全焊接球阀焊接残余应力及变形数值模拟

焊接残余应力特性对球阀安全运行及结构改进具有重要意义。基于有限元软件ABAQUS,以T形接头焊、平板对接焊、圆管对接焊3种模型为例,模拟了全焊接球阀的温度场、应力场、位移场。结果表明:非生死单元法相较于生死单元法的计算误差高约10%,但耗时缩短41%～57%;球阀焊接残余应力集中分布于焊缝与母材的结合位置,焊缝影响区外表面的环向及轴向残余应力均为拉应力,沿焊缝深度方向逐渐向内过渡为压应力;环向残余应力沿焊接方向有累积效果,最大压应力出现在焊缝终点,轴向应力集中分布在球阀中体的焊缝影响区。受环向和轴向应力的共同作用,球阀右体和中体均朝焊缝区域发生收缩,其中球阀右体变形明显,但不会对球阀启闭运动及密封性造成明显影响。(图13,表2,参20)     

V形对接焊的有限元分析

在热弹塑性力学的基础上,运用大型通用有限元分析软件ANSYS对V形对接焊进行三维实时动态模拟,得出了焊接温度场和焊接残余应力场。模拟结果表明,在焊缝中心处出现残余应力的峰值,且表现为拉应力。该方法对优化焊接工艺具有指导作用。     

随焊锤击降低薄板拼焊应力变形的研究

为了减小薄板焊接应力、防止焊接变形的产生,利用电磁锤随焊锤击装置,分别对焊后尚处于高温状态的焊趾和焊缝区金属施加一定频率的锤击力,使焊缝金属在纵向和横向都充分延展,降低了焊接残余应力。试验结果表明:电磁锤随焊锤击能降低焊接应力,同时也能改善焊接接头的残余应力分布状态,细化晶粒,能将薄板焊接应力变形控制在较低的水平。     

细晶AZ61镁合金板材的CO2激光焊接性能

采用CO2激光器对2 mm厚的AZ61镁合金细晶板材分别进行了填充焊和自熔焊实验.研究了细晶镁合金板材的焊接性和填充带合金化稀土元素Ce对接头组织及力学性能的影响.结果表明，细晶板材的焊接接头热影响区不明显，组织较母材变化不大，半熔化区范围窄、液化程度低，未进行合金化的自熔焊焊缝组织较粗大，焊缝晶粒尺寸约15 μm，而填充焊焊缝组织为平均晶粒尺寸是5 μm的等轴晶，即合金化稀土元素Ce可细化焊缝组织，而且稀土元素Ce的加入能抑制柱状树枝晶区而扩大等轴晶区域范围.填带焊接头的平均抗拉强度和伸长率较自熔焊接头分别提高了6%和12%.     

AZ31镁合金薄板的交流钨极氩弧焊

探讨了氩弧焊工艺参数对镁合金焊接接头质量的影响，采用金相显微镜，对AZ31镁合金薄板TIG焊接接头进行了微观组织观察、用X-射线衍射仪等分析测试手段对相组成和力学性能进行了分析，结果发现：焊接电流为40A和45A时，焊接接头的力学性能最好，(σb为205MPa)，为母材强度的80％左右，断裂总是发生在热影响区，焊缝区组织呈细小的等轴晶，主要存在α-Mg和Mg17Al12两种相，热影响区组织较粗大。     

不同强度匹配的X80钢环焊接头力学性能及变形能力

环焊接头的强度匹配与韧性对管道服役安全至关重要。为了更深入掌握环焊缝的失效机理,采用力学性能测试、微观分析等方法,测试了两种不同强度匹配的高铌X80钢环焊接头的组织和性能,并借助数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)研究了焊接接头在拉伸载荷下的应变行为。结果表明:低强匹配与高强匹配的环焊接头均具有较好的冲击韧性,二者的夏比冲击吸收能量平均值相当。在拉伸载荷下,应变集中最先出现在环焊缝的根焊及热影响区部位。随着拉伸载荷的增加,高强匹配环焊接头的应变集中逐渐转移至母材,管道承受轴向载荷及变形的能力大于低强匹配环焊接头;低强匹配环焊接头虽具有较好的韧性,但因其在焊缝及热影响区存在塑性应变累积效应,易发生断裂。(图9,表4,参22)     

