双相不锈钢管道全位置焊接残余应力三维有限元数值模拟

以热弹塑理论为基础，利用ANSYS非线性分析有限元程序，对双相不锈钢管道接头环焊缝残余应力进行三维数值模拟。建立了管道全位置焊接瞬态温度场和应力场三维移动热源模型，获得了环焊缝焊接接头轴向和环向残余应力的分布规律：在管道接头内表面的焊缝及近缝区的轴向和环向残余应力均为拉应力，随着离开焊缝距离的增加，由拉应力逐渐过渡为压应力。在管道接头外表面焊缝中心处的轴向残余应力为压应力，而环向残余应力为拉应力。从环向位置上的应力变化规律可以看出正半周和负半周的应力分布具有明显的对称性。研究结果为优化生产工艺，控制残余应力提供了理论依据。     

低碳钢管道焊接残余应力有限元分析

利用ＡＤＩＮＡ非线性分析有限元程序,对低碳钢管道环焊缝接头焊接残余应力进行有限元分析。在热弹塑性分析中考虑了材料热物理和力学性能依赖于温度变化。结果表明：在管道接头内表面焊缝中心及近缝区轴向和环向残余应力均为拉应力,随离开焊缝距离的增加,逐渐过渡为压应力。在管道接头外表面焊缝中心处的轴向残余力为压应力,而环向残余应力为拉应力。计算预测值和实侧值基本一致,表明有限元法能够经济而有效地预测管道环焊缝接头的焊接残余应力。     

Finite Element Analysis of High Temperature Piping Creep for Considering the Effect of Inner Pressure and Welding Residual Stress

利用大型有限元分析软件Abaqus的多次顺次耦合功能,先对P91钢高温主蒸汽管道焊接接头焊态和焊后热处理状态进行残余应力分析, 然后采用Norton蠕变本构关系,根据P91耐热钢在625℃下焊缝、热影响区和母材的不同蠕变参数,对内压以及内压与热处理后残余应力共同作用下的接头蠕变进行有限元分析,分别得到了焊接残余应力和焊后热处理残余应力的分布规律,同时预测了在高温环境下服役105h后蠕变应变分布. 结果表明,由于高温管道的壁厚以及约束等影响, 焊后产生了较大的焊接残余应力,通过焊后热处理可以有效地降低焊接残余应力.但由于热处理残余应力的存在, 仍对高温管道焊接接头的蠕变有较大影响,并且在焊缝与热影响区的交界处存在着较大的蠕变应变.     

热焊工艺对焊接残余应力影响的数值模拟

运用有限元分析软件ANSYS,对25钢对接接头分别在20、200、400、600和800℃的热焊工艺条件下进行焊接残余应力场的数值模拟.通过单元生死技术模拟焊缝的填充过程,得到了其对接接头试板分别在该五种热焊工艺条件下焊接残余应力的大小及分布,并对计算结果进行了分析.结果表明:热焊工艺的加热温度越高,焊后产生的残余应力越小;残余应力降低的幅度在加热温度为400和600℃较明显.     

数值计算模拟工艺参数对管道环焊缝残余应力的影响

以热——弹塑性理论为基础,建立了厚壁管环焊缝残余应力的二维轴对称有限元模型,利用ANSYS有限元程序分析了三种焊接工艺参数对管道环焊缝残余应力的影响,计算中考虑了材料热物理性能参数和力学性能参数的温度相关性.结果表明,管道内表面焊缝和近缝区的轴向和环向残余应力均为拉应力,而管道外表面焊缝和近缝区的轴向残余应力和环向残余应力均为压应力;接头内表面应力水平高于外表面;残余应力的最大值均位于距管道外表面一定距离处,其数值接近于材料的屈服应力;随着焊接热输入的增加,残余应力峰值变化不大,塑性变形区宽度增加.     

