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1、T-250钢薄壁圆筒环缝电子束焊接数值模拟第33卷第6期2010年l1月兵器材料科学与工程0RDNANCEMATERIALSCIENCEANDENGINEERINGVolJ33No.6Nov.2O10T一250钢薄壁圆筒环缝电子束焊接数值模拟郑刚亮,成军,孔晓丹(西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048)摘要利用ANSYS软件采用三维锥体热源模型对T一250钢薄壁圆筒环缝电子束焊接进行数值模拟.结果表明,三维锥体热源模型适合于电子束焊接的数值模拟,由此得出的温度场分布与实际焊接情况吻合良好.残余应力在距焊缝中心轴向4mm区域内会发生突变或者达到最大值.这个区域正好对应实际焊接的焊缝
2、区和热影响区,说明数值模拟与实际焊接有较好的对应性.关键词数值模拟;电子束焊接;薄壁圆筒;三维锥体热源;T-250钢中图分类号TG456文献标识码A文章编号10(M-244X(2010)03o435NumericalsimulationofelectronbeamweldingforT-250steelthin-walledcylindersinhZHENGGangliang,CHENGJun,KONGXiaodan(CollegeofMaterialScienceandEngineering,XianUniversityofTechnology,Xian710048,China)Ab矧The
3、modelofthree?dimensionalconicalheatsourcewasusedtosimulatetheelectronbeamweldingforT一250steelthinwalledcylindergirthbasedontheANSYSsoftware.Theresultsshowthatthreedimensionalconicalheatsourceisapplicabletothenumericalsimulationoftheelectronbeamwelding,theresuhingtemperaturedistributionisconsistentwi
4、ththeactualwelding.Theresidualstressinthecenterof4mmawayfromtheweldlinewillchangesuddenlyorreachthemimum.Theregionexactlycorrespondstotheactualweldingofweldzoneandheataffectedzone,showingthatthenumericalsimulationandtheactualweldinghasgoodcorrespondence.Keywordsnumericalsimulation;electronbeamweldin
5、g;thin?walledcylinder;three?dimensionalconicalheatsource:T-250steelT一250钢是一种无钴型马氏体时效钢.具有高韧性,成形性好,耐腐蚀,高温下强度高的优点.并且易于制造,焊接和加热后变形较小,因此被广泛应用于航空,航天以及军事等尖端领域1.薄壁筒体环缝焊接结构是航空航天,压力容器等常见的构件之一.电子束焊接是以真空中聚焦的高能密度电子束作为能量载体对材料和构件实现焊接的特种加工方法,具有焊接速度快,焊缝深宽比大,焊缝热影响区小等优点.非常适合于T一250钢薄壁筒体环缝结构的焊接.但由于电子束焊接属于局部高温加热.高功率密度的热输
6、入集中作用在焊缝附件,造成焊接区温度的急剧变化并在工件内部形成了较高的瞬态应力和温度梯度,导致接头焊后产生较大的残余应力.采用有限元软件ANSYS.并采用能更好的体现电子束焊钉头状焊缝的三维锥体热源模型,对薄壁简体环缝I型坡口单道焊接情况进行有限元分析.获得任意时刻接头的温度场,残余应力分布.1有限元模型的建立为了缩短运算时间,考虑对称因素,所选用的有限元模型由两个直径为400mm.宽60mill,厚2mm的三维薄壁筒体的1/4环缝结构组成,如图1所示.在收稿日期:20100723:修回日期:20100913作者简介:郑刚亮,男,硕士研究生;主要研究方向为特种焊接技术及焊接数值模拟技术.Ema
