CN103246774A - 数值模拟p92钢管焊接热影响区宽度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了数值模拟P92钢管焊接热影响区宽度的方法，其中热源模型选取接近实际焊接状态的双椭球热源模型，通过编写程序，实现不同焊接电流下热源沿管道周向移动，真实的模拟了实际焊接状态。取靠近P92端最后一道焊缝外壁节点的温度变化，找出热影响区宽度随焊接电流的变化规律。本发明的方法能够有效的指导实际焊接过程，以获得合适的焊接电流，降低P92在热影响区失效的概率。

Description

数值模拟P92钢管焊接热影响区宽度的方法

技术领域

本发明涉及计算机数值模拟领域，更加具体地说，涉及一种基于abaqus数值模拟P92与S30432异种钢管焊接热影响区宽度的方法。

背景技术

新型P92马氏体耐热钢以其优异的抗蠕变性能和良好的抗腐蚀和高温抗氧化能力已成为超超临界机组过热器、再热器以及主蒸汽管道的常用钢种之一。但是由于和传统锅炉用钢奥氏体钢性能成分上有明显差异,它与新型奥氏体耐热钢之间的异种钢焊接问题是当前锅炉制造的一大难点。P92与S30432焊接时，由于临近焊缝部位的母材形成热影响区降低材料的韧性，从而影响其高温性能。同时一些研究表明，P92焊接结构在高温服役时，易在热影响的细晶区发生蠕变开裂，严重影响构件的服役寿命。因此探索合理的异种钢焊接工艺以降低P92热影响区宽度，进而减少蠕变开裂的概率具有重要意义。

随着计算机技术的发展，数值模拟技术广泛应用于焊接领域，焊接数值模拟技术有效的降低了实验成本，并对预测焊接结构的温度及应力状态提供了一定理论指导作用。因此，为了降低研究成本，并为实际P92与S30432异种钢焊接提供理论指导，探索一种P92与S30432异种钢焊接热影响区宽度随焊接电流变化规律的数值模拟方法具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于abaqus数值模拟P92与S30432异种钢管焊接热影响区宽度随焊接电流变化的方法，其中热源模型选取接近实际焊接状态的双椭球热源模型，通过fortran语言编写程序，实现不同焊接电流下热源沿管道周向移动，真实的模拟了实际焊接状态。取靠近P92端最后一道焊缝外壁节点的温度变化，找出热影响区宽度随焊接电流的变化规律。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

数值模拟P92钢管焊接热影响区宽度的方法，按照下述步骤进行：

（1）建立焊接模型并赋予材料热物理系数：模型长度为200mm、壁厚10mm、外径45mm，焊缝为V型坡口，坡口角度为70°。完成整体模型建立后在Property模块中定义不同材料热物理系数，包括母材P92、S30432以及镍基合金焊丝NiCr-3的热导率、线膨胀系数、密度、比热容等。其中各系数均随温度变化而变化，具体数值参照博士论文《超超临界机组用T/P92异种钢焊接接头结构与性能的研究》。

（2）模型网格划分：该模拟主要为进行焊接温度场的模拟，因此计算选用DC3D8热分析单元，该种单元为八节点六面体单元。为减少计算时间，焊缝附近网格较细，远离焊缝母材区域网格较粗。模型最终节点数为31020，网格数为27600。

（3）各参数的设置：由于实际焊接过程中，存在热散失，在数值模拟中对该情况应予以考虑。因此在模型中应设置流换热系数，该系数随温度的不同而发生变化。实际中在刚实施焊接时，整体结构处于室温下，因此在计算中需要进行预温度场的设置，即为模型赋予初始温度，该设置在PredefinedField模块中中对全部节点施加温度20℃。然后，在Step功能模块中进行分析步设置，每一道焊缝包括激活单元、加热、冷却三个分析步。其中加热、冷却分析步时间的确定应严格按照实际焊接工艺计算得到。最后在Load功能模块中对焊缝施加热载荷，设置读取热源子程序，以实现焊接温度场的模拟。

（4）热源模型：热源模型选取与焊接实际情况较为接近的双椭球热源，通过fortran语言编写程序实现由直角坐标到柱坐标的变化，同时并调整热源形状参数。前半球椭球按公式（1）计算，后半球椭球按公式（2）计算。

$q(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{f}Q}{a_1\mathrm{bc\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}{e}^{-3x^2/{a_1}^2}{e}^{-3y^2/b^2}{e}^{-3z^2/c^2}---\left(1\right)$

$q(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{r}Q}{a_2\mathrm{bc\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}{e}^{-3x^2/{a_2}^2}{e}^{-3y^2/b^2}{e}^{-3z^2/c^2}---\left(2\right)$

