．撕异种钢管子对接焊热处理前后残余应力的数值模拟上海交通大学材料科学与工程学院(2ooO30)樊睿智刘俊樊陆皓上海锅炉厂有限公司(200245)张茂龙钱旭辉上海沪东造船集团有限公司(201200)胡永强摘要采用热一粘弹塑性有限元模型，在考虑蠕变效应的基础上，对同种及异种钢管子环焊缝焊接及焊后热处理过程进行了数值模拟。计算结果表明，经过热处理过程后，管子焊接接头的残余应力有显著的降低，约为初始状态的1／3。在热处理后期，两种接头的残余应力均出现了一定程度的回升现象。基于在相同的计算条件下，异种钢焊接接头残余应力要高于同种钢。同时，比较了过渡层对接头残余应力的影响，发现过渡层宽度对于降低异种钢焊接接头残余应力水平有重要影响。关键词：数值模拟蠕变残余应力多道焊中图分类号：TG404国内外学者均做了许多研究工作。在过去的数十年0引言里，许多学者提出了各自关于预测管子对接多道焊温管子环焊缝对接焊接头是液化天然气(LNG)船、度场和应力场的有限元模型。BrickstadandJosefson⋯压力容器、管道工程中常用的一类焊接接头。这类管基于2一D轴对称模型，采用非线性热力耦合有限元技子的管壁一般较厚，接头必须通过多层多道焊工序完术计算了一系列管子对接多道焊过程。Mochizuki等成。焊接过程中焊缝及热影响区经历了多次的热循环人⋯用固有应变法和热一弹塑性法对碳钢钢管进行了过程，加热与冷却的不均匀性最终导致了焊接接头产分析，且用中子衍射测量仪对其结果进行了验证。Li生塑性应变和残余应力。对LNG船的冷却塔，焊接残等⋯借助于其开发的三维有限元模型模拟了窄问隙多余塑性应变与应力导致结构尺寸超差；而对于压力容道焊，提出此数值模型需要有更多的试验数据进行验器与管道，残余应力的存在对于接头性能具有潜在的证。最近，DengDean_4在考虑相变塑性应变的基础上危害性。焊接残余应力的分布依赖于以下几个主要因对管子对接多道焊进行模拟与测量。然而，对于异种素：焊件的结构尺寸、材料性能参数、约束条件、热输钢管子对接焊残余应力的数值模拟的研究报道甚少，入、焊道数目及焊接顺序¨J。而对于异种钢接头，除了其焊后热处理的研究就更少了。上述因素会对焊接残余应力大小产生影响外，异种钢文中采用热一粘弹塑性有限元模型，在考虑蠕变管子材料间热膨胀系数的差异是产生焊接残余应力的效应的基础上，利用有限元通用软件MSC．Marc对同种一个重要影响因素。一般认为，异种钢接头焊后去应及异种钢管子环焊缝焊接及焊后热处理过程进行了数力的效果不明显，因为在热处理冷却过程中，由于接头值模拟。计算结果表明，蠕变对于降低接头的焊接残两侧材料线膨胀系数的差异，冷却后还会形成新的残余应力有显著的作用，热处理后，接头的残余应力降至余应力，尤其对于锅炉中使用的钢管壁厚较薄，去应力初始状态的1／3左右。由于在相同的计算条件下，异热处理意义不大J。即便如此，杨厚君在其试验中种钢管子焊接接头的残余应力要高于同种钢，最后文中比较了过渡层对接头残余应力的影响。测得：经过焊后热处理后，虽然不能完全消除接头残余应力，异种钢管焊接接头的残余应力仍可降至原来的1有限元模型与计算条件50％。在此次计算中采用了两种常用的不锈钢和低碳钢关于管子环焊缝焊接应力应变场的有限元分析，材料，具体材料热力学性能参数见文献[5]。有限元模收稿日期：2007—05—21型如图1所示，在焊缝及热影响区采用较细网格划分。基金项目：国家自然科学基金(50475021)钢管外径为300mm，壁厚25mm。对接管子一端长为542007年第5期，2007船舶焊接国际论坛论文集俘掳175mm，另一端为150mm。焊缝为U型坡口，开口宽式中：杏为蠕变应变率；0为蠕变系数，是温度的函数；度13mm，深度为22mm。计算中焊缝简化为两道连为等效应力；n为等效应力的幂指数系数。具体参数见续焊接过程。具体计算模型及材料组成见表1。表2。考虑到计算结果的对照，两种材料采用了相同的蠕变参数。同时忽略了蠕变效应在低温时的影响，假定当温度升至450℃时蠕变开始，经过1h的保温阶段冷却至450℃后蠕变结束。图1管子有限元模型赠表1计算模型及材料组成时间t／s图2焊后热处理规范表2材料蠕变参数整个数值模拟过程由焊接和热处理两个过程组温度℃450500600625成。由于焊件较大，采用了最小约束边界条件进行计Ⅱ4．19×10一1．67×10一1．67×10一。66．67×10一算，具体焊接时，中心截面节点轴向(Z向)位移约束；n5．0热处理时，端面节点轴向(Z向)位移约束，另取2点作径向和周向位移约束。