薄壁筒形结构内壁堆焊工艺及变形的数值模拟

发布时间：2020-06-01 11:52

【摘要】：在石油化工、船舶、工程机械、车辆等行业,大尺寸构件的生产中广泛使用多层多道焊焊接,但是因为此类构件尺寸较大,焊接后会发生较大的变形,而这类焊接变形矫正又比较困难。薄壁大直径筒形结构焊接时会产生轴向和径向收缩,引起筒节尺寸精度降低,增加组装难度,造成筒节间组对错变量增大。在解决此类问题时,企业常常采用物理试验作为基本方法,但大量的试验增加了生产成本,耗费较多的人力物力,仅依靠试验和经验已经不能满足实际生产的要求,因此考虑如何有效降低的多层多道焊所产生的焊接变形就显得尤为重要。本文为解决大直径薄壁筒身内壁不锈钢堆焊后焊接变形大,筒节间组对错变量大装配难的问题,应用Marc软件数值模拟了焊接工艺参数对焊接温度场和焊接变形的影响。建立不同焊接工艺下的构件模型,并计算其变形结果、温度场和应力场,分别从焊接顺序、焊接速度、焊接边缘预留宽度、焊接层数及不同热源数量作用等几个方面进行分析研究其焊接温度场和焊后的变形行为,进而得到最佳的焊接工艺,为实际的焊接工艺的设计提供理论参考和支持。通过调整模型的焊接顺序,焊接速度,边缘预留宽度,焊接层数等工艺参数,得到结果如下:1.不同的焊接顺序,堆焊区温度梯度不同,形成差异较大的温度场,而温度场的分布影响着应力场分布,应力场分布对焊后变形量起着决定作用。焊接顺序为第1层由边缘向圆筒内部堆焊,第2由边缘向圆筒内部堆焊时焊后圆筒端部的变形量最小。2.焊接速度越快,焊后圆筒端部变形量越小,但当焊接速度达到初始速度的4倍时,焊后变形会发生异常,不能实现正常焊接。焊接速度相对于本文研究分析的其它因素,对焊后圆筒端部变形量的变化趋势影响较小。所以建议选用初始速度0.005 34 m/s即可,若焊接速度过快,熔池温度不够,易形成未焊透、未熔合、焊缝成型不良等缺陷,影响产品质量。3.边缘预留长度在0~0.083 334 m内,随着边缘处预留长度的增加,焊后圆筒端部变形均匀减小。但是当母材边缘处预留长度为0.083 334 m时,筒身会出现较大的扭曲变形,影响产品质量。建议外径1.750 m,厚度0.050 m的圆筒焊件,母材边缘预留长度为0.066 667 m左右,此时端部焊后变形量较小,筒身又不会出现较大的扭曲变形。4.堆焊层数在1~4层内,并确定堆焊层厚度时,随着堆焊层数的增加,圆筒变形量随之成倍数曾大,但是因为根据实际的生产需求,为了能保证圆筒内壁的防腐质量和考虑生产成本,在进行堆焊时不能只堆焊一层,又不能堆焊层数过多,所以一般堆焊两层即可,既满足质量要求又在成本允许范围内。通过对比不同热源数量作用下不同焊接顺序的模型模拟结果,得到结果如下:1.使用单热源时,采用焊接顺序为第一层由边缘向圆筒内部堆焊,第二层由边缘向圆筒内部堆焊时焊后圆筒端部的变形量最小。2.使用双热源时,采用焊接顺序为第一层由圆筒内部开始向着圆筒边缘进行堆焊,第二层同样由圆筒内部开始向着圆筒边缘进行堆焊时焊后圆筒端部的变形量最小。3.对比单热源和双热源发现,双热源模型的四种焊接顺序焊后端部变形全都小于单热源的最佳工艺的焊接顺序。双热源模型的最佳焊接工艺焊后所产生的变形量比单热源的最佳工艺焊后变形量小81.668%。但是,双热源圆筒构件相对单热源构件焊后筒身会产生更大的扭曲变形。
【图文】：

示意图,高斯分布,热源,示意图

哈尔滨理工大学工程硕士学位论文款开放性的软件，该软件预留出的模型二次开发，这对于科研机要的[23]。行焊接有限元分析时，不同焊接源分类有电弧热、电阻热、火焰了使数值模拟更加符合实际生产用的有以下几种[11]：依据是：电弧热源将热能传给焊成为加热斑点，但加热斑点上面的是，1983 年，Eagar 和 Tsail 将加斯数学模型来进行描述，，如图 2

双椭球热源模型

图 2-2 双椭球热源模型Fig. 2-2 Double ellipsoid heat source model椭球热源模型能够较为清晰地体现熔池尾长头短的特征，同时可以热源在熔深方向上的能量分布情况，然而由于模型的熔深方向使用的方式，在熔深增大的同时，能量逐渐减小，靠近构件背面处的能则不能很好的体现电子束的匙孔效应。椭球热源模型在前后两个部分分别采用了不同的表达式，前半部分布的表达式，如式(2-3)、式(2-4)： = 222221211exp3exp3exp363(,,)czbyaxabcfQxyzππ部分椭球内热源分布的表达式为 = 222222222exp3exp3exp363(,,)czbyaxabcfQqxyzππ = ηUI；η 为热源效率；U 为焊接电压(V)；I 为焊接电流(A)；a、状参数；f、f为前后椭球热量分布函数，f+f=2。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG455

【参考文献】