直径1422mmX80管道环焊接头应变能力数值模拟方法

鉴于高钢级管材的组织特征及焊缝失效对于管道安全的重要影响,管道环焊缝承载能力成为当前管道行业的研究热点,以中俄东线全自动焊口为研究对象,准确考虑环焊接头根焊、热影响区、母材、填充焊4个区域材料本构关系的差异性,基于有限元方法建立了分析管道环焊接头应变能力的数值仿真模型。定量分析了母材屈强比、运行内压、载荷类型等组合工况下焊缝强度匹配系数等对管道环焊缝裂纹扩展驱动力的影响。采用静裂纹起裂的失效判定方法,以表观断裂韧性值为临界准则,结合中俄东线管材及环焊接头材料特性参数实际变化范围,计算了在设计工况范围内最不利条件下中俄东线环焊接头的应变能力。结果表明:提高焊缝区强度匹配能够有效减小接头的裂纹扩展驱动力,增加管道内压或提高母材屈强比会使相同强度匹配条件下的裂纹扩展驱动力更大,拉伸载荷下的裂纹扩展驱动力要大于弯曲载荷下的裂纹扩展驱动力。该方法既可以用于根据焊接接头性能要求指导焊接参数的确定,也可以用于在役管道含缺陷焊接接头的适用性评价。     

基于有限元的随焊锤击焊接温度场数值模拟

随焊锤击的时机取决于温度场变化,针对此问题,以MZ1-1000型自动埋弧焊机、Φ2 mm的H08A焊丝为例,对平板堆焊进行了模拟,建立了三维有限元计算模型,并编制了实现热源移动的循环子程序;运用表面效应单元,解决了两种不同载荷同时加载的问题,实现了焊接温度场的三维动态模拟,得到了不同时刻焊件的焊接温度场分布。     

X65+Inconel 625复合管道焊接接头断裂韧性评定

针对复合管道焊接接头的断裂失效现象,采用单边缺口三点弯曲断裂韧性试验,对X65+Inconel625复合管道焊接接头不同区域(焊缝区、熔合区及热影响区)在0℃下的断裂韧性进行测试。通过在焊接接头不同区域预制表面型裂纹和贯穿厚度型裂纹,对比焊接接头不同区域CTOD值的变化趋势,结果显示组织不均匀性对CTOD值分散性的影响较大。研究表明:复合管焊接接头不同区域的断裂韧性不同,其中热影响区的应变时效区CTOD值较高,焊缝区CTOD值较低但分散性不大,而焊缝熔合区和复合层熔合区不但CTOD值较低,且分散性很大,因此熔合区和复合熔合区是X65+Inconel 625复合管道焊接接头的薄弱环节。(图4,表3,参20)     

纯铜导体的TIG焊接工艺

通过对纯铜金属(T2)焊接性的研究分析,采取预热和对称焊接等工艺措施,并对采用TIG焊接后的纯铜焊缝接头进行工艺性能评定。与火焰焊接纯铜的焊缝接头相比较,其力学性能、焊缝电阻率等都有很大的提高和改善,采用TIG焊接纯铜,更能获得综合性能优良的焊缝。     

M42/X32异种金属CO2激光焊接接头组织和性能的研究

利用CO2激光器对双金属带锯条齿部用高速钢钢丝M42及背部用高强度钢带X32进行焊接，通过金相显微镜，扫面电镜(SEM)，显微硬度仪，电子探针(EPMA)等手段研究了焊后高速钢M42与高强度钢X32焊接接头组织演变规律，焊接接头合金元素分布，以及不同焊接工艺对异种金属焊接接头组织及力学性能的影响.研究表明：随着焊接速度的增大，焊缝中心区等轴晶增多，树枝晶减少，且靠近M42侧熔合边界区的等轴晶更细小；各种工艺条件下焊接接头硬度均较母材高，且靠近M42侧的熔合区的硬度要高于焊缝区的硬度.当焊接功率为2 754 W，焊接速度为14 m/min时，焊接接头的性能优良，抗弯强度值达到112 MPa，达到了双金属带锯条的焊接性要求.     

焊接拘束条件下油气管道焊接接头的断裂韧性

在油气管道连头焊缝及金口焊接过程中,管道强力组对,工况复杂,存在较大的拘束应力,造成金口焊接接头成为薄弱环节,易发生泄漏或开裂。为了提高焊接接头的断裂韧性,设计了自拘束焊接装置,模拟金口在不同拘束条件下的焊接过程,并对焊接接头的断裂韧性CTOD(Crack Tip Opening Displacement)值进行测试和计算。结果表明:在拘束条件下,焊缝区的CTOD值与自由状态下的CTOD值相差不大;热影响区的CTOD值则明显低于自由状态下的CTOD值,且拘束应力越大,CTOD值下降越明显,韧性越差。油气管道在拘束条件下进行焊接,一定程度上降低了焊接接头的抗开裂性能,建议在金口焊接时尽量降低拘束应力,以减少对焊接接头断裂韧性的不利影响。     

焊接材料强度对高钢级管道环焊缝应变能力的影响

为了评价母材、根焊材料、填充焊材料的强度对X80管道环焊缝应变能力的影响,采用非线性有限元方法,以中俄东线直径1 422 mm、壁厚21.4 mm的高纲级管道为研究对象,考虑焊接接头完整几何形貌与性质有明显差异的4种材料分区,采用钥匙孔(Key Hole)模型准确模拟裂纹张开过程中裂纹尖端的钝化行为,研究了拉伸载荷作用下根焊内表面周向裂纹的起裂行为。计算结果表明:对于双V形坡口焊接接头,根焊材料强度对焊接接头整体应变能力影响很小,可以忽略不计;填充焊材料与母材强度的高强匹配对保证焊缝区应变能力最为重要,在难以提高填充焊材料强度的情况下,限定母材的强度指标是提高高钢级管道焊接接头应变能力的有效方法。(图7,表1,参25)     

