電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術(shù)研究

胡婧

哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 15004

隨著我國(guó)電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術(shù)水平的不斷提高，保障電站鍋爐生產(chǎn)運(yùn)行的性能安全和提升運(yùn)行效率越來(lái)越重要。在這種情況下，更加科學(xué)優(yōu)化的電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術(shù)就顯得非常重要，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)向更加先進(jìn)的鍋爐膜式壁堆焊工藝推進(jìn)具有很重要的作用[1]。

1 電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術(shù)研究的意義

電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術(shù)是通過(guò)使用焊接熱能把達(dá)到使用要求的材料熱敷在焊件物件的上，從而達(dá)到冶金相互緊密結(jié)合的目的。堆焊物件的目的并不僅僅是為了保持不同物件相互鏈接起來(lái)，它的目的還有：利用焊接的方式在焊接物件的外面形成耐磨性能好、抗腐蝕性能強(qiáng)以及耐熱的特殊金屬材料層；或者可以恢復(fù)受損構(gòu)件以及延長(zhǎng)焊件的大小尺寸。從而達(dá)到大大提升物件的工作壽命、降低焊件的維修和制造成本；并且還可以有效縮短維修受損焊接的時(shí)間，從而減少電站鍋爐的停機(jī)時(shí)間，提高電站鍋爐的生產(chǎn)效率。除此之外，電站鍋爐膜式壁使用堆焊工藝可以更加合理的使用材料，獲得更加優(yōu)良的性能。因此，優(yōu)化電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術(shù)研究很有必要。

2 有限元計(jì)算模型

2.1 熱源計(jì)算模型

在焊接物件的焊接過(guò)程中，影響焊接質(zhì)量主要因素之一就是焊接的熱過(guò)程。所以，準(zhǔn)確的測(cè)定焊接的熱過(guò)程是保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)。物件的焊接是局部快速升溫，然后迅速冷卻的過(guò)程。隨著熱源位置的改變，焊件的溫度跟隨熱源位置的變化而變化。此時(shí)，焊件的物理性能發(fā)生劇烈變化，同時(shí)存在融化和變相的潛熱情況發(fā)生。這個(gè)時(shí)候，它的溫度場(chǎng)就需要采用三維瞬態(tài)焊接溫度場(chǎng)作為對(duì)象。

非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的控制方程為：即：公式(2-1)

（其中，ρ是材料的密度、c是材料的比熱、λ是材料的導(dǎo)熱系數(shù)。）

當(dāng)焊接焊件導(dǎo)熱時(shí)存在三類邊界情況：

第一種焊件材料邊界情況，可以得到焊件材料邊界的溫度值，即：公式（2-2）

TS=TS（x， y， z， t）

第二種焊件材料邊界情況，可以得到焊件材料邊界的熱流密度分布，即：公式（2-3）

第三種焊件材料邊界情況，可以得到焊件材料邊界上熱交換，即：公式（2-4）

第四種焊件材料邊界情況，特殊情形五熱交換，即：公式（2-5）

（其中，n 是焊件材料邊界外法線指向方向、q是焊件材料單位面積上的外部環(huán)境輸入材料內(nèi)部熱能能力、α是焊件材料熱交換系數(shù)、Ta焊件材料的周圍其它介質(zhì)材料的溫度。）

當(dāng)使用有限元這種方式來(lái)解膜式壁堆焊熱傳導(dǎo)相關(guān)問(wèn)題的時(shí)候，為了求解方便，常常需要把求解問(wèn)題轉(zhuǎn)為成求泛函極值的變分問(wèn)題，對(duì)焊件分割有限元，從而類似成簡(jiǎn)單的線性方程。

2.2 網(wǎng)格劃分與單元的選取

（1）網(wǎng)格劃分原則。電站鍋爐膜式壁堆焊是一個(gè)溫度變化速率很快的過(guò)程，變化范圍大。所以，在堆焊的過(guò)程中，可以采用不均勻網(wǎng)格劃分方式來(lái)對(duì)物件進(jìn)行劃分，具體來(lái)說(shuō)是：需要采用網(wǎng)格劃分把物件焊縫和它周邊進(jìn)行很精密的劃分，而在物件焊縫較遠(yuǎn)的地方網(wǎng)格劃分可以不用那么精密。物件焊縫以及周邊網(wǎng)格劃分的大小尺寸是焊接熔池寬度的1/4至1/3之間。

