠕变断 裂。文献 3 4 5 6 对具有不同熔敷金属的异质接头作了应力模拟高温蠕 变断裂试验。采用奥氏体焊条的接头的平均蠕变速率为每1 0 0 0 小时应变量为 4 。采用镍基焊条的接头明显具有较长寿命。分析认为该焊材避免了焊接及 使用过程中接头因脱碳而造成的蠕变抗力降低。断口一般位于耐热钢侧的熔合 区或热影响区。文献 7 还注意到该部位因早期蠕变而产生的内部空穴。文献 3 认为异质接头的蠕变强度不匹配是异种钢接头高温运行中过早失效的主要 原因。 5 异种钢接头的优先氧化与腐蚀 由于异种钢焊接接头熔合线两侧钢的合金元素含量不同，造成其电极电位 的差异。这种电极电位的差异使得电极电位低的部分的耐腐蚀性和抗氧化性显 著降低。在腐蚀介质中，甚至在大气中奥氏体与非奥氏体钢接头中非奥氏体钢 - n 近熔合区即会产生明显的优先腐蚀。而锅炉受热面管子的异种钢接头则在 珠光体钢一侧焊接热影响区产生优先氧化。优先腐蚀和优先氧化使接头靠近熔 合线形成状如咬边的连续性沟槽。如过热器奥氏体与珠光体钢异质接头运行 1 0 万小时左右优先氧化沟槽深达0 6 毫米。 1 3 控制异种钢接头早期失效的方法 1 加过渡段 丛欣滋等人经过蠕变试验提出蠕变强度不匹配是异种钢接头失效的主要 原因。为了改善铁素体钢和奥氏钢之间蠕变强度差别太大的问题，提出可以接 入一段蠕变强度介于两者之间的过渡段，结果可使异种钢接头的蠕变断裂强度 ( 寿命) 达到铁素体同种钢接头的水平。但此方法增加了焊缝数，即增加了不安 全因素，而且不可能找到一种过渡材料同时消除与两侧母材的蠕变强度的差 别，过渡段与两侧母材焊缝填充金属的选择也有一定的难度。 2 降低焊接热应力 由于热应力是异种钢接头早期断裂失效的一大原因，因此有必要从焊接工 艺上降低热应力，如增大坡1 3 角度【8 】、采用脉冲电流双道焊等。本文第二章就 用数值模拟方法对比了几种不同焊接工艺下的热应力分布状况，结果表明，增 大坡口角度以及采用脉冲双道焊并控制层间温度，再经焊后去应力热处理，可 以显著降低由接头热膨胀系数差别而引起的热应力，从而提高接头的寿命。 1 。4 典型的寿命评估方法 1 修正的e 函数法：占= 0 l f + 巩( p 印一1 ) 【9 ，1 0 i 依据“火电厂超期服役机组受命评估技术准则”( 该标准于9 8 年1 0 月由 电力工业部颁布执行，标准号d l t 6 5 4 1 9 9 8 ) ，采用修正的e 法对过热器管 和再热器管道的安全性和剩余寿命作出评估，为高温再热器管和高湿过热器管 的监督运行提供了技术上的依据。 2 l m 参数法：丁p + l o g t ，) i 厂( l m 参数法的特点是在较高温度下模拟持久爆管过程，使转折点提早出 现，从而克服了直线外推方法不能预铡实际温度与实验温度不一致情况下寿命 时间的缺点，并且预测结果明显比等温线法准确，因而为国内外许多研究者采 用。 3 持久强度外推法：萨4 ( f ，) ” 持久强度外推法描述了应力与断裂时间的理论关系，用持久强度外推法来 估算高温部件的寿命，还须通过实验来拟合a 、m 值，由持久强度外推蠕变寿 命时对应力的敏感性大。 1 5 本课题的研究内容及章节安排 第一章绪论本章主要介绍了异种钢接头的失效原因及典型的剩余寿命评 估方法；第二章运用大型有限元分析软件a n s y s 作为分析手段，在热弹塑性 力学的基础上，对g 1 0 2 ( 1 2 c r 2 m o w v t i b ) 和s u s 3 0 4 ( o c r l 9 n i 9 ) 异质管焊 接接头的焊接温度场和焊接残余应力场分布状况进行模拟，探讨了这类异种钢 接头的焊接温度场、应力场的分布规律。分析中模拟了在生产实践中经常采用 的几种不同焊接工艺条件，对比分析了接头的温度场、应力场运算结果的差异。 