X80钢管线焊接接头组织性能研究

以一种海洋用 X80管线钢为研究对象,采用焊接工艺试验、力学性能测试及显微分析技术研究了药芯自保护焊工艺下 X80管线钢焊接接头的性能和热影响区的组织变化规律。实际应用表明,采用设计的药芯自保护电弧焊工艺参数对 X80管线钢进行焊接,可以得到合格的焊接接头。     

双金属复合管环焊工艺及接头强度设计现状与趋势

阐述了双金属机械复合管典型焊接工艺,以及管端封焊和对焊焊接工艺的优点、应用案例和失效案例,认为封焊、过渡焊是此类工艺的质量薄弱点。分析了管端堆焊及其施工对焊技术的研究现状、发展趋势和应用案例,结果表明:采用同种合金焊接材料完成焊缝打底、填充和盖面等的连接方式,可以避免封焊、过渡焊等形成的缺陷和应力。该工艺成功应用于海底天然气开发用双金属复合管焊接,是今后双金属复合管管端加工和施工对焊的重要发展趋势和方向。此外,研究了双金属复合管环焊接头强度匹配设计、接头缺陷容限设计等现状与趋势,结果表明:目前尚无统一的焊接接头强度设计和容限设计理论,双金属复合管管道系统在线检测、腐蚀评价、寿命预测以及管道修复等技术是未来的重要研究方向。     

X65钢铜衬垫根焊工艺裂纹的敏感性

基于有限元模拟开发的管道环焊缝敏感性试验方法,对X65管线钢带铜衬垫焊接工艺裂纹敏感性进行了研究,通过对带铜衬垫和不带铜衬垫两种试验方案的结果进行对比分析,验证了制定的铜衬垫现场焊接工艺的合理性。该工艺冷裂敏感性较低的原因:(1)制定的焊接工艺参数合理,热输入量不大,仅为0.56 k J/mm,现场实际焊接中的热输入量更小,铜元素很难渗透到焊缝中;(2)采用ER70S-G实心焊丝CO2气体保护焊进行X65钢焊接,其抗冷裂性能良好。进行了根部局部腐蚀试验检测,结果表明:通过制定合理的焊接工艺参数,X65带铜衬垫根焊工艺的焊接接头力学性能可以满足工程施工规范的要求。     

钢激光表面淬火后的固相焊接工艺参数正交试验优化设计

以基于表面激光淬火预处理的40Cr和T10A钢的固相焊接为研究对象,采用正交试验设计方法科学安排试验过程,研究了焊接工艺参数与接头力学性能的关系。试验结果表明,当采用焊接温度为780℃、保温时间为7.5min,预压应力为56.6MPa的参数组合时,可获得接头最佳力学性能。     

大型储罐底板搭接焊接接头的缺陷分析与补强

立式储油罐(100～100000m~3)底板焊接接头型式为搭接接头,表面为平角焊缝。因受特定的安装工艺、结构形式、施工条件所限,底板背面(与基础接触面)焊缝无法施焊,形成单面搭接接头。这种接头     

Ca对AZ31镁合金CO2激光焊接接头组织和性能的影响

采用添加填充材料的CO2激光焊接工艺对AZ31镁合金薄板进行焊接,研究了不同Ca含量对焊缝金属的显微组织和力学性能的影响.结果表明：当激光功率为1 500 W,焊接速度为3 m/min时, AZ31镁合金CO2激光焊接的焊缝金属中添加一定量的σCa＜0.19%元素,可以得到成分相对较均匀、组织细小的焊缝.当填充带材为AZC04(焊缝中σCa=0.19%)时,焊缝区晶粒相对细小,析出相细小弥散,此时焊接接头的力学性能最优,焊接效率基本可达到100%.     

TC21钛合金激光深熔焊应力场数值模拟研究

根据弹塑性本构关系数学模型,采用组合热源模型与瞬态有限元方法,使用SYSWELD软件建立了TC21钛合金激光深熔焊过程三维有限元分析模型.依据熔池边界准则,通过改变激光功率、焊接速度,对TC21钛合金T型接头激光深熔焊的三维应力场进行了模拟研究.探讨了TC21钛合金横向残余应力的变化规律.研究表明,焊接速度对TC21钛合金横向残余应力峰值的影响较小,激光功率对于横向残余应力蜂值的影响更明显一些;焊接速度对于横向残余应力梯度的影响较大,激光功率对于横向残余应力梯度的影响较小;随激光功率增大,横向残余压应力峰值显著减小,应力梯度也随之减小.