其中Q为有效热输入Q=UIη，电流I分别取70A、90A、110A，η为热效率或加热功率的有效系数，在一定条件下η为常数，主要取决于热源的性质、焊接工艺方法、焊接材料的种类等等，本发明该数值参考中《焊接冶金学》取0.8，焊接电压取24V。f_f、f_r分别为总输入功率在熔池前后两部分的分配指数，f_f+f_r=2。a₁、a₂、b、c为热源形状参数，a₁、a₂为椭球的前后半轴长度，a₁、a₂之和为焊缝的熔池的长度，b为椭球宽度的一般，c为椭球的深度，由于每一道焊缝具有不同的形状，因此上述的系数值随每一道焊缝的深度宽度不同而变化。在选取好热源能量与形状参数后，编写程序实现直角坐标到柱坐标的变化，使热源沿环向移动。

（5）创立并提交分析文件：在Job分析模块中，建立分析文件，设置合适的计算内存以及热源文件的读取路径，提交分析，进行计算。

（6）热影响区宽度分析：完成计算后分别读入电流为70A、90A、110A的结果文件，选取外壁P92最后一道焊缝节点的温度分布，做出温度分布曲线，取P92热影响区温度范围为900℃-1200℃，做实线分别与三曲线相交，以交点为起点做实线与横坐标相交，找出热影响区宽度规律。

多层多道焊接热影响区模拟的研究很少，不同焊道在热源作用下经历不同的热传导过程，因此整体焊缝热影响区宽度的确定较为复杂。但多数实验表明，在多层多道焊接后，热影响区的边界与熔合线平行，因此本发明中以P92最后一道焊缝的温度分布为研究对象，以其热影响区的宽度代替整个焊缝热影响区的宽度。从图8中可以看出，在保证焊接可以正常进行时，焊接电流较大时，由于温度变化较陡，特定温度区间内的宽度越窄，因此热影响区的宽度越窄。本发明提供了一种模拟P92与S30432多层多道焊接热影响区宽度随焊接电流变化的方法，该方法能够有效的指导实际焊接过程，以获得合适的焊接电流，降低P92在热影响区失效的概率。

附图说明

图1是本发明中P92钢管的整体模型示意图。

图2是本发明中P92钢管的模型焊缝示意图。

图3是本发明中P92钢管的整体模型网格划分图。

图4是本发明中P92钢管的焊缝网格示意划分图。

图5是本发明中P92钢管端在焊接电流为70A时最后一道焊缝温度场云图。

图6是本发明中P92钢管端在焊接电流为90A时最后一道焊缝温度场云图。

图7是本发明中P92钢管端在焊接电流为110A时最后一道焊缝温度场云图。

图8是本发明中P92钢管在三种焊接电流下热影响区宽度示意图，其中1为焊接电流为110A，2为焊接电流为90A，3为焊接电流为70A。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案作以详细描述，为实现上述发明目的，首先要进行P92与S30432焊接温度场的模拟，然后根据模拟结果进行分析，找出P92端热影响区宽度的分布与焊接电流的关系。

该分析过程主要包含以下步骤：

（1）建立焊接模型并赋予材料热物理系数：模型长度为200mm、壁厚10mm、外径45mm，焊缝为V型坡口，坡口角度为70°。完成整体模型建立后在Property模块中定义不同材料热物理系数，包括母材P92、S30432以及镍基合金焊丝NiCr-3的热导率、线膨胀系数、密度、比热容等。其中各系数均随温度变化而变化，具体数值参照博士论文《超超临界机组用T/P92异种钢焊接接头结构与性能的研究》。

（2）模型网格划分：该模拟主要为进行焊接温度场的模拟，因此计算选用DC3D8热分析单元，该种单元为八节点六面体单元。为减少计算时间，焊缝附近网格较细，远离焊缝母材区域网格较粗。模型最终节点数为31020，网格数为27600，如附图1—4所示。

（3）各参数的设置：由于实际焊接过程中，存在热散失，在数值模拟中对该情况应予以考虑。因此在模型中应设置流换热系数，该系数随温度的不同而发生变化。实际中在刚实施焊接时，整体结构处于室温下，因此在计算中需要进行预温度场的设置，即为模型赋予初始温度，该设置在Predefined Field模块中中对全部节点施加温度20℃。然后，在Step功能模块中进行分析步设置，每一道焊缝包括激活单元、加热、冷却三个分析步。其中加热、冷却分析步时间的确定应严格按照实际焊接工艺计算得到。最后在Load功能模块中对焊缝施加热载荷，设置读取热源子程序，以实现焊接温度场的模拟。

（4）热源模型：热源模型选取与焊接实际情况较为接近的双椭球热源，通过fortran语言编写程序实现由直角坐标到柱坐标的变化，同时并调整热源形状参数。前半球椭球按公式（1）计算，后半球椭球按公式（2）计算。

$q(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{f}Q}{a_1\mathrm{bc\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}{e}^{-3x^2/{a_1}^2}{e}^{-3y^2/b^2}{e}^{-3z^2/c^2}---\left(1\right)$

$q(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{r}Q}{a_2\mathrm{bc\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}{e}^{-3x^2/{a_2}^2}{e}^{-3y^2/b^2}{e}^{-3z^2/c^2}---\left(2\right)$