以降低焊接残余应力为优化准则，提出了这类接头焊接工艺优化方案；第三章 对淮北发电厂两台在役2 0 万千瓦机组锅炉局部再热器、过热器管道及管道中 的g 1 0 2 s u s 3 0 4 ( 珠光体耐热钢与奥氏体不锈钢) 异种钢接头进行了截管检测 分析，以期对其剩余寿命作出评估：第四章是对所做研究工作的总结并对课题 的前景作了展望。 4 第二章通过数值模拟进行异种钢接头焊接工艺的优化 因为焊接残余应力是异种钢接头早期失效的个主要原因，因此，有必要 对这类接头的焊接残余应力进行数值模拟，定量分析几种不同工艺下的g 1 0 2 和s u s 3 0 4 异种钢焊接接头的残余应力分布状况，比较差异。并从降低残余应 力角度出发，优化焊接工艺。 本章所有的计算都是在a n s y s 软件中完成的。a n s y s 软件是一种大型 多目标通用有限元分析软件。它可以对工程应用领域的多个方面进行分析包括 静态和动态结构分析、稳态和瞬态热传导问题、电磁场、耦合场等。该程序将 一些非线性因素如塑性、大应变、超弹性、蠕变、大变形、接触、应力硬化、 温度依靠性、材料的各向异性以及辐射等特征都考虑进去，从而在不同的工程 领域得到了广泛应用。在a n s y s m u l t i p h y s i c s 、a n s y s m e c h a n i e a l 、 a n s y s t h e r m a l 、a n s y s f l o t r a n 、a n s y s e d 五种产品中包含热分析功能， 除a n s y s f l o t r a n 外，其余四种都包含相变热分析。a n s y s 热分析基于能 量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理 参数。 2 1 焊接数值模拟概述 1 焊接数值模拟概念 焊接数值模拟，是以实验为基础，采用一组控制方程来描述一个焊接过程 或一个焊接过程的某一个方面。采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量 认识( 如焊接温度场、焊接热循环、焊接热影响区的硬度、焊接区的强度、断 裂韧性等) 。焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控制方程 ( 本构关系) 。而焊接物理模拟是采用缩小比例或简化了某些条件的模拟件来 代替原尺寸形状的实物研究( 如焊接热，力物理模拟、密栅云纹法分析应力应 变、氢的瞬态分布电视录像) 。物理模拟可以校验、校核数值模拟的结果，作 为数值模拟的必要补充。 2 ，焊接数值模拟中的数值分析方法 数值模拟是对具体对象抽取数学模型，然后用数值分析方法，通过计算机 求解。经过几十年的发展，开发了许多不同的科学方法，其中有：( 1 ) 数值积 分法：( 2 ) 蒙特卡洛法：( 3 ) 有限差分法；( 4 ) 有限元法。 数值积分法用在原函数难于找到的微积分计算中。常用的数值积分法有梯 形公式、辛普生公式，高斯求积法等。 蒙特卡洛法又称随机模拟法。即对某一问题做出一个适当的随机过程，把 随机过程的参数用由随机样本计算出的统计量的值来估计，从而由这个参数找 出最初所述问题中的所含未知量。 差分法的基础是用差商代替微商，相应的就把微分方程变为差分方程来求 解。差分法的主要优点是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题，其 程序设计和计算简单，易于掌握理解，但这种方法往往局限于规则的差分网格， 不够灵活。在焊接研究中差分法常用于焊接热传导、熔池流体力学、氢扩散等 问题的分析。 