7、il:dada2008323163.con.D,硕士论文.合肥工业大学,2007.3丁佰锁.复合泡沫金属材料缓冲吸能性能研究M.硕士论文.哈尔滨工业大学.2oo6.4于英华,梁冰,张建华.泡沫铝基高分子复合材料制备及其性能J.辽宁工程技术大学,2005,24(6):903905.5杨锐,曹端林,李永祥,等.有机硅改性环氧树脂增韧研究进展J.天津化工,2007,21(2):3.6GibsonLJ,AshbyMF.Cellularsolids:structureandpropertiesM.Oxford:PergamonPress,1997:330.7MihzJ,GruenbaumG.Evalua
8、tionofcushionpropertiesofplasticfoamscompressive1981,21(15):10101014.tsJ.PolymEngSci,8EvansAG,HutchinsomJW,AshbyMF.MuhifunctionalityofcellularmetalsystemsJ.ProgMaterSci,1999,43(3):171221.9ZhengXiaoxia,QianChunxiang.ModificationonepoxybasedadhesiveJ.JournalofSoutheastUniversity(EglishEdition),20o3,19
9、(2):4345.1O曾斐,潘艺,胡时胜.泡沫铝缓冲吸能评估及特性J.爆炸与冲击,2002,22(4):358362.兵器材料科学与工程第33卷图1薄壁简体有限元模型Fig.1Finiteelementmodelofthin?walledcylinder图2模型网格划分Fig.2ModelmeshANSYS有限元分析模型中.选用Solid70作为瞬态热分析单元,Solid45作为结构分析单元.焊缝中心和热影响区由于会出现温度梯度极高的区域,所以采用加密网格方式划分.为了实现焊缝区和远离焊缝区的网格过渡,过渡区采用自由网格划分,见图2.本模型共有51027个节点.32446个单元组成.2热及结构
10、分析方法2.1焊接过程温度场数学模型焊接是个局部快速加热到高温并随后冷却的过程.随着热源的移动,整个焊件的温度随时间和空间急剧变化,材料的热物理性能也随温度剧烈变化,同时还存在熔化和相变时的潜热现象.因此,焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题.焊接非线性瞬态三维热传导问题的控制方程为:誓=誓)+等)+誓(A誓式中P为材料的密度,C为材料的比热容.A为热导率,Q为内热源强度.工件边界与周围介质的换热包括对流和辐射两种形式,通常其换热计算方式不同,为了计算方便,考虑总的换热系数.根据牛顿冷却定律,因边界换热而损失的热能可表示为:q=h(死).(2)式中q为焊件边界因对流和辐射损失的热能(J
11、);h为对流和辐射联合换热系数(W?m?K);T为固体表面温度(),为环境温度25.熔池内流体的流动增加了材料的热传导速率,采用增大有效热传导系数的方法间接地反映熔池内流体流动对整个温度场的影响.2.2热源模型的建立在电子束焊的数值模拟中,经常采用平面高斯热源模型,双椭球热源模型等描述焊接热输人过程.虽然采用这些热源模型能够获得较为准确的模拟结果,但如图3a所示,计算出的焊缝熔池形状与实际焊接中得到的钉头状焊缝还有很大出入.根据电子束深熔焊所特有的上宽下窄焊缝,使用带有旋转特性的三维锥体热源进行模拟分析.如图4所示,三维锥体热源模式的实质是一系列平面高斯热源沿焊接厚度方向叠加,每个截面的热流分
12、布半径沿厚度方向呈线性衰减,热流密度在z轴(电弧中心线)上保持不变2.图3b为目前非常接近电子束焊实际焊接温度场的热源模型.三维锥体热源方程:g(r而1唧(番)(3)其中r0(z)=n+(re)二.式中口(r,z)是热源传递给工件的热流密度(J/m);7/为焊接功率有效系数;,为焊接电流(A);为焊接电压图32种热源的形貌特征对比Fig.3ComparisonbetweenGaussiansurfaceheatsourceandthreedimensionalconicalheatsource图4三维锥体热源示意图Fig.4Schematicofthree?dimensionalconical
13、heatsource第6期郑刚亮等:T-250钢薄壁圆筒环缝电子柬焊接数值模拟45(V);r是工件上某点与焊接热源中心径向距离(F=x+),和ri分别是焊件上下表面的热流分布半径;和z分别是焊件上下表面的z坐标值.这些参数由实验结果确定(如图5所示).焊接参数:电压为60000V;电流为2030mA;聚焦电流为400500mA;真空度为0.08Pa;速度为l015mm/s;热效率为95%;为lmln;rj为0.5mm;z为2mm;zj为0mm.在热源的移动下.不同时刻对不同圆锥体进行加热,每个载荷步加热不同的节点.在局部坐标系下,用DO循环实现焊接热源中心的移动.焊接环体共用90个载荷步,每个