其中Q为有效热输入Q=UIη，电流I分别取70A、90A、110A，η为热效率或加热功率的有效系数，在一定条件下η为常数，主要取决于热源的性质、焊接工艺方法、焊接材料的种类等等，本发明该数值参考中《焊接冶金学》取0.8，焊接电压取24V。f_f、f_r分别为总输入功率在熔池前后两部分的分配指数，f_f+f_r=2。a₁、a₂、b、c为热源形状参数，a₁、a₂为椭球的前后半轴长度，a₁、a₂之和为焊缝的熔池的长度，b为椭球宽度的一般，c为椭球的深度，由于每一道焊缝具有不同的形状，因此上述的系数值随每一道焊缝的深度宽度不同而变化。在选取好热源能量与形状参数后，编写程序实现直角坐标到柱坐标的变化，使热源沿环向移动。

（5）创立并提交分析文件：在Job分析模块中，建立分析文件，设置合适的计算内存以及热源文件的读取路径，提交分析，进行计算。

（6）热影响区宽度分析：完成计算后分别读入电流为70A、90A、110A的结果文件，显示如图5—7所示。选取外壁P92最后一道焊缝节点的温度分布，做出温度分布曲线，取P92热影响区温度范围为900℃-1200℃，做实线分别与三曲线相交，以交点为起点做实线与横坐标相交，显示如图8，找出热影响区宽度规律。

多层多道焊接热影响区模拟的研究很少，不同焊道在热源作用下经历不同的热传导过程，因此整体焊缝热影响区宽度的确定较为复杂。但多数实验表明，在多层多道焊接后，热影响区的边界与熔合线平行，因此本发明中以P92最后一道焊缝的温度分布为研究对象，以其热影响区的宽度代替整个焊缝热影响区的宽度。从图8中可以看出，在保证焊接可以正常进行时，焊接电流较大时，由于温度变化较陡，特定温度区间内的宽度越窄，因此热影响区的宽度越窄。本发明提供了一种模拟P92与S30432多层多道焊接热影响区宽度随焊接电流变化的方法，该方法能够有效的指导实际焊接过程，以获得合适的焊接电流，降低P92在热影响区失效的概率。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.数值模拟P92钢管焊接热影响区宽度的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

（1）建立焊接模型并赋予材料热物理系数；

（2）模型网格划分；

（3）设置参数：流换热系数，初始温度20℃，在Step功能模块中进行分析步设置，每一道焊缝包括激活单元、加热、冷却三个分析步；

（4）热源模型选取与焊接实际情况较为接近的双椭球热源，通过fortran语言编写程序实现由直角坐标到柱坐标的变化，同时并调整热源形状参数，前半球椭球按公式（1）计算，后半球椭球按公式（2）计算

$q(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{f}Q}{a_1\mathrm{bc\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}{e}^{-3x^2/{a_1}^2}{e}^{-3y^2/b^2}{e}^{-3z^2/c^2}---\left(1\right)$

$q(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{r}Q}{a_2\mathrm{bc\π}\sqrt{\mathrm{\π}}}{e}^{-3x^2/{a_2}^2}{e}^{-3y^2/b^2}{e}^{-3z^2/c^2}---\left(2\right)$

其中Q为有效热输入Q=UIη，电流I分别取70A、90A、110A，η为热效率0.8，焊接电压取24V，f_f、f_r分别为总输入功率在熔池前后两部分的分配指数，f_f+f_r=2，a₁、a₂、b、c为热源形状参数，a₁、a₂为椭球的前后半轴长度，a₁、a₂之和为焊缝的熔池的长度，b为椭球的宽度，c为椭球的深度；

（5）创立并提交分析文件；

（6）进行热影响区宽度分析，完成计算后分别读入电流为70A、90A、110A的结果文件，选取外壁P92最后一道焊缝节点的温度分布，做出温度分布曲线，取P92热影响区温度范围为900℃-1200℃，做实线分别与三曲线相交，以交点为起点做实线与横坐标相交，找出热影响区宽度规律。

2.根据权利要求1所述的数值模拟P92钢管焊接热影响区宽度的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，模型长度为200mm、壁厚10mm、外径45mm，焊缝为V型坡口，坡口角度为70°；定义模块中不同材料热物理系数，包括母材P92、S30432以及镍基合金焊丝NiCr-3的热导率、线膨胀系数、密度、比热容及其随温度的变化。

3.根据权利要求1所述的数值模拟P92钢管焊接热影响区宽度的方法，其特征在于，所述步骤（2）中，选用DC3D8热分析单元，该种单元为八节点六面体单元，焊缝附近网格较细，远离焊缝母材区域网格较粗，模型最终节点数为31020，网格数为27600。

4.根据权利要求1所述的数值模拟P92钢管焊接热影响区宽度的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，加热、冷却分析步时间的确定应严格按照实际焊接工艺计算得到，最后在Load功能模块中对焊缝施加热载荷，设置读取热源子程序，以实现焊接温度场的模拟。

5.根据权利要求1所述的数值模拟P92钢管焊接热影响区宽度的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，由于每一道焊缝具有不同的形状，因此上述的系数值随每一道焊缝的深度宽度不同而变化，在选取好热源能量与形状参数后，编写程序实现直角坐标到柱坐标的变化，使热源沿环向移动。

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