有限元法起源于2 0 世纪5 0 年代航空工程中飞行结构的矩阵分析，现在它 已被用来求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接领域，有限元法已经广 泛的用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分 析等。 在工程应用中，上述数值模拟方法常相互交叉和渗透。本课题主要就是运 用有限单元法来模拟计算焊接接头的温度、应力分布状况。 3 焊接数值模拟的意义 焊接数值模拟的理论意义在于，通过对复杂或不可观察的现象进行定量分 析和对极端情况下尚不可知的规则进行推测和预测，实现对复杂焊接现象的模 拟，以助于认清焊接现象本质，弄清焊接现象规律。 焊接数值模拟的现实意义在于，根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以 优化结构设计和工艺设计，从面减少试验工作量，提高焊接接头的质量。 4 焊接应力数值模拟的前景与展望 自从7 0 年代以有限元法为基础，提出了考虑材料力学性能与温度有关的 焊接热弹塑性基本理论，加上日益普及的高性能电子计算机和相关软件的广泛 应用，从而使复杂的动态焊接应力应变过程的数值模拟和理论预测成为可能。 有关焊接应力数值分析的研究，包括焊接时动态的热应力与相变应力：焊接残 余应力；去应力热处理后的剩余应力等。所采用的数值模拟研究方法有热弹塑 性有限元分析，固有应变法，弹粘塑性分析，考虑相变与热应力耦合效应等等。 无论从研究内容的丰富程度，还是研究方法与手段的先进性等方面都是前所未 有的。3 0 多年来，这方面的研究工作，取得了丰硕成果，可以归纳为以下几 个方面 1 1 , 1 2 ： ( 1 ) 焊接热弹塑性基本理论，并引入了蠕变分析和相变时的力学行为和处 理方法( 2 ) 焊接应力的发生机制和残余应力分布形态；( 3 ) 应力消除退火；( 4 ) 焊 接裂纹及其力学指标：( 5 ) 固有应变理论；( 6 ) 基于固有应变理论的三维残余应 力的测定法；( 7 ) 高精度焊接变形的预测；( 8 ) 焊接应力变形对焊接接头强度的 影响等。尤其是近几年来，关于焊接应力应变数值模拟和理论预测的研究再次 成为热点课题。目前，这方面的研究已发展成为一门新的专门学科“计算焊接 力学”f 1 3 1 。 焊接理论预测和数值模拟技术的前景如此看好，有以下几方面的原因： ( 1 ) 由于系统越来越高性能化或复杂化，单纯的实验研究已难以使严峻的 状况重现出来。 ( 2 ) 有些问题只有使用数学模型方能明了其状况。 ( 3 ) 计算机的性能已经大大提高并呈现出日新月异的发展态势。目前甚至 可以把计算机看作是一个能够用于多目的和多用途的万能实验装置，可以用来 模拟各种复杂现象的再现。这种研究方法与过去的小规模实验相比，方式不同， 具有很大的优越性以及高的效能和效益，也称之为数值实验。 焊接是一个牵涉到传热学、电磁学、材料冶金学、固体和流体力学等多 种学科交叉的复杂现象。如上所述，在计算机日益发展的今天，采用数值方法 来模拟复杂的焊接现象已经取得了很大的进展。数值模拟技术已经渗入到焊接 的各个领域，取得可喜的成绩。然而应该看到这些研究还是初步的，还有许多 深入的研究工作要做。关键是要进一步认识焊接数值模拟技术的意义和作用， 同时必须正确和真实地掌握和阐明焊接现象的本质，才能建立起准确的数学模 型。而正确的数值模拟也有助于对焊接过程规律的进一步理解。焊接数值模拟 更重要的作用是优化结构设计和工艺设计，提高焊接接头的质量。因此焊接数 值模拟具有重要的理论意义和实际应用价值。 目前存在的一个重要问题是材料性能，特别是高温时的材料性能还很不 足，给数值分析带来不少困难。其次是数值模拟分析中所建模型和给定的拘束 条件是否能完全符合实际构件的真实情况和约束形式，对模拟与预测结果会产 生很大的影响。另外，由于计算过程复杂，步骤很多，容易造成较大的积累误 差，难以保证计算精度。