溫永彬，鞏建鳴，耿魯陽(yáng)，沈利民

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210009)

13MnNiMoNbR厚板焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

溫永彬，鞏建鳴，耿魯陽(yáng)，沈利民

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210009)

采用多點(diǎn)鎧裝熱電偶，實(shí)際測(cè)量13MnNiMoNbR厚板焊接件表面和內(nèi)部的溫度，得到了三個(gè)有效測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化規(guī)律，獲得了焊接過程中實(shí)際溫度場(chǎng)的分布規(guī)律；利用有限元軟件ABAQUS，模擬了厚板焊接溫度場(chǎng)，得到了溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，并與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，測(cè)量與模擬的溫度場(chǎng)的變化規(guī)律基本一致，有效點(diǎn)的最高溫度測(cè)量值出現(xiàn)的層數(shù)與模擬值最高溫度出現(xiàn)的層數(shù)一致。測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了模型與網(wǎng)格劃分的正確性，研究結(jié)果為優(yōu)化13MnNiMoR厚板焊接工藝、控制殘余應(yīng)力、提高焊接接頭的可靠性和安全性提供了理論依據(jù)。

熱電偶；厚板；深孔測(cè)量技術(shù)；焊接模擬；焊接溫度場(chǎng)

0 前言

13MnNiMoNbR是國(guó)產(chǎn)低合金高強(qiáng)度鋼，多用于大型厚板壓力容器，由于材料本身的焊接性能和受焊接工藝、焊前／后熱處理等諸多因素的影響，如何解決焊接殘余應(yīng)力和變形是目前研究13MnNiMoNbR鋼的主要課題。

本研究采用K型熱電偶，文獻(xiàn)[1]運(yùn)用深孔測(cè)量方法[1]，實(shí)際測(cè)量13MnNiMoNbR厚板焊接過程中焊板表面及內(nèi)部的溫度[2-3]，實(shí)時(shí)記錄并輸出測(cè)量數(shù)據(jù)。運(yùn)用大型通用有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型，模擬13MnNiMoNbR厚板焊接過程。通過將焊接溫度場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了有限元模型的合理性。研究結(jié)果對(duì)準(zhǔn)確模擬殘余應(yīng)力，優(yōu)化13MnNiMoNbR的厚板焊接工藝，控制焊接過程中的殘余應(yīng)力，提高焊接接頭的可靠性和安全性具有重要意義。

1 溫度場(chǎng)測(cè)量

1.1 試件材料和尺寸

焊接件為兩塊13MnNiMoNbR板材，試件尺寸500 mm×200 mm×72 mm，材料成分如表1所示。

表113 MnNiMoNbR的化學(xué)成分 %

1.2 熱電偶布置

采用K型鉻硅-鎳硅鎧裝熱電偶溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，使用溫度-200℃～1 300℃，最大誤差5%。

為測(cè)量焊接過程中焊縫附近溫度場(chǎng)的分布，擬在焊板表面和內(nèi)部分別布置5個(gè)熱電偶。其中，焊板表面的熱電偶沿焊縫斜向布置，采用點(diǎn)焊方法固定在焊板表面；另外，在與焊縫方向平行的直線上依次鉆5個(gè)φ 3 mm深度不等的小孔，將熱電偶布置在小孔底部以測(cè)量焊板內(nèi)部溫度。熱電偶的詳細(xì)布置和編號(hào)如圖1所示。斜向布置的熱電偶可以同時(shí)測(cè)得橫向與縱向的溫度，深度方向布置的熱電偶可以測(cè)得焊板內(nèi)部溫度[4]。熱電偶布置和焊后實(shí)物如圖2所示。

圖1 焊接件表面和內(nèi)部熱電偶布置示意

圖2 熱電偶布置與焊后實(shí)物

1.3 測(cè)量結(jié)果

整個(gè)焊接過程共有23層，45道焊。在焊接過程中，每50 s自動(dòng)采集、記錄一次各熱電偶數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過打印機(jī)實(shí)時(shí)輸出。經(jīng)過觀察分析各個(gè)熱電偶的溫度測(cè)量記錄，去除出現(xiàn)異常讀數(shù)的熱電偶后，最終統(tǒng)計(jì)溫度測(cè)量的有效點(diǎn)為E、G、H。

2 ABAQUS模擬結(jié)果

2.1 幾何模型

焊板尺寸為500 mm×400 mm×72 mm。根據(jù)上下對(duì)稱的幾何特點(diǎn)，取上半部建立二維有限元模型，按照由下到上的順序，打底焊為第一層，頂層為第12層，除第一層外每層焊兩道，左邊為第一道焊，右邊為第二道焊。打底焊深2mm，圓弧半徑8mm，坡口角度82°，23道焊，焊縫熱影響區(qū)寬度4 mm，如圖3所示。

2.2 焊接材料性能參數(shù)

