基于HyperMesh的球閥袖管焊接溫度場分析

　　0 概述

　　某抗硫球閥為對焊端結(jié)構(gòu)，需要焊接袖管。焊接過程產(chǎn)生的高溫會造成熱影響區(qū)域，尤其接頭區(qū)域產(chǎn)生變形及殘余應(yīng)力，同時O型密封圈處的溫度也是焊接生產(chǎn)比較 關(guān)心的問題。因此，為弄清袖管焊接過程中溫度場規(guī)律，給實際焊接生產(chǎn)提供理論性指導(dǎo)，有必要對袖管焊接問題進(jìn)行數(shù)值模擬。

　　該抗硫球閥在設(shè)計過程中，考慮到焊接過程中復(fù)雜熱傳導(dǎo)對結(jié)構(gòu)的影響，適當(dāng)增加了袖管長度，降低焊接袖管時對閥門本體材料及閥門內(nèi)件產(chǎn)生的影響。為了科學(xué)驗 證焊縫I和焊縫Ⅱ的熱影響區(qū)域及袖管設(shè)計長度的合理性，根據(jù)焊接試驗數(shù)據(jù)，通過有限元前處理軟件HyperMesh建立有限元模型，利用某求解器計算抗硫 球閥袖管的焊接溫度場，為定量評價焊接溫度對閥門及袖管本身的影響提供科學(xué)依據(jù)。

　　1 問題描述

　　如圖1為抗硫球閥閥蓋和袖管焊接示意圖，閥蓋與袖管、袖管與袖管通過焊接方式連接起來，如圖中焊縫Ⅰ和焊縫Ⅱ，當(dāng)設(shè)計的閥蓋進(jìn)出口段與袖管過短，完全在焊接熱影響區(qū)域時，會影響閥門密封性能以及力學(xué)性能。因此，需要解決以下問題：

　　1、當(dāng)焊接焊縫Ⅰ時：

　　A、閥蓋和袖管焊接時，計算O型圈密封面處的溫度？控制目標(biāo)：≤200℃。

　　B、焊接熱影響區(qū)（溫度≥200℃的區(qū)域），當(dāng)溫度降到200℃時，此位置距離焊縫中心的距離是多少？目標(biāo)：計算焊接熱影響區(qū)域范圍。

　　2、當(dāng)焊接焊縫Ⅱ時：

　　焊接熱影響區(qū)（溫度≥200℃的區(qū)域），當(dāng)溫度降到200℃時，此位置距離焊縫中心的距離是多少？目標(biāo)：計算焊接熱影響區(qū)域范圍。

 

圖1 閥蓋和袖管焊接示意圖

　　2 焊接溫度場計算模型

　　焊接是一個涉及電弧物理、傳熱介質(zhì)、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程，在傳熱過程中，從局部快速加熱到高溫，并隨后快速冷卻，伴隨著金屬熔化和凝固、加熱或冷卻過程 的相變、焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生等。隨著熱源的移動，整個焊件的溫度隨時間和空間急劇變化，材料的熱物理性能也隨溫度劇烈變化，同時還存在熔化和相變時的潛 熱現(xiàn)象。

　　實際焊接熱過程異常復(fù)雜，其模擬計算不可能考慮到所有的實際焊接條件。由于本計算旨在考察焊接時熱傳導(dǎo)對閥蓋及袖管的影響，因此為了計算保守，同時控制計算成本，提高效率，在建模計算時做適當(dāng)?shù)暮喕僭O(shè)。

　　不考慮焊縫內(nèi)部的變化，即對溫度在熔化溫度以上的熔化金屬部分仍然看作固態(tài)，所以其熱控制方程采用熱傳導(dǎo)微分方程。

　　假定材料是各向同性，導(dǎo)熱系數(shù)不隨溫度變化，不考慮材料的熱物理性能對溫度的依賴性。

　　根據(jù)實際焊接工藝以及考慮結(jié)果保守性，使用高斯面熱源模型模擬對工件的加熱作用。

　　根據(jù)學(xué)者研究結(jié)論和工程經(jīng)驗，由于在焊接熱源移動過程中，熱源位置的溫度場分布形狀基本保持不變，具有一定的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分分析的特征。因此，本計算采用穩(wěn)態(tài)熱分析方法。