14、载荷所用时间为0.25s,所以焊接过程共用时22.5S.冷却过程共用20个载荷步,经历时间为5000S.2.3结构分析方法在电子束焊接过程的有限元模拟中,应力场分析是基于温度场分析的基础上进行的,即在焊接热循环过程中通过一步步跟踪热应变行为计算热应力和应变,同时给出焊件一定的约束条件(图6),进而得出接头的残余应力和变形.大量实验证明,米塞斯屈服条件可应用于绝大多数金属结构材料,其数学表达式为:=,/1(orlOr2)z+(02-03)+(3一or1).(4)Y二在简单加载情况下,满足上式则为塑性状态,否则为弹性状态.复杂加载的情况下,按照继续屈服条件判断,若满足则按塑性,否则按弹性.而卸载时
15、完全按弹性进行计算.图5T一-250钢接头形貌特征Fig.5MorphologyofT-250steeljoint图6整个薄壁筒体焊件的约束情况Fig.6Structuralboundaryconditionsofthin-walledcylinderwelds3结果与讨论3.1温度场分析图7为焊接过程中4个不同时刻焊缝温度分布情况.在热源位置可以观测到峰值温度为2343oC,热源前面出现了大的温度梯度,这表明热量通过热传导形式提前到达下一时刻焊接位置.随着热源的向前移动,热源后面的温度梯度变得较小,说明峰值温度到达之后立刻发生了冷却现象.图7d为整个焊件冷却至b24.947282.56454
16、0.181797.797105513l31571182820862343图7不同时刻焊接温度场分布图Fig.7Temperatureprofilesatfourdifferenttimestepsduringtheweldingprocess67O,401296089.511863.2v7517284484903S8032CJ711112218546194511,9.S3l863.2O7517284484903S8O322S711l122一.一口H一口_【=口H凰口_【=口=H圃lI=2198643198卵鹋韶的兵器材料科学与工程第33卷25.6cc时的温度场分布.图8为距始焊夹角(焊接热源位
17、置与焊接起始位置的夹角,下同)2l.时,距焊缝0,4,10,16mm处4个节点的瞬态热循环过程曲线.可以看出,离焊缝越近.峰值温度就越高.焊缝中心处节点在瞬间从室温25到达峰值温度,与周围温差非常大,这是造成焊后残余应力的根本原因.图9为距始焊夹角16.位置沿焊缝中心不同距离4个不同时刻轴向温度分布情况.由图8中4S时温度分布可以看出焊缝熔池的宽度和热影响区范围.T一250钢熔点在1450oC,熔化区半径在1.5mm左右,焊接热影响区范围应该在据焊缝1.54mm区域内,与实际焊接(图5)情况非常吻合.3.2残余应力分析3.2.1轴向残余应力薄壁圆筒内外表面由于厚度原因产生了不同的温度梯度,所以
18、在内外表面存在不同的收缩模式,因此在靠近焊缝区域内外表面分别产生了不同的残余应力场33.图l0,l1分别是距始焊夹角10.,45.,80.位置外表面和内表面沿焊缝中心不同距离的轴向残余应力.内外表面轴向残余应力都沿焊缝中心呈对称分布,并且3个角度的应力值非常接近.3个角度应力曲线几乎重合,这说明轴向残余应力对焊接起始角度不敏感.(xlo22015簧1050l+焊缝中心lmm0mill,6mmjtE一O5010015020025030o时间,s图8距焊缝距离不同点的热循环曲线Fig.8Heatcycleeulveofdifferentpointsfromweldline2520越15赠105O(
19、102)-一4s0s11n0R,_罔始4旱夹角16.一-0.06-0.04加.02Qoo0.020.040.06距焊缝中心距离/mm图9不同时刻温度分布曲线Fig.9Axialtemperaturedistributionsatdifferenttimesteps日皇厘撂III【藿蓦嚣羹一距瑶焊哭井lUI舟lilf.ffIjij1:,f0一LJJWi一雕III掰Ij蝴llIffiff-0.06-0.04-0.020.000.020.040.06距焊缝距离,m图l0外表面的轴向残余应力Fig.10Residualaxialstressesonoutersurfacej1.一汁0一距始焊夹角】0.
