直缝埋弧焊管焊接残余应力的数值模拟

直缝焊管焊接过程中产生的焊接应力和变形会影响焊管的使用性能和寿命。应用大型通用软件ABAQUS,基于双椭球热源模型,利用"生死单元"技术,模拟了直缝焊管多丝埋弧焊的内外焊接过程,描述了准稳态温度场和残余应力场计算数值及其在整个管体上的分布情况。结果表明,在焊接过程中焊缝附近温度梯度很大,在远离焊缝的地方温度梯度渐渐趋于平缓;随着热源的移动,温度中心也随之移动,最高温度可达母材的熔点。焊后残余应力主要分布在焊缝附近,管体在其他部位应力很小,最大残余应力为528 MPa;纵向残余应力在焊缝及热影响区表现为拉应力,并且最大值位于焊缝长度中心截面上;在圆周上表现出拉应力并伴有逐渐变小的趋势。     

基于ANSYS压力容器筒体与平板封头焊缝残余应力有限元分析

焊接常用于压力容器等特种设备制造中。在焊接过程中,高温移动热源及之后的快速冷却,使得在焊缝及其附近区域产生了残留的拉应力,由此产生焊接变形和残余应力。为预测焊接变形,采用有限元软件ANSYS中生死单元技术对压力容器筒体与平板封头单面焊焊接过程进行数值模拟,得出焊缝焊接残余应力、温度场及位移场的分布情况,经过分析可以得出:在焊缝区及熔合区温度极高,远离焊缝温度峰值急剧下降;在熔合区焊接残余应力达最大值,焊根处残余应力较小,在热影响区,沿焊缝方向多为拉应力,垂直焊缝方向多为压应力。     

预热及焊后热处理对T91钢焊接残余应力的影响

T91钢属于马氏体不锈钢,其焊接性能较差,焊接接头易脆化,焊接时容易产生冷裂纹和再热裂纹。基于ANSYS软件平台,应用移动高斯热源结合单元生死技术方法,对超临界锅炉用小管径T91钢的焊接残余应力进行数值模拟,分析了焊后残余应力的分布规律,讨论了焊前预热温度以及焊后热处理工艺对焊接残余应力的影响。模拟结果表明,焊后残余应力集中在T91钢焊缝区与热影响区,最大等效应力值超过了材料屈服应力值;提高焊前预热温度可以降低Mises等效残余应力值,但应力值仍然较大;进行焊后热处理可以明显改善焊接残余应力的分布,最大应力数值下降60%~70%。     

螺旋埋弧焊管焊接过程的三维数值模拟

利用大型通用有限元分析软件ABAQUS,建立了螺旋焊管双丝埋弧焊温度场的有限元计算模型。通过ABAQUS软件的FORTRAN语言编写焊接子程序DFLUX,结合"生死"单元技术,模拟了螺旋焊管双丝埋弧焊的内外焊接过程,实现在移动热源载荷下的有限元计算,获得了焊接过程和冷却后的温度场分布,以及在整个管体上的分布情况。结果表明,在焊接过程中焊缝附近温度梯度很大,在远离焊缝的地方温度梯度渐渐趋于平缓;随着热源的移动,温度中心也随之移动,最高温度可达母材的熔点。通过试验验证,与仿真结果比较吻合。     

焊后热处理改善管道直焊缝残余应力的数值模拟研究

以X80钢级Φ1 219 mm直缝埋弧焊管为研究对象，采用有限元软件ABAQUS，通过顺序耦合算法和移动热源子程序及生死单元形式，对钢管直缝焊和经热处理后焊缝的残余应力进行了数值模拟，分析焊后热处理对焊缝残余应力的改善作用。结果表明，焊缝等效最大残余应力和轴向拉应力均出现在外层焊缝的中心处，局部焊后热处理能降低焊缝的残余应力，等效峰值应力由560 MPa左右降低到约430 MPa，降低了23.2%；焊缝轴向拉应力也由450 MPa降低到370 MPa。焊后热处理对残余应力分布影响不大，但能使焊接接头的应力变得更为均匀。     

连续油管对接焊残余应力场分析

基于ABAQUS有限元模拟软件对CT90钢级Φ38.1 mm×2.7 mm连续油管焊接接头的残余应力进行模拟,建立了连续油管对接焊有限元模型,得到了连续油管对接焊时焊缝处残余应力分布规律。结果显示,随着热源的移动,温度降低,残余应力增加,期间周向出现了最大残余拉应力405.7 MPa,轴向出现了最大残余压应力195.7 MPa;冷却后,最大残余应力主要集中在焊缝处,并沿着垂直于焊缝方向逐步递减。试验结果对连续油管后续消除对接焊残余应力提供了理论依据。     