所以除了对于简化了的模型外，只要涉及到焊接的实 际情况往往计算工作量大，费用很高，甚至难以实现。 事实上，已有的数值分析的研究成果已经使我们对复杂的焊接物理现象 的本质和规律以及焊接应力和变形的发展过程有了进一步的深入了解，从而为 解决焊接问题带来了新思路和新方法。所以，我们有理由相信，随着人们对焊 接过程和现象认知的进一步深入以及计算机技术的高度发展，焊接过程数值模 拟技术也必将越来越发展并具有广阔的应用前景。 2 2 有限元模型的建立 2 2 1 定义单元类型 确定分析方案后，开始建模，首先必须定义单元类型。 有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受 一定载荷。其中，单元是由一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述( 称 为刚度矩阵或系数矩阵) 。节点是空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在 相互物理作用。信息是通过单元之间的公共节点传递的。 自由度( d o f s ) 用于描述一个物理场的响应特性。有限元分析仅仅求解 节点处的自由度值。在焊接过程的计算机仿真中，计算温度场时单元的自由度 是温度，而在计算应力场时需要转化热分析单元为结构分析单元，其自由度为 位移。 每个单元的特性是通过一些线性方程式即形函数来描述的。作为一个整 体。单元形成了整体结构的数学模型。单元形函数是一种数学函数，规定了从 节点自由度值到单元内所有点处自由度值的计算方法，提供出一种描述单元结 果的“形状”。它与真实工作特性吻合好坏程度直接影响求解精度 1 a , l s 。 在有限元分析中，单元类型决定了( 1 ) 每个单元的节点数目和分布：( 2 ) 节点的自由度：( 3 ) 单元形函数。 广义来说，单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类，在保证自 由度的相容性的前提下，也可以将不同类型的单元混合使用。旦决定采用线、 平面、三维壳或者三维实体单元，还需要进一步决定采用线性、四边形或p 单元。线性单元和高阶单元之间明显的差别是线性单元只存在“角节点”，而 高阶单元还存在“中间节点”。线性单元内的位移按线性变化，因此( 大多数 时) 单个单元上的应力状态是线性变化的。p 单元内的位移是从2 阶到8 阶变 化的，而且具有求解收敛自动控制功能，自动确定在各位置上分析应当采用的 阶数。 有限元软件中，通常把它们按功能来分类。a n s y s 大型分析软件中，就 分为结构单元、热单元、电磁单元、耦合场单元、流体单元等几类。在单元手 册( 资料或在线帮助) 中，a n s y s 单元库有1 0 0 多种单元类型，其中许多单 元具有好几种可选择特性来用于不同的功能f l “。 焊接过程是个热力耦合的过程。在热弹塑性分析的过程中，既需要计算温 度场，又需要计算应力场，选择的单元必须满足下列条件：( 1 ) 是自由度为温 度的热单元；( 2 ) 具有热传导、对流能力( 有的单元仅有辐射、对流功能) ( 3 ) 必须能够进行热力耦合分析。 由以上几条原则，在本课题中，最终选用了s o l i d 7 0 单元。s o l i d 7 0 是 一个具有八节点的三维热实体单元，当进行应力场分析时，该单元被一个等效 的结构单元s o l i d 4 5 单元所代替，但节点的分布并没有改变。 2 2 2 定义材料属性 在焊接过程的数值模拟中，进行温度场分析时分析必须确定下列热物理参 数：导热系数( w m ) 、对流系数( w m 2 ) 、密度( k g m 3 ) 、比热( j k g ) 、焓( j m 3 ) ：应力场分析时则必须确定弹性模量( n m 2 ) 、热膨胀系数( 1 ) 、密度( k g 一) 和屈服极限( a p a ) 等参数。 