　　2.1 熱源模型以及過程模擬

　　根據(jù)實際焊接工藝，摒棄復(fù)雜的熱源模型，如半球狀高斯體熱源、雙橢球功率密度分布熱源、高斯柱體熱源、旋轉(zhuǎn)體熱源等模型，而選取高斯面熱源模型，如下式：

   式中為換熱系數(shù)；為工件溫度；為環(huán)境溫度。

   當(dāng)溫度達(dá)到200℃（此溫度下鋼開始喪失彈性）之處距離焊接熱源焊縫軸線的距離，確定焊接熱影響的區(qū)域范圍，焊接袖管采用的焊接工藝參數(shù)按照WPS，電流,電壓，電弧移動速度，袖管厚度T=16mm，熱利用有效系數(shù)為。電弧焊的有效功為。

圖2 有限元網(wǎng)格

　　3 計算結(jié)果

　　計算模型采用單點高斯熱源模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，圖3為點焊焊縫Ⅰ時整體的溫度場計算結(jié)果分布云圖，最高溫度區(qū)域均位于焊縫生熱單元處，且溫度隨離焊縫中心 距離的增加而逐漸降低，溫度最高達(dá)1190℃。圖4為閥蓋的溫度場分布云圖，閥蓋最高溫度為630℃，最低溫度為110℃，熱源以圓周方式向周圍擴(kuò)散，圖 中灰色區(qū)域為熱影響區(qū)域（超出200℃范圍），O型圈密封面的溫度為144℃，在控制目標(biāo)范圍內(nèi)。

　　圖5 點焊焊縫Ⅰ時熱影響區(qū)距離示意圖。點焊焊縫Ⅰ時，熱源以圓周方式向周圍擴(kuò)散，溫度逐漸降低，當(dāng)溫度降到200℃時，閥蓋端距離焊縫的距離為60mm，袖管端距離焊縫的距離為83mm。

圖3 點焊焊縫Ⅰ時整體溫度場分布云圖

 

圖4 點焊焊縫Ⅰ時閥蓋的溫度場分布云圖

圖5 點焊焊縫Ⅰ時熱影響區(qū)距離示意圖

　　圖6為點焊焊縫Ⅱ時的溫度場計算結(jié)果分布云圖，最高溫度區(qū)域均位于焊縫生熱單元處，溫度最高達(dá)1400℃，且溫度隨離焊縫中心距離的增加而逐漸降低，圖中灰色區(qū)域為熱影響區(qū)域（超出200℃范圍），袖管兩端距離焊縫的距離為144mm(對稱)。

圖6 點焊焊縫Ⅱ時閥蓋溫度場分布云圖

　　4 結(jié)果分析

　　本計算采用單點高斯熱源模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱模擬，可以較好地模擬出熱源在不同位置處的溫度場分布，并得出距焊縫不同位置的溫度值。比較實際焊接和熱處理過程，數(shù)值模擬忽略了部分影響因素，因此模擬結(jié)果與真實結(jié)果會存在一定的差異，但與實際焊接溫度場的分布基本一致。

　　與采用移動高斯面體混合熱源模型的非線性瞬態(tài)模擬相比較，在溫度場分布趨勢上是一致的。由于穩(wěn)態(tài)熱模擬，不考慮金屬相變的冷卻過程，因此在焊縫和熱影響區(qū)的軸向溫度值會更大一些，結(jié)果更保守，這樣對于僅判斷熱影響區(qū)域是合理的。

　　5 結(jié)論

　　利用Altair公司的HyperMesh有限元前處理軟件建立焊接溫度場有限元模型，采用單點高斯熱源模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，計算結(jié)果與實際焊接溫度場的分布基本一致，且結(jié)果保守，可較好的評價焊接過程對閥門本體及附件產(chǎn)生的影響。

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