TRT焊接机壳T型接头残余应力的模拟研究

结合氩气保护焊工艺,采用数值模拟方法对TRT焊接机壳T型接头焊接过程中的温度场、残余应力和变形情况进行了分析,并采用盲孔法测试了其焊后残余应力。数值分析采用了两种不同的热源模型,即均匀热流加载模型和移动热源模型。模拟结果表明,在T型焊接接头多道焊过程的温度场模拟结果中,移动热源法模拟获得的温度相对比较集中,且焊缝处温度场波动更剧烈,更接近实际焊接过程;移动热源法模拟的残余应力值较小,且应力曲线平滑,与实测值吻合度较高;移动热源法模拟的焊接过程变形量较均匀热流加载法小。     

海洋平台用E36钢焊接工艺评定

研究了海洋平台常用E36高强钢的焊接工艺,对焊接后的试件进行了拉伸、弯曲、缺口冲击和表面硬度等力学性能试验,采用X射线衍射法对焊缝的焊后残余应力分布进行测试,得到了焊缝及附近区域的残余应力分布规律。试验结果表明,接头各项性能满足AWSD1.1标准的相关要求,制订的焊接工艺切实可行。     

焊接热输入对堆焊残余应力和变形的影响分析

为了研究热输入对堆焊残余应力和变形的影响,建立了钢板堆焊的有限元网格模型,进行了高斯移动热源的加载,通过改变焊接电流和焊接速度的大小,研究了热输入对堆焊残余应力和变形的影响规律。研究结果表明,焊件最大残余应力节点位于焊缝区域;最大形变处位于焊件宽度方向的外端;一定范围内,增大焊接电流,焊件形变量先变大后变小,最大残余应力数值逐渐变大,最终趋于某一定值;增大焊接速度,焊件最大残余应力和形变量均逐渐减小。     

交变载荷作用下焊接接头残余应力释放机理

海洋结构物在波浪中频繁遭受周期性交变载荷的作用,容易引起焊缝周围高应力区域发生应力释放。采用数值模拟方法对结构焊接过程进行仿真计算,得到焊接残余应力分布情况。研究交变载荷作用下垂直和平行于焊缝方向残余应力的变化特点,讨论载荷幅值和应力比等因素对应力释放的影响规律。结果表明,应力释放程度与高应力区域塑性应变量有关,载荷幅值越大、应力比越接近-1更易使结构产生新的塑性应变,应力释放现象也越明显。     

SS400薄板手工电弧焊和氩弧焊残余应力对比分析

为了研究SS400钢板不同焊接方法残余应力的分布规律,分别对4 mm厚的低合金高强钢采用手工电弧焊和氩弧焊进行焊接,焊接后采用盲孔法测量钢板的残余应力,得到了残余应力的分布曲线。试验结果表明:手工电弧焊在焊接区垂直焊接方向的残余应力最大值为387 MPa,在焊缝两侧为压应力,距离焊缝两侧12 mm处,压应力最大;平行焊接方向上的残余应力在中间位置为拉应力,在工件两边为压应力,靠近边缘压应力增大。氩弧焊垂直于焊接方向上的最大拉应力为328 MPa,在焊缝两侧的距离为7 mm处,压应力最大;平行于焊接方向上的残余应力曲线与手工电弧焊的相似,氩弧焊的焊接变形小于手工电弧焊。     

DN1 200 mm钢管螺旋焊缝焊接温度场及应力场有限元分析

为了研究X80管线钢在焊接过程中温度场及应力场的分布情况,以DN 1 200 mm X80螺旋焊管为研究对象,采用有限元分析软件Abaqus分别沿着管道的内螺旋线和外螺旋线进行焊接模拟。结果表明,焊接过程中热源中心最高温度可达1 650 ℃。在焊接内圈时,温度场对称分布;而在焊接外圈时,温度场分布不对称。在焊接完内圈的瞬间,接头最高温度约1 200 ℃,管道内侧的应力峰值为850 MPa。在焊接完外圈的瞬间,接头最高温度为1 300 ℃左右,管道内侧的应力峰值约为620 MPa。管道内侧焊接完成后,在对管道外侧焊接过程中,外侧焊缝处产生的应力场不仅使峰值应力降低,还使应力分布变得更加均匀。试验表明,通过分析内外螺旋焊缝的温度场和应力场分布以及形变情况,对于在焊接过程中内焊裂纹的预防有重要意义。     