材料属性可以是( 1 ) 线性或非线性：( 2 ) 各向同性、正交异性或非弹性； ( 3 ) 不随温度变化或随温度变化。在a n s y s 中，可以将每一组材料属性对应 为一个材料参考号。在一个分析中，可以有多个材料属性组对应于模型中用到 的多种材料( a n s y s 用唯一的参考号来识别每个材料属性组) 。 焊接过程中的热传导问题和热力耦合是一个复杂的非线性问题。热物理参 数如热导率和比热容随温度的变化而变化，更由于焊接过程中塑性应变的产 生，其结果必然是和过程相关的“”。对某些材料，二者随温度变化的方向甚至 是相反的“ 表1 三种材料的热物理性能参数 表2 三种材料的力学性能参数 值得注意的是，大多数现有资料中的材料属性( 热物理性能参数) 并不完 整，比如弹性模量只给出了5 0 0 。c 以下的值，而a n s y s 将最后一个输入值视为 最终参数，即把5 0 0 以上的弹性模量值都视为5 0 0 时的值，这样，在实际 温度超过熔点的时候，有限元软件仍然将液态金属的弹性模量视为5 0 0 时的 固态金属的弹性模量，计算结果会有很大偏差。因此，在缺乏充分的热物理性 能参数时，可用相近材料的热物理性能参数替代。但是，慎用把熔点时的弹性 模量、屈服强度等参数设为零或很小的数值( 有时a n s y s 不支持某种材料属性 为零的输入) ，尽管实际上可能是那样的，但是在实际计算的过程中，这样做 也有可能引起求解过程的发散( 可能是因为引起了材料属性的不连续性) ，需 要在大量计算的基础上优化才能得到满意的结果 。 本课题中涉及的三种材料部分性能参数见表1 和表2 “”“1 ，三种材料 属性均为各向同性。 2 2 3 建立几何模型 有两种创建有限元几何模型的方法：实体几何建模和直接生成法。实体几 何建模是先画出模型的几何形状，然后对几何实体进行网格划分产生节点和单 元，可以控制程序生成单元的大小和形状；直接生成法是“手动”定义每个节 点的位置和每个单元的连接。可采用一些简便的操作，如节点和单元的复制、 对称和投影等。 空间任何一点通常可用笛卡尔坐标( c a r t e s i a n ) 、圆柱坐标( c y l i n d e r ) 或球 面坐标( s p h e r i c i t y ) 来表示该点的位置，不管哪种坐标系都需要有一个参数来表 示该点的正确位置。每一坐标系统又称为整体坐标系统，在某些情况下可通过 辅助节点来定义局部坐标系统1 2 2 】。 对于简单的几何模型，可以采用直接生成法，这样可以很容易控制节点和 单元的分布、数量和序号：但如果要构造复杂的几何模型，使用直接生成的方 法费时费力，一般采用实体几何建模。在实体几何建模时，可以自底向上构造 有限元模型，即在构造实体模型时，首先定义关键点，再利用这些关键点定义 较高级的实体图元( 即线、面和体) ；也可以采用自顶向下构造有限元模型， 即通过汇集线、面、体等几何体素的方法构造模型。 本课题先定义关键点，然后生成模型，再进行布尔操作生成实体模型。 实体建模的最终目的是为了划分网格以生成节点和单元。所以，在建立几 何模型时，必须充分考虑划分网格的问题，要使几何模型在满足计算要求的基 础上最简化。这点将在下一节中详述。 本课题模拟用试件为珠光体耐热钢g 1 0 2 与奥氏体不锈钢s u s 3 0 4 管材，规 格：中5 1 3 5 m m ，长各5 0 m m 。采用管状对接接头形式，单面v 形坡口，坡口 角7 0 。，钝边0 5 m m ( 坡口形式如图2 一1 ) 。在直角坐标系中建立几何模型，基 于对称性并考虑减少计算量只取管件圆周的一半( 如图2 2 所示) ；采用钨极 氩弧焊单面焊，坡口填充金属采用镍基焊丝i n c o n e l 8 2 。