核电管道安全端异种金属焊接接头表面堆焊的有限元分析

根据热弹塑性有限元分析原理,建立核电管道异种金属焊接接头表面堆焊修复的有限元模型。应用ANSYS软件模拟某核电厂稳压器安全端接管堆焊修复试验过程,计算分析焊接温度场和应力场及焊接残余应力。结果表明,焊接过程中的不均匀热过程直接引起了复杂的应力状态。焊接过程中,环向应力变化比轴向应力快,环向残余应力比轴向残余应力大。堆焊后,在原管道内表面原焊缝附近形成了压缩残余应力,沿半径方向残余应力由拉应力逐渐向压应力过渡。     

压力管道缺陷评定中焊接残余应力的处理分析

分析了压力管道对接焊缝焊接残余应力的产生机理和分布规律，提出了在压力管道缺陷评定中如何处理焊接残余应力的方法。     

耐热钢厚壁管环焊残余应力的有限元分析

以热-弹塑性理论为基础，建立了厚壁管环焊残余应力的二维轴对称有限元模型，利用ANSYS有限元分析软件，模拟了耐热钢厚壁管环焊对接的应力分布。结果表明，焊缝内表面及其附近处的轴向应力和环向应力均是拉应力，而外表面是压应力，接头处内表面应力水平高于外表面；径向应力数值远低于环向应力和轴向应力；各方向残余应力的最大值均位于距管道外表层一定距离处，其数值大小接近于材料的屈服点应力。     

高频焊管残余应力的测量及三维有限元数值模拟

高频焊接是利用高频电流特有的集肤效应和邻近效应,使焊接电流聚集于接触处表层,表层接合面上的温度上升很快,使待焊面加热至熔化或接近熔化的塑性状态,随后迅速被挤压成接头的一种压焊方法.研究在现有条件下利用盲孔法测量了高频焊管接头焊缝的残余应力,并且采用ANSYS有限元分析程序,分析管道焊缝在焊接过程中的焊接残余应力.实测的轴向和环向残余应力,与用三维有限元模型计算得到的数值结果分布规律基本一致.同时发现高频焊管的残余应力分布与普通电弧焊基本一致,但是其残余应力值比普通电弧焊偏小,这对于指导实际焊接工程问题具有重要意义.     

逆焊接处理对20g钢抗腐蚀及疲劳性能的影响

研究了逆焊接加热处理对20g钢抗应力腐蚀及抗疲劳性能的影响及机理.试验中将20g钢试件分别进行200℃和400℃的焊后加热处理,再用冷水只对焊缝处进行快速冷却,使焊接区获得比相邻区低的负温差,以调整和消除焊接残余拉应力.实验结果表明,逆焊接加热处理有效的降低了焊接残余应力,减缓了应力腐蚀速率,提高了20g钢的抗疲劳性能.     

钢管混凝土拱桥大管径拱肋环焊缝焊接数值模拟

为了研究大管径拱肋环焊缝焊接接头残余应力分布规律，用ANSYS软件对直径1 400 mm，厚度26 mm的拱肋环焊缝进行了焊接温度场及应力场数值模拟. 分析了焊接过程的温度分布云图及应力分布云图，获取了特征节点的热循环曲线，分析了焊后内外表面各残余应力分布情况及内表面残余应力形成过程. 结果表明，等效残余拉应力峰值出现在钢管内表面焊缝底部. 焊后径向和环向残余应力在内、外表面大部分区域形成压应力，轴向残余应力在内、外表面形成拉-压相间的应力分布，等效残余应力在内、外表面均为拉应力. 残余应力形成过程中，第2 ~ 7层的径向、环向、轴向及等效残余应力曲线与第1层径向、环向、轴向及等效残余应力曲线相比，除在波峰及波谷处有较小变化外，其它区域残余应力几乎不变.     

Cr-Mo钢管子局部焊后热处理加热宽度准则的确定

采用粘弹塑性有限元方法从应力释放角度讨论了Cr-Mo钢局部热处理下各种优化加热条件.研究表明,局部热处理过程产生的瞬态和残余应力受蠕变性能和温度关系弹性模量等因素的影响.当加热宽度足够大时,局部热处理后的应力与炉中热处理的应力接近.通过与现有标准的比较,从应力释放角度位于焊缝中心5√Rt的加热宽度较为合理.提出了考虑焊接冷却过程Cr-Mo低温膨胀现象的相变模型.给出了焊接残余应力与局部焊后热处理应力的试验结果与模拟结果的对比.     

