022Cr17Ni12Mo2不銹鋼管對接焊縫溫度場模擬

周兵

【摘要】采用有限元軟件visual-weld對不銹鋼管022Cr17Ni12Mo2鎢極氬弧焊焊接過程的度場進(jìn)行模擬，可以得出模型焊接溫度場云圖，以及各節(jié)點(diǎn)對應(yīng)熱循環(huán)曲線圖。通過跟一些資料進(jìn)行比對，結(jié)果表明所采用的模型和工藝參數(shù)相匹配，得出較為符合實(shí)際的溫度場云圖，為進(jìn)一步調(diào)整焊接工藝參數(shù)提供可靠的依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】visual-weld；022Cr17Ni12Mo2不銹鋼管焊接；溫度場云圖

022Cr17Ni12Mo2不銹鋼管是壓縮機(jī)組末級排氣和儀表風(fēng)取壓管路常用的材料，在以往的組裝過程中，不銹鋼管之間的連接都是采用卡套連接形式。采用卡套連接，有時(shí)卡套接頭沒有處理好，往往是漏氣的最主要發(fā)生部位，如果采用焊接形式就可以避免這些問題。不銹鋼管的常用的焊接方法是鎢極氬弧焊（GTAW），因此需要對不銹鋼的焊接過程進(jìn)行研究。目前焊接領(lǐng)域的模擬軟件較多，visual-weld是焊接專業(yè)類CAE軟件的典型代表之一。通過對焊接過程中的溫度場的模擬，得出溫度場的分布云圖和熱循環(huán)曲線，以此，來檢測焊接焊接熱輸入是否合理，為合理調(diào)整焊接工藝參數(shù)，提供依據(jù)。

1、焊接溫度場模型的建立

鎢極氬弧焊是熔焊的一種，是應(yīng)于最廣的焊接方法之一。熔焊熱過程最主要的特點(diǎn)是熱作用的局部性和熱作用的瞬時(shí)性。因此焊接過程的熱傳導(dǎo)也是非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)。

1.1熱傳導(dǎo)方程式和邊界條件

熱傳導(dǎo)方程式為：

1.2有限元模型

以管管對接焊縫為研究對象，管子材料為022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼，規(guī)格為φ57X3.5mm，長度為125mm。首先對模型進(jìn)行網(wǎng)格處理，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響計(jì)算的速度和模擬結(jié)果。把焊縫及熱影響區(qū)附近劃分的較密，遠(yuǎn)離焊縫的網(wǎng)格劃分疏些，網(wǎng)格處理后見圖1。

圖1 有限元網(wǎng)格模型

2、工藝參數(shù)的選擇

2.1焊接熱源的選擇

Visual-weld是借助于sysweld進(jìn)行求解，sysweld提供很多種熱源模型，如3D高斯分布熱源，雙橢球分布熱源等。由于焊接過程是局部加熱和熱源不斷移動的，因此，采用雙橢球分布熱源更能準(zhǔn)確的模擬焊接溫度場。本模擬過程就采用了這種雙橢球分布熱源。

2.2焊接工藝參數(shù)

不銹鋼的熱導(dǎo)率低，線膨脹系數(shù)大，焊接過程盡量采用小電流快速焊的工藝方法。

焊接參數(shù)：焊接電流90A；電壓14V；焊接速度20cm/min；焊接熱效率η為0.7。

3、焊接溫度場模擬結(jié)果分析

3.1焊接溫度場分布特征

利用visual-viewer進(jìn)行觀察，可以觀察整個(gè)焊接焊接過程溫度場的變化情況。利用軟件自帶截圖功能，截取6個(gè)不同時(shí)間的溫度場云圖，詳見圖2。圖2中a1為0.5s；a2為4.4s；a3為7s；a4為48s；a5為64s。從a1到a5中可以看出，焊接接頭上各點(diǎn)的溫度隨時(shí)溫度迅速升高。

從a1可以看出，經(jīng)過0.54s焊接溫度迅速升到2529℃。a2時(shí)溫最高溫度為Tmax=3027℃，a3時(shí)最高溫度Tmax=3059℃，從a2到a3溫度變化不大，焊接溫度場趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定的溫度場隨著焊接電弧向前移動，到達(dá)a4時(shí)焊接溫度達(dá)到最高為Tmax=3147℃。到62s時(shí)焊接結(jié)束，焊件溫度開始降低，冷卻到64S（a5）最高溫度為670℃，隨后，一直冷卻到室溫為止。

3.2焊接熱循環(huán)曲線（沿焊縫中心線各點(diǎn)）

利用visual-viewer軟件，可以生成焊縫中心節(jié)點(diǎn)溫度熱循環(huán)曲線。在焊接13s后的焊縫中心位置為選取的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，依次間隔一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行選取，選取的六個(gè)節(jié)點(diǎn)為：34749、34574、34399、34924、34224和33874。通過visual-viewer軟件對各節(jié)點(diǎn)的處理，提取出各點(diǎn)溫度循環(huán)曲線，詳見圖3。從圖3中可以出，焊接溫度場到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后，各節(jié)點(diǎn)的熱循曲線圖基本相似。都是先升溫在降溫，升溫的速度大于降溫的速度。各節(jié)點(diǎn)的最高溫度Tmax≥1600℃。超過材料的熔點(diǎn)溫度，說明在這個(gè)溫度下，材料可以實(shí)現(xiàn)焊接，不會出現(xiàn)焊縫未熔合、未焊透等焊接缺陷。

3.3焊接熱循環(huán)曲線（垂直焊縫方向各點(diǎn)）

利用visual-weld軟件可以生成垂直于焊縫中心位置各節(jié)點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線。在焊接20s位置，截取，依次垂直于焊縫中心距離為0mm；1mm；2mm；3mm；4mm；5mm六個(gè)節(jié)點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線，詳見圖4。從曲線圖中可以看出，焊接接頭上的各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化而變化，都是先升溫后降溫。距離焊縫中心越近，焊接最高溫度越高，距離焊縫中心越遠(yuǎn)，焊接最高溫度越低，同時(shí)升溫速度明顯大于降溫速度，和一些資料也基本相似。

4、結(jié)論

1）焊接各節(jié)點(diǎn)都是經(jīng)歷了先升溫后冷卻，焊接最高溫度一定要大于材料的熔點(diǎn)溫度。

2）垂直也焊縫中心位置不同點(diǎn)的最高溫各不相同，距離焊縫中心越近，最高溫度越高；距離焊縫中心越遠(yuǎn)，最高溫度越低。