焊件與焊條所用材料均為13MnNiMoNbR，汽化潛熱300E3 J／kg·mol，計(jì)算考慮了材料性能隨溫度的變化，文獻(xiàn)[6]運(yùn)用外推法得到13MnNiMoNbR熱物理性能參數(shù)如表2所示[5]。

圖3 焊板焊層劃分

表213 MnNiMoNbR材料性能參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分

焊接過程是一個(gè)加熱不均勻的過程，在焊縫處溫度梯度變化很大，劃分網(wǎng)格時(shí)一般不采取均勻的網(wǎng)格，而是在焊縫及其附近的部分用加密的網(wǎng)格；在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，能量傳遞緩慢，溫度分布梯度變化相對(duì)較小，這時(shí)可以采用相對(duì)稀疏的單元網(wǎng)格。要獲得一個(gè)良好的瞬態(tài)焊接溫度場(chǎng)，焊縫處的單元網(wǎng)格應(yīng)該細(xì)化。因試驗(yàn)材料形狀較規(guī)則，采用四節(jié)點(diǎn)熱分析單元DC2D4，采用關(guān)鍵點(diǎn)建立線面，然后對(duì)線面進(jìn)行劃分[6]。根據(jù)模型左右對(duì)稱的特點(diǎn)，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖 4 焊板有限元模型與網(wǎng)格劃分

2.4 焊接熱源和工藝參數(shù)

焊接方法為埋弧自動(dòng)焊，焊材與母材同質(zhì)，線能量240 kJ／mm，焊接電壓25 V，電流300 A，速接速度3mm／s，打底焊為一道，其余均為每層兩道焊。熱源模型為內(nèi)生熱源，內(nèi)生熱率等于電弧有效功率除以所作用單元的體積[7-9]，熱流密度計(jì)算見式(1)：

式中 η為電弧熱效率，取0.75；U為電壓；I為電流；S為焊縫截面積；v為焊接速度。

2.5 模擬結(jié)果

測(cè)溫點(diǎn)E、G、H的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果如圖5～圖7所示。焊接模擬過程中，取各層焊接過程中的溫度最大值，即移動(dòng)熱源到達(dá)點(diǎn)E、G、H時(shí)，點(diǎn)E、G、H的溫度。

圖5 第十二層焊接最高溫度模擬

3 試驗(yàn)分析與結(jié)果

3.1 對(duì)比分析

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，繪制折線圖如圖8所示[8]。

圖6 第八層焊接最高溫度模擬

圖7 第六層焊接最高溫度模擬

圖8 E、G、H點(diǎn)實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

取有效溫度測(cè)量點(diǎn)E、G、H實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比如下：

表面測(cè)溫點(diǎn)E與第十二層的焊道距離最近，因此此點(diǎn)的溫度最大值應(yīng)該出現(xiàn)在第十二層。同理，點(diǎn)G、H的溫度最大值應(yīng)該分別出現(xiàn)在第八、第六層。焊接過程中點(diǎn)E、G、H的模擬值和實(shí)測(cè)值圖形走勢(shì)基本一致，熱電偶不能充分和焊接件接觸導(dǎo)致所測(cè)溫度與模擬溫度存在差異。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)點(diǎn)E的測(cè)量值與模擬值溫度變化趨勢(shì)基本一致，隨焊縫層數(shù)的增加逐漸增大，最大值出現(xiàn)在第12層。

(2)點(diǎn)G的測(cè)量值與模擬值溫度變化趨勢(shì)基本一致，隨焊縫層數(shù)的增加先增大后減小，最大值出現(xiàn)在第八層。

(3)點(diǎn)H的測(cè)量值與模擬值溫度變化趨勢(shì)基本一致，隨焊縫層數(shù)的增加先增大后減小，最大值出現(xiàn)在第六層。

(4)測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果的一致性驗(yàn)證了模型與網(wǎng)格劃分的正確性。

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Numerical simulation of welding temperature field in 13MnNiMoR thick plate

WEN Yong-bin，GONG Jian-ming，GENG Lu-yang，SHEN Li-min
(Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China)

Useing multi-point thermocouples,measuring the actual welding temperature of the surface and internal of 13MnNiMoR thick plate，getting the temperature changes of temperature in 3 effective poins，obtaining the actual distribution of the temperature field；By finite element software ABAQUS，simulating the welding temperature field of the plate，etting the temperature changes of temperature，the results were compared with measurements.The results show that the measured and simulated variation of the temperature field is consistent，the effective measurement point of the maximum temperature and simulated maximum temperature is consistent.Measurement results verify the correctness of model and meshing，the results of the research provides a theoretical basis for the welding of 13MnNiMoR thick plate and controling of residual stress and improving the reliability and security of welded joints.

thermocouple；plate；deep-hole drilling(DHD)；welding simulation；welding temperature field

TG402

A

1001-2303(2011)05-0080-04

2011-02-22

溫永彬(1985—)，男，江蘇贛榆人，碩士，主要從事高溫裝備及CAE技術(shù)的研究工作。