焊后热处理对P92钢管道焊接残余应力场的影响

采用红外热成像仪测量了P92钢管道在焊接过程中的温度场分布,由此获得P92钢焊接过程的温度循环曲线;采用有限元方法模拟了P92钢管道多层多道焊的整个焊接过程,获得焊接温度场分布,与P92钢焊接温度场实测结果吻合良好,验证了模拟计算的准确性;采用间接法,利用温度场结果计算了P92钢管道环焊缝焊接形成的残余应力场,并重点分析了焊后热处理前后的焊接残余应力变化情况.结果表明,焊后热处理对P92钢管道焊接残余应力具有明显的消除作用,但不能完全消除,焊缝中依然存在较大的拉伸残余应力.     

球罐焊接残余应力数值模拟分析

利用有限元法动态模拟球罐环焊缝以及平板的焊接过程,分析了球罐焊接过程温度场的变化状况和焊接残余应力分布规律.结果表明,焊接热影响区范围很小,球罐环焊缝焊接残余应力是经向和径向坐标的函数,纬向焊接残余应力大于经向应力,两向应力的最大值均处在热影响区内,最大应力值超出了材料的屈服极限,是产生裂纹缺陷的原因之一等.用X射线衍射的方法测试了平板焊接接头的焊后残余应力,并将测试结果与有限元模拟计算结果比对,验证了模拟计算方法的可靠性和计算结果的正确性.     

中子衍射在残余应力分析中的应用

中子衍射应力测量原理基于布拉格方程,通过取样测量体积内样品晶格的晶面间距进行精确表征,获取材料微观晶格的形变信息,可以实现晶体材料深层内部弹性应变的直接无损测量。测量值通常与样品测量位置和外加温度或力学载荷相关,用于评估实际部件整体结构和变形参数。本研究介绍中子衍射的基本原理,辊压法调控搅拌摩擦焊的残余应力和变形、管道焊接残余应力、大尺寸工程部件、近表面材料的残余应力测量分析、低温下飞机组件材料、原位热处理焊接材料,以及热老化和蠕变过程中内应力定量分析等典型应用案例。     

Numerical prediction and neutron diffraction measurement of the residual stresses for a modified 9Cr–1Mo steel weld

A modified 9Cr–1Mo steel provides extremely good mechanical properties at a high temperature when produced and heat treated, and thus the interest in the weld characteristics of a modified 9Cr–1Mo steel is increasing due to its potentiality for an application to modern power plants and advanced reactor systems. For the design and fabrication of stable welded structures, the effects of residual stress and deformation need to be estimated. The objective of this paper is to compare the measured residual stresses for modified 9Cr–1Mo steel welds induced by welding processes and the predicted residual stresses by a numerical simulation. The neutron diffraction technique is used to measure the residual stresses both on the surface and in the interior of a thickness for the welded specimens. A T-plate specimen and a V-butt specimen are prepared and their residual stresses are measured. A finite element model is employed to calculate the transient temperature and the residual stresses. The measured data and the simulation results are compared and the characteristics of a distribution of the residual stresses are discussed.     

改善焊接圆管抗应力腐蚀性能的水冷法研究

采用数值模拟和残余应力实测方法,研究水冷法改善１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ奥氏体不锈钢管和２０钢圆管的多层对焊残余应力分布的有效性,结果表明水冷法可效调整圆管的焊接残余应力分布,使圆管内表面的焊接缝附近区域获得双向压缩残余应力,应力腐蚀敏感性实验结果表明,水冷法可显著提高焊接圆管的抗应力腐蚀性能。     

Effect of low transformation temperature weld filler metal on welding residual stress

Abstract

The effect of weld filler metal austenite to acicular ferrite transformation temperature on the residual stresses that arise during the gas metal arc welding of a low carbon steel has been examined using a finite element model. It was found that the stress levels in the weld can be tailored by the appropriate selection of the filler metal and compressive, near zero or tensile residual stresses produced. Reasonable agreement was obtained between the model and the stresses measured using neutron diffraction both in welds using conventional and low transformation temperature filler metal.