直缝焊管高频感应焊接残余应力分析

【摘要】： 随着我国石油工业的发展,高频直缝焊管需求越来越大。该焊管的生产过程—高频焊接不可避免的产生残余应力,残余应力是导致焊接裂纹和接头性能降低的重要因素,对结构的静强度、疲劳强度、稳定性、刚度以及应力腐蚀开裂存在关键性的影响。成功预测焊接温度场和应力场的分布情况是获得高质量焊接结构的重要途径。一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟,就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料时的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数等。 本文系统地论述了焊接过程温度场和应力场的分析理论,有限元分析基于大型通用有限元计算软件ANSYS平台完成,总结了基于有限元分析软件ANSYS的焊接模拟计算过程,基于高频焊接热源的计算模拟结果,采用三维实体单元,考虑材料的物理性能随温度的变化和相变的影响,利用ANSYS软件中的APDL(参数设计化语言),并使用间接法求得了残余应力场。获得了高频焊管温度场和残余应力场的分布规律,并对结果进行了分析和讨论。 本文的主要内容包括:建立合适的有限元模型;现阶段由于高频感应焊接没有数学模型加以描述,在加载热源问题的处理上,首先根据工厂实际生产参数,用有限元软件模拟出V型角的高频感应焊接温度场,选取达到焊接成型要求(板边温度≥1400℃)处的横截面的温度场,记录每个节点的温度值,以此作为高频感应焊接热源,采用ANSYS的APDL解决了高频焊接热源加载问题;在温度场计算准确的基础上,将热单元转化为结构单元求解残余应力;通过后处理,给出了焊缝部位残余应力的分布趋势;分析了高频感应焊接残余应力的主要形成原因,指出了主要是由于温度梯度形成残余应力,轴向残余应力接近材料的屈服应力,周向残余应力仅为材料屈服应力的三分之一左右,径向残余应力数值较小工程上可以忽略。