20、一,距始焊夹角5.;距始焊夹角O.一jfillI;lIj1IijJfLj】jjjl【_iIIflIIIII口ijfl1jlI.-IllTITlIlIljjII_0.O6nO4_nO2oo0OD20.04n06距焊缝距离/m图11内表面的轴向残余应力Fig.11Residualaxialstressesoninnersurface图10中,焊缝中心附近呈压缩残余应力,最大值为344MPa.焊接压缩残余应力会减小焊接接头的稳定性极限,随后压缩应力迅速减小,在1.5mm处减小为0,在此处后残余应力变成拉伸应力并在4mm处达到最大值753MPa,其后迅速减小,在10mm处接近0,在l060mm残余应力
21、值在O20MPa区间内波动.图l1中,内表面轴线残余应力以拉应力为主,距焊缝中心04mm内拉伸残余应力比较大,最大值750MPa,最小值也达到600MPa.过大的焊接拉伸残余应力会导致裂纹和变形等缺陷的出现,并会降低焊接接头的疲劳强度和腐蚀抗力.3.2.2环向残余应力环向应力是一种平行于焊接方向的应力.环向残余应力是由于在焊接过程中加热和冷却引起的径向膨胀和收缩不一致而产生的.环向残余应力变化趋势改变和焊接参数以及材料特性有关_4.图12,13分别是距始焊夹角10.,45.,80o位置外表面和内表面沿焊缝中心不同距离的环向残余应力.由图12可以看出,外表面环向残余应力和外表面轴向残余应力比较接
22、近,不同的是在1030mm范围内出现了045MPa的压应力.由图13可以看出,距始焊夹角10.位置的最大压应力达到1013MPa.这是造成薄壁圆筒环缝焊接收缩变形的根本原因,而其他两个角度位置的压应力咖啪枷猢.姗伽第6期郑刚亮等:T-250钢薄壁圆筒环缝电子束焊接数值模拟47譬0一距始焊夹角0.6奄茹希奚.一j舯nlj糖嘧唧距焊缝距离/m图12外表面的环向残余应力芝娱_叵lU)I.一曰i.一:.一_.WIllJjfiIIlIjIIII距焊缝距离,m图13内表面的环向残余应力8oo6o04o0要.鼷200_4o0Il一内嘉而环由一曩面轴I?一外表面坏l向I十外表面轴.ITTlilIlfI卜f48
23、6O7284距始焊点角度,(.)图14焊缝中心轴向,环向残余应力沿圆周方向的分布相对较小.可以看出内表面环向残余应力由于焊接起始位置角度不同而受到影响,说明内表面环向残余应力场对角位置很敏感.3.2-3轴向,环向残余应力沿圆周方向的分布由图14可以看出,除去焊接起始位置和结束位置,焊缝中心沿圆周方向分布的残余应力比较稳定,内表面环向残余应力在左右,内表面轴向残余应力在左右,外表面环向残余应力在左右,外表面轴向残余应力在一左右.但焊接起始位置和结束位置沿圆周方向分布的残余应力变化较快.非常不稳定.说明焊接起始位置和结束位置是整个接头的薄弱地带.也是裂纹和变形多发地带,这与实际环峰焊接情况一致.3
24、.2.4与实际焊接情况的对应性数值模拟分析数据为一钢薄壁圆筒环缝电子束焊接常出现的裂纹,弯曲变形等缺陷提供了有效依据,并为制定焊接工艺,降低消除残余应力等提供理论支持.根据以上分析,可知在距焊缝中心轴向范围内,残余应力非常复杂.这个区域对焊接接头的稳定性和使用性至关重要,焊接产生变形和开裂等工艺缺陷常常发生在这个区域内.所以设计的可靠性主要在对此区域的焊接残余应力分析的基础上评定_5_.这个区域正好对应实际焊接的焊缝区和热影响区,说明数值模拟与实际焊接有较好的对应性.4结论1)三维锥体热源模型适合于电子束焊接的数值模拟,由此得出的温度场分布可以看出熔化区半径在1.左右.焊接热影响区范围应该在距
25、焊缝1.54区域内,与实际焊接情况吻合.2)残余应力变化区间在距焊缝中心0变化较剧烈,尤其是在距焊缝中心轴向区域范围内会发生突变或者达到最大值.这个区域正好对应实际焊接的焊缝区和热影响区,是焊接缺陷多发区域.)通过模拟计算发现轴向残余应力对焊接起始角度不敏感.内表面环向残余应力场对角位置很敏感,并且焊接起始位置和结束位置沿圆周方向分布的残余应力变化波动较大,很不稳定.5参考文献姜越,尹钟大.无钴马氏体时效钢的研究现状J.材料科学与工艺,(1):一ll2.2武传松.焊件热过程与熔池形态M.北京:机械工业出版社,:一.3,I,.-,.:1一1.,.一-J.一walled,:_5宋天民.焊件残余应力的产生与消除M.北京:中国石化出版社.2004:556.