模拟中分别采用以下 三种焊接工艺方案：单道直流焊，焊接电流为8 0 a ，电弧电压1 4 v ，焊接速度 1 2 m m s ：单道脉冲焊和双道脉冲焊，焊接峰值电流1 0 5 a 、基值电流5 5 a ，脉 宽比3 5 ，电弧电压1 4 v ，焊接速度分别为：单道焊1 2 m m s 、双道焊1 5 m m s 。 睡j 3 5 r a m 1 m n l , o 图2 1 接头坡口形式 2 2 4 网格划分 建好几何模型，下一步开始划分网格。首先应当确定采用自由网格还是映 射网格。顾名思义，自由网格对于单元形状无限制，但排列不规则。映射网格 对包含的单元形状有限制，而且必须满足特定的规则。映射面网格只包含四边 形或三角形单元，映射体网格只包含六面体单元。而且，映射网格具有规则形 状，明显成排的单元。这对载荷的施加和收敛的控制是相当有利的。 焊接过程是一个加热非常不均匀的过程，在焊缝处温度梯度变化很大，划 分网格时一般不采取均匀的网格，而是在焊缝及其附近的部分用加密的网格， 在远离焊缝的区域，温度分布梯度变化相对较小，这时可以忽略细节，划分均 匀且相对稀疏的单元网格。总之，在保证精度的同时减少网格的数量，以加快 运算速度和节省内存空间。要获得个良好的瞬态焊接温度场，焊缝处的单元 网格最好在2 m m 以下“。 本课题中，采用自适应映射网格划分技术，单道焊模拟时共生成8 8 7 5 个 单元，2 2 7 8 个节点。如图2 2 所示。 图2 - 2 计算用有限元模型 2 2 5 生死单元 大型构件的焊接常用多层多道焊，焊接过程中伴随着焊缝熔敷金属的填 充，这时就需要采用生死单元技术。在a n s y s 软件中，并不是将“杀死”的 单元从模型中删除而达到“单元死”的效果，而是将其刚度( 或传导，或其它 分析特性) 矩阵乘以一个很小的因子 e s t i f 】。因子缺省值为1 0 e 6 ，可以赋 为其它数值。死单元的单元载荷将为0 。从而不对载荷向量生效( 但仍然在单 元载荷的列表中出现) 。同样，单元“出生”也不是将其加入到模型中，而是 重新激活它们。用户必须在p r e p 7 中生成所有单元，包括后面要被激活的单元。 在求解器中不能生成新的单元。要“加入”一个单元，先杀死它，然后在合适 的载荷步中重新激活它们。 本课题研究中的双道焊焊接温度场、应力场的分析计算，由于是逐层焊接， 因此在焊第一道焊缝时，必须将第二道焊缝上的所有单元杀死，在焊第二道焊 缝时，再重新激活它们。 2 3 温度场的计算 2 。3 1 焊接温度场的基本理论 由于焊接过程是高度集中热源的作用过程，其温度场极其不均匀、不稳定， 而焊接熔池中局部最高温度可达金属的汽化温度。因此，焊接的热传导是一个 典型的不稳定热传导问题。对于三维热传导问题，其微分方程式为1 2 4 l ： 心，詈= 昙( k 罢) + 刍( k 篝】+ 昙( _ 詈) + 耳 c ： 式中定压比热容c 。和导热系数k q 是温度的函数，h ，为熔化潜热。 求解导热问题，实质上归结为对导热微分方程式的求解，首先把求解区域 离散化，即把求解区域分割成有限多个多边形单元，在每个单元上选择某些节 点，以节点温度作为基点处的温度。这样整个求解区域就由有限个离散单元代 替，而整个求解域上连续的温度函数t ( x ，y ，z ，t ) ，也将由有限个单元的温度搏值 函数所代替。于是把在整个区域上连续分布的温度函数问题转化为求解单元温 度的问题，再给出某些特定解条件如：初始条件，边界条件。就能够完整地描 述一个具体的导热问题。 2 3 2 热源模型 热源模型是否选取适当，对瞬态焊接温度场的计算精度，特别是在靠近热 源的地方，有很大的影响。在电弧焊时，通常采用高斯分布的热源模型( 如图 2 3 ) ，此时的热源分布 2 5 , 2 6 1 ： 图2 3 高斯分布的热源模型 孵闱舟 一s 爿 式中，r 为离开热源中心的距离，f 是电弧有效加热半径 对移动热源( 非高速) 有： 3 g 。