30 mm退火态TC4钛合金EBW接头组织与性能研究

为了提升钛合金的焊接效率和质量,采用电子束焊接方式对30 mm退火态TC4钛合金进行焊接试验,并对焊接接头进行力学性能检测、显微组织分析及残余应力测试,通过扫描电镜对断口形貌进行分析,研究完全退火态TC4钛合金EBW接头组织与性能。结果表明,接头焊缝区由针状马氏体α′相和分布在原始β晶界的α相组成,接头热影响区由初生α相、针状马氏体α′相以及少量β相组成。EBW接头抗拉强度平均值略高于母材,EBW接头第二层焊缝区及热影响区冲击功均低于母材,同时两种接头断口形貌均发现大量韧窝,为韧性断裂。接头最大残余拉应力值约为150 MPa,在平行和垂直焊接方向,残余拉应力最大值均出现在焊缝上表面附近区域,而残余压应力最大值均出现在焊缝下表面附近区域。     

管道在役焊接接头残余应力的研究

采用SYSWELD焊接模拟软件对X70级管道在役焊接接头应力进行模拟,并将在役焊接残余应力与常规焊接进行对比。结果表明:在役焊接接头残余应力分布规律与常规焊接保持一致,符合管道焊接接头“内凸外凹”的变形机理,但在数值上差别较大。近缝区在役焊接残余应力大于常规焊接,随远离焊接中心,在役焊接应力曲线转变速度较快,且在役焊接和常规焊接环向残余应力拉压应力转变位置不同。     

钛合金厚板焊接接头残余应力测试

采用局部逐层对称剥削材料盲孔法对51 mm厚钛合金Ti80板焊接接头残余应力进行了测试,并系统研究了其三维残余应力分布特征。结果表明,局部逐层剥削材料盲孔法能有效测量大厚度焊接件焊接接头的内部残余应力,并能准确反映大梯度变化应力状态。钛合金焊接接头,沿垂直焊缝方向在距焊缝中心-10~10 mm范围内,具有较高拉应力,应力值集中在500 MPa左右,且拉应力峰值出现在上表面距离焊缝中心10 mm位置;沿厚度方向距焊缝中心-10~10 mm范围内,为拉应力,表层应力普遍大于内部应力。在远离焊缝位置沿厚度方向为压应力,应力值为200~680 MPa,且峰值出现在距离上表面5 mm和焊缝中心20 mm位置处。     

油气输送用大直径厚壁埋弧焊管残余应力及控制研究

针对油气输送用大直径厚壁埋弧焊管的残余应力问题,采用盲孔法测试了螺旋焊管和直缝焊管的残余应力,归纳了焊管制造过程中残余应力的演变规律,探讨了钢管制造过程中不同工序下残余应力的分布及其影响因素和控制方法。研究结果显示,板材矫直和钢管成型后的残余应力保持在150～200 MPa,且螺旋成型略大于直缝成型,成型过程的压下量对残余应力的影响有限;钢管焊接是在成型应力的拘束环境下进行的,直接影响焊缝的横向变形与残余应力,使得残余应力峰值不在焊缝中心,而是靠近焊缝区,螺旋焊管和直缝焊管的该区域残余应力均最高;制管过程中后续的水压试验、喷砂和防锈涂敷等工序,使残余应力得到大幅度降低,且分布更加均匀,螺旋焊管和直缝焊管残余应力峰值均保持在200 MPa左右,直缝管更低一些。研究表明,可以通过适当提高水压试验压力和涂敷温度的方法调节焊管残余应力。     

X70级管道环焊缝接头残余应力数值模拟

根据试验确定了X70级管线钢管环焊热源模型,并利用数值模拟软件Sysweld计算了焊接热循环过程,确定了焊接接头在焊接过程中温度和应力的变化过程及其分布,以及焊后残余应力的大小和分布。计算结果不仅可以预测焊后残余应力,还可以为优化焊接参数、改善焊接接头组织性能提供参考。     

十万立方米浮顶式原油贮罐焊接残余应力分布规律的研究

本文采用盲孔法技术,实测了十万立方米浮顶式原油贮罐的焊接残余应力,找出了该油罐承载最大和最重要部位的焊接残余应力的分布规律。