氦管焊接仿真分析

王少秋

摘要：ITER BCC線圈的超導(dǎo)導(dǎo)體需要在低溫下才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，為了提供足夠低的溫度，導(dǎo)體內(nèi)要通有迫流氦。文章對(duì)氦管的分段焊接焊接做了仿真分析，得出焊接應(yīng)力的變化情況，確定整體滿足設(shè)計(jì)要求。

Abstract： The superconducting conductor of ITER BCC coil needs to be at low temperature to achieve superconductivity. In order to provide enough low temperature， forced flow helium is needed in the conductor. In this paper， the segmented welding of helium tube is simulated and analyzed， the change of welding stress is obtained， and the overall design requirements are satisfied.

關(guān)鍵詞：氦管;焊接;路徑;應(yīng)力分析

Key words： helium tube;welding;route;stress analysis

中圖分類號(hào)：P755.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）15-0067-02

0? 引言

焊接結(jié)構(gòu)以其整體性強(qiáng)、輕量化、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于軌道交通、航空航天、船舶、煤礦機(jī)械重型裝備等領(lǐng)域[1-2]。在煤礦機(jī)械生產(chǎn)中優(yōu)良的接頭設(shè)計(jì)是保障煤礦機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)承載性能的關(guān)鍵。焊接設(shè)計(jì)應(yīng)考慮整體構(gòu)造幾何形狀、結(jié)構(gòu)承載條件、焊接方法、坡口幾何形狀和焊后再加工工藝等要素，包括焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接設(shè)備和焊接工藝設(shè)計(jì)、焊接材料設(shè)計(jì)、工裝和焊接車(chē)間設(shè)計(jì)等。[3-4]。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接接頭強(qiáng)度、焊接應(yīng)力和變形、斷裂和疲勞性能是焊接設(shè)計(jì)的中心內(nèi)容。焊接修理法也是煤礦機(jī)械零件維修的一種重要的技術(shù)。所以對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接質(zhì)量分析尤為重要。氦管作為連接大型磁體線圈流通液氦的進(jìn)出通道，對(duì)其結(jié)構(gòu)質(zhì)量有較高的要求。進(jìn)行氦管焊接分析能有效減少實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間、材料成本。氦管是在真空的環(huán)境下工作的，氦管的強(qiáng)度對(duì)于冷卻效果有著很大的影響，所以需要對(duì)氦管焊接加熱過(guò)程及冷卻過(guò)程中的應(yīng)力進(jìn)行分析。

本研究對(duì)氦管進(jìn)行了焊接模擬仿真，分析總結(jié)了氦管焊接過(guò)程中出現(xiàn)的焊接應(yīng)力變化規(guī)律。

1? 氦管焊接仿真分析

結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是早期焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要滿足的要求，主要考慮到結(jié)構(gòu)的荷載、材料和截面面積。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)冗余度大，結(jié)構(gòu)龐大，對(duì)焊接質(zhì)量沒(méi)有要求，所以焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差別不大，截面許用應(yīng)力能夠滿足要求即可?，F(xiàn)代焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有實(shí)用性、可靠性、工藝性、經(jīng)濟(jì)型、美觀性等基本要求。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在靜載荷、疲勞載荷及焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量、焊接殘余應(yīng)力與變形的控制上有很大程度的完善。

氦管的遠(yuǎn)端是外部設(shè)備的接入端，通常是典型的圓形管道;氦管近端需要焊接線圈鎧甲。近端選取圓角矩形結(jié)構(gòu)一方面可以提高可焊性，增加接觸面積，另一方面可以適當(dāng)降低流動(dòng)阻力帶來(lái)的損失，通過(guò)流動(dòng)截面面積的大小可以很好的控制流量。

氦管焊接的材料屬性如表1所示。

氦管的變截面設(shè)計(jì)如圖1所示。

在焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫附近的殘余應(yīng)力基本上達(dá)到了材料的屈服強(qiáng)度，焊接變形會(huì)帶來(lái)附加彎曲應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力為焊后殘留在焊件內(nèi)且平衡與物體內(nèi)部的應(yīng)力。焊接時(shí)，殘余應(yīng)力會(huì)影響焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、腐蝕和尺寸穩(wěn)定性等使用性能。

本文通過(guò)對(duì)氦管模型應(yīng)用雙橢球熱源，分析了氦管焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力。Goldak提出了雙橢球熱源模型[5]。熱流密度分布情況如圖2所示。

實(shí)際焊接時(shí)，由于電弧運(yùn)動(dòng)，熔焊池前面的能量分布與熔焊池后面的能量分布不同，電弧后面的加熱區(qū)域大于電弧前面的加熱區(qū)域。在雙橢球熱源模型中，通過(guò)分析焊接過(guò)程中的上述特征，并充分考慮焊接電弧在厚度方向上的挖掘和攪拌作用。使用兩種不同的解析表達(dá)式來(lái)描述前后不同的熱源。

雙橢球熱源模型的優(yōu)點(diǎn)是采用了熱源模型的四個(gè)參數(shù)，并考慮了熱源模型前后兩部分溫度梯度的差異。因此，本文采用雙橢球熱源模擬氦管的焊接，從而確定了氦管在焊接過(guò)程中的應(yīng)力分布，并為實(shí)際焊接提供了參考。

熱源模型的前部與后部的熱流密度分布可以用方程（1）和（2）來(lái)進(jìn)行描述。

前橢球熱源密度分布函數(shù)：

后橢球熱源密度分布函數(shù)：

式中，a、b、c、為橢球體半軸長(zhǎng)，兩式中的a、b、c相互獨(dú)立，分別可取不同值，f1、f2分別為前后兩部分橢球體的能量分配系數(shù)，且f1+f2=2。

本文對(duì)氦管圓管段和氦管過(guò)渡段進(jìn)行了焊接仿真分析。

圖3為氦管圓管段和氦管過(guò)渡段焊接路徑，兩端圓管的材料均為316L不銹鋼。圖4為氦管圓管段和氦管過(guò)渡段焊接加熱階段應(yīng)力隨路徑距離的變化，可以看出焊接加熱過(guò)程中隨距離的變化材料應(yīng)力先減小后增加，在距離焊縫路徑4cm處下降至最低。因?yàn)樵诟邷叵?16L不銹鋼材料的屈服應(yīng)力急劇下降。圖5為氦管圓管段和氦管過(guò)渡段焊接冷卻階段應(yīng)力隨路徑距離的變化。隨著距離焊縫路徑的距離增加溫度冷卻加快應(yīng)力急劇上升并趨于平穩(wěn)，可以看出材料在冷卻后距離焊縫2.2cm處應(yīng)力最高，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。其他位置應(yīng)力變化趨勢(shì)平穩(wěn)。高應(yīng)力區(qū)域主要集中在距離焊縫路徑2～3cm處。

2? 結(jié)論

本文主要研究了氦管在焊接仿真過(guò)程中應(yīng)力變化情況。由表1可以看出316L不銹鋼在溫度升高的過(guò)程中屈服應(yīng)力急劇下降。在焊接仿真分析中氦管圓管段和氦管過(guò)渡段在溫度最高處應(yīng)力下降至最低符合材料屬性變化。所以可以對(duì)氦管進(jìn)行焊接仿真分析。在焊接冷卻階段距離焊縫2～3cm處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力最高達(dá)到310MPa左右。

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