（2）單元選取原則。根據(jù)彈性力學(xué)原理可以得出，物件的板厚 t 與物件的板面尺寸min值 b 的比值范圍是：

在我們的實(shí)際工程運(yùn)用很廣泛，因?yàn)樵趲缀紊洗嬖谝粋€(gè)方向軸的尺寸相比兩外兩個(gè)方向軸倍數(shù)相差很大的原因。所以可以采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理提出一個(gè)假設(shè)條件，把三維問(wèn)題簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的二維問(wèn)題。這種簡(jiǎn)化大大方便了求解的過(guò)程，縮減了原本很大的計(jì)算工作量，并且還可以有效的避免在方程系的求解過(guò)程中，系數(shù)矩陣偏大的問(wèn)題。

（3）熔化相變潛熱。當(dāng)焊接材料發(fā)生狀態(tài)變化的時(shí)候，會(huì)有潛熱能量的產(chǎn)生和吸收。固態(tài)物質(zhì)變相的時(shí)候，它的潛熱能量相比融化的時(shí)候相差很多。通常來(lái)說(shuō)，0．5Mo鋼材料不會(huì)發(fā)生固態(tài)相變情況，所以在計(jì)算的時(shí)候不用考慮固態(tài)變相時(shí)候發(fā)生的潛熱能量變化。

3 電站鍋爐膜式壁堆焊變形規(guī)律研究

電站鍋爐膜式壁堆焊變形可以分為堆焊焊件縱向變形、堆焊焊件橫向變形、堆焊焊件角變形、堆焊焊件彎曲變形以及堆焊焊件扭曲變形等等變形形式；還可以分為整體和局部這兩種變形形式，通常來(lái)說(shuō)，堆焊焊件整體變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響很大，矯正恢復(fù)比較困難；堆焊焊件局部變形對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性相對(duì)來(lái)說(shuō)影響偏小，容易恢復(fù)矯正。因?yàn)閿?shù)值計(jì)算科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，對(duì)于研究堆焊焊件的變形常常使用有限元法[2]。

縱向不同界面變形滿足公式（2-6）

（其中，k是分布系數(shù)、Vmi是縱向不同界面的時(shí)候單道焊堆焊變形、θ是周向距離，它的單位是度。）

圖1 模擬件堆焊后的周向變形

如上圖所示，當(dāng)物件的軸向是1800mm的時(shí)候，當(dāng)V / Vmi=0．95 的時(shí)候，分布系數(shù) k=530；當(dāng) V / Vmi=0．5 的時(shí)候，分布系數(shù) k=810；當(dāng) V / Vmi=0．2 的時(shí)候，分布系數(shù) k=950。

物件的焊接速度也是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。在焊接的其它因素確定的時(shí)候，當(dāng)物件的焊接速度偏快的時(shí)候，在單位時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，傳遞到物件的熱量相比焊接速度慢有所減少，致使焊接物件的溫度達(dá)不到焊接所需要的問(wèn)題條件，這樣就無(wú)法保證焊接金屬達(dá)到焊接所必須的熱塑性狀態(tài)。與此同時(shí)，物件的焊接形變也會(huì)相應(yīng)的減小[3]。物件的焊接形變量會(huì)跟隨熱量輸入量的多少等比例變化。所以，適當(dāng)?shù)奶岣呶锛附铀俣瓤梢杂行У慕档臀锛附拥淖冃纬潭取?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)影響電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術(shù)的因素，如熱輸入、焊接速度、工裝參數(shù)、焊接順序等進(jìn)行了深入探討，總結(jié)了其規(guī)律。有利于優(yōu)化電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術(shù)，它不僅可以很大的提高電站鍋爐的工作效率，增加本鍋爐廠生產(chǎn)的安全性，從而增加本鍋爐廠的經(jīng)濟(jì)效益。