13MNNIMONBR特厚板焊接溫度場的數值模擬

劉有艷，溫永彬

(1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院揚州分院化工站，江蘇 揚州 225002;2.南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816)

0 前言

13MnNiMoNbR是國產低合金高強度鋼，多用于大型厚板壓力容器，由于材料本身的焊接性能受焊接工藝、焊前/后熱處理等多方因素的影響，如何解決焊接殘余應力及變形是目前13MnNiMoNbR鋼研究的主要課題。因此焊接過程的溫度對研究13MnNiMoNbR鋼的實際應用具有極其重要的作用。熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一，其優點是:測量精度高、測量范圍廣、構造簡單、使用方便［1－2］。在焊接研究的發展中，計算機模擬將發揮其自身獨特的優勢，ABAQUS是目前世界上流行的大型通用有限元分析軟件之一，其自動網格劃分功能，強大的非線性分析功能可以有效地模擬各種焊接非線性過程，后處理器可以方便地將計算結果進行彩色等值、矢量圖和梯度等多種直觀顯示。由于ABAQUS的以上功能及其可靠性和開放性等特點，應用該軟件模擬焊接過程也越來越受到人們的關注［3－6］。

本研究結果對準確模擬殘余應力，優化13Mn－NiMoNbR的厚板焊接工藝，控制焊接過程中的殘余應力，提高焊接接頭的可靠性和安全性具有重要的意義［7－10］。

1 溫度場測量

1.1 焊接件材料和尺寸

焊接件為兩塊13MnNiMoNbR板材，試件尺寸500 mm×400 mm×110 mm，材料成分如表1所示。

1.2 熱電偶布置

埋弧焊過程中焊縫處的溫度在1 000℃以上，距離焊縫一定距離處的溫度極限會低于1 000℃，因此，溫度場測量采用K型鉻硅－鎳硅鎧裝熱電偶，其使用溫度為 －200℃ ～1 300℃，最大誤差5%。熱電偶位置布置:斜向布置的五個表面測溫點自焊縫到熱影響區為點 A、B、C、D、E，直接點焊到筒體，直線布置的五個深度測溫點采用打孔法，自左至右深度分別為點 F、G、H、I、J，深度分別為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、55 mm，小孔直徑3 mm。焊接過程從左到右，熱電偶的布置如圖1所示。

圖1 焊接件上表面及內部熱電偶布置

1.3 測量結果

整個焊接過程共有37層，73道焊。在焊接過程中，每50 s自動采集、記錄一次各熱電偶數據，并將數據通過打印機實時輸出。經過觀察分析各個熱電偶的溫度測量記錄，去除出現異常讀數的熱電偶后，最終統計溫度測量的有效點為E、I、J。焊接前后實物如圖2所示。

2 ABAQUS模擬結果

2.1 幾何模型

幾何模型焊接完成后，焊板尺寸為500 mm×400 mm×110 mm。打底焊深2 mm，圓弧半徑8 mm，坡口角度82°，73道焊，焊縫熱影響區寬度4 mm，如圖3、圖4所示。

圖2 焊接前后實物圖

2.2 焊接材料參數

焊件與焊條所用材料均為13MnMoNiNbR，汽化潛熱300E3 J/kg·mol－1，計算考慮了材料性能隨溫度的變化，13MnMoNiNbR熱物理性能參數見表2［5］。

2.3 網格劃分

圖3 焊板及坡口刨面

圖4 焊板焊層劃分

表2 13MnMoNiNbR材料性能參數

在焊接模型網格劃分中，一般來說，增加劃分網格的密度可以提高計算結果的精度，但網格密度的增加，意味著計算量的增加，計算成本(如計算量、計算時間、計算文件占用空間等)會上升。同時網格的密度也不能無限制上升，一般以保證計算結果的精度在用戶控制的范圍即可，而且網格的劃分細到一定得程度，計算精度變化較小甚至不發生變化。焊接過程是一個加熱極不均勻的過程，在焊縫處溫度梯度變化很大，劃分網格時一般不采取均勻的網格，而是在焊縫及其附近的部分用加密的網格，在遠離焊縫的區域，能量傳遞緩慢，溫度分布梯度變化相對較小，這時可以采用相對稀疏的單元網格。要獲得一個良好的瞬態焊接溫度場，焊縫處的單元網格應該細化。因試驗材料形狀較規則，采用四節點熱分析單元DC2D4，采用關鍵點建立線面，然后對線面進行劃分［6］如圖5所示。

圖5 焊板有限元網格劃分

2.4 焊接熱源及工藝參數

焊接方法為埋弧自動焊，焊材與母材同質，線能量240 kJ/mm，焊接電壓25 V，電流300 A，速度3 mm/s，打底焊為一道，其余均為每層兩道焊。熱源模型為內生熱源，內生熱率等于電弧有效功率除以所作用單元的體積［6－8］，熱流密度計算為。

式中 η為電弧熱效率，取0.75;U為電壓;I為電流;S為焊縫截面積;v為焊接速度。

2.5 模擬結果

測溫點E、I、J的溫度場模擬結果如圖6所示。焊接模擬過程中，取各層焊接過程中的溫度最大值，即移動熱源到達點 E、I、J 時，點 E、I、J 的溫度。

圖6 第2、10、14、70道焊焊接最高溫度模擬圖

3 對比分析與結果

3.1 對比分析

將實測數據和模擬結果進行對比，利用origin軟件繪制出折線圖。取有效溫度測量點E、I、J實測值與模擬值對比如下:

表面測溫點E與第70道焊距離最近，因此此點的溫度最大值應該出現在第70道焊。同理，深度方向測溫點I、J的溫度最大值應該出現在第14、10道焊接。由圖7可知，焊接過程中點E、I、J位置處的溫度模擬值和實測值圖形走勢基本一致。其中造成實測值與模擬值差異的主要原因有:(1)熱電偶不能充分和焊接件接觸導致所測溫度與模擬溫度存在差異;(2)模擬結果的熱源加載方式與實際情況的焊接熱源之間存在差異也是造成實測值和模擬值差異的原因;(3)測量過程以50 s為間歇打印一次溫度的數值，模擬的瞬時溫度和實測瞬時溫度會存在差異。

圖7 點E、I、J點實測值與模擬值對比

3.2 結果

(1)點E的測量值與模擬值溫度變化趨勢基本一致，隨焊接層數的增加逐漸增大，最大值出現在第70道焊。點I的測量值與模擬值溫度變化趨勢基本一致，隨焊縫層數的增加先增大后減小，最大值出現在第14道焊。點J的測量值與模擬值溫度變化趨勢基本一致，隨焊縫層數的增加先增大后減小，最大值出現在第10道焊。

(2)溫度的變化趨勢符合實際焊接過程中隨著時間的增加由高到低的趨勢。

(3)測量結果與模擬結果的一致性驗證了模型與網格劃分的正確性，為焊接殘余應力的模擬奠定了基礎。

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