2 了g 其中，q = n i u 式中q 一一电弧的有效功率( w ) ： i 一一焊接电流( a ) ； u 一一电弧电压( v ) ； 玎一一加热功率的有效系数。 设电弧沿x 轴移动，则热输入的分布函数为： ( 2 2 ) ，q 。是最大比热流。 ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) q ( x 删h ，e 坤一s 引= 7 3 ? u 唧 - 塾笋】 ( 2 - s ) 2 3 3 潜热的处理 在焊接过程中，随着相变而产生的热量转换( 潜热的放出与吸收) ，在一 定程度上影响温度场的分布。对热过程起主要作用的是固液相变，而固态相变 影响较小。 本课题中处理潜热问题的方法是定义了不同温度下的的热焓( e n t h a l p y ) 。 热焓是指单位质量或体积的物质所含的全部热能，它是关于温度的连续函数， 其数学定义为： 0 a h ( t ) = ip c ( r ) d r( 2 - 6 ) 0 其中h 为热焓，p ，c ，t 分别为密度，比热和绝对温度”当某一节点的温 度超过熔点或相变点时，会有一定的焓变，通过定义这个焓变就可以把潜热考 虑进去。 2 3 4 加载求解 1 a n s y s 中载荷的施加是在s o l u t i o n 求解器中进行的。首先将分析类型 设定为瞬态熟分析。 2 施加载荷 ( 1 ) 生热率 加载时，焊接热源是假设焊缝所处单元的内部热生成来模拟，内部热生成 是以公式( 2 7 ) 所示的内部热生成强度表示，将有效的焊接热输入量换算成焊缝 单元在单位体积、单位时间的热生成强度。 g ：型等掣p f 垫巫2 掣坐旦i ( 2 - 7 ) g _ 忑行一印l 丽产一l ( 2 ) 对流 对流边界条件作为面载荷施加于实体的外表面或表面效应单元上，计算与 周围流体环境的热交换。本文中的对流换热系数按分段函数( 2 8 ) 式计算。 由于管径较小，可以忽略管内表面与空气的热交换而只需考虑管外表面与周围 环境的热交换。环境温度设为室温2 0 c 。 =【1。(51+0。+001197。1。一3t一。rt g e n e r a lp o s t p r o c r e a dr e s u l t s b yt i m e f r e q 读入结果数据，由 m a i nm e n u g e n e r a lp o s t p r o e p l o tr e s u l t s c o n t o u rp l o t n o d a l s o l u d o f s o l u t i o n 来将节点温度以等值线的形式绘制出来。 图2 - 4 为单道直流焊时异种钢焊接接头温度场进入准稳态时的总体分布 状况。从图中可以看出，奥氏体不锈钢侧高温区明显宽于珠光体耐热钢侧，这 与实际情况相符合，即由于奥氏体不锈钢的导热系数较珠光体耐热钢低得多， 散热慢，而两者热容相差不太大，故s u s 3 0 4 侧高温区域较宽，熔宽较宽。 图2 4 焊接准稳态温度场的分布 2 几个热循环曲线的比较( 距焊缝中心的远近) 在a n s y s 中，p o s t 2 6 可用来显示焊件上某一点温度随时间的变化规律， 即焊件上某点的热循环曲线，具体实现过程为：m a i nm e n u t i m e h i s t p o s t p r o d e f i n ev a r i a b l e s 来定义要显示的变量如温度，当定义p o s t 2 6 变量和 参数时，就在结果文件的相应数据建立了指针。存储变量就是将结果文件中的 数据读入数据库，当发出显示命令或p o s t 2 6 数据操作命令或选择与这些命令 等价的图形路径时，程