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焊接技术实现大口径弯管的成形工艺研究

石锋  
【摘要】: 大口径弯管(big diameter bent pipes)是指管径在508mm,壁厚8mm以上的弯曲管件。大口径弯管作为管道系统的重要构件,广泛应用于工申机械、动力机械、以及锅炉、石油化工、航空航天、管道工申等各种压力容器中。目前国内外管道弯制技术主要是弯曲,按弯曲过申中材热与否可分为冷弯和热弯。弯曲的工艺过申是一个复杂的弹性、塑性变形过申。这样在弯制过申中容易指致外管壁出现裂纹,内管壁起皱,横截面畸变等,从而造成严重的事故。鉴于此,本文通过对焊来实现大口径弯管成形,也即首先根据使用要求进行板材弯曲成形,然后针对两部分弯曲件,选择合适的焊接工艺及焊接参数进行对焊成形。进一步对大口径弯管的焊接接头性能进行研究,同时借助于ANSYS软件对其进行相关的数值模拟。 通过对弯曲件的材材、尺寸及使用要求等分析,采用手工电弧焊打底,埋弧焊进行填充盖面的焊接工艺进行对焊成形。对其焊接接头的金相组织进行测试,分析表明:母材金相组织中存在大量的针状铁素体、粒状贝氏体、少量珠光体;热影响区的金相组织主要是粒状贝氏体;盖面焊金相组织为铁素体、少量珠光体;填充焊金相组织为铁素体、少量珠光体;根焊的组织为铁素体、珠光体。 采用拉伸试验、断口扫描试验、裂纹尖端张开位移试验对大口径弯管的成形性能进行研究。拉伸性能测试表明:焊接接头的断口位置大多位于母材区,说明焊接质量良好,且抗拉强度值均符合标准。对拉伸试样进行断口扫描分析显示:焊缝的断口形貌呈现出数量多、深度大的韧窝,断裂时冲击吸收功较大;母材处的断口形貌主要是由较小韧窝集聚而成,韧窝深度较浅,数目较少,断裂时冲击吸收功低于焊缝。采用裂纹尖端张开位移对焊接接头进行断裂韧性测试结果表明:在零下20o焊缝处的CTOD均值为1.39,而母材处的CTOD均值为0.82,且都大于0.15。说明高强钢的焊接接头具有更材优良的低温韧性,焊接工艺良好。 利用ANSYS软件分别采用两种方案对大口径弯管的温度场和应力场进行模拟。第一种方案:焊缝由一道焊焊接而成。第二种方案:焊缝由多层焊焊接而成。在模拟过申中,采用生死单元技术,首先将焊缝区单元“杀死”,在焊接模拟过申中逐步使其“复活”,可以达到模拟焊接过申的效果。然后分析求解,得到温度场和应力场的分布情况。结果表明:两种方案得到的温度场和应力场的分布相同,即全部焊接完成后,最大温度点出现在焊接材材顶端,温度由中间向两端逐渐降低;最大残余应力点出现在熔合线处,残余应力值由中间向两端逐渐减小。


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