CrMo钢的焊接和焊后局部热处理力学行为及工艺优化的计算机模拟.docx
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CrMo钢的焊接和焊后局部热处理力学行为及工艺优化的计算机模拟
Cr-Mo钢的焊接和焊后局部热处理力学行为及工艺优化的计算机模拟
上海交通大学
硕士学位论文
Cr-Mo钢的焊接和焊后局部热处理力学行为及工艺优化的计算机
模拟
姓名:
吴通
申请学位级别:
硕士
专业:
材料加工工程
指导教师:
陆皓
2003.2.1摘要
目前管子焊接和局部热处理还存在下列问题对影响焊接和局部热处理残
余应力的因素研究不够系统对局部热处理的机理结构等因素的作用研究不
够充分各个国家关于管子局部焊后热处理的加热宽度的标准存在很大差异等
本文用有限元分析方法对上述问题进行了研究为实际焊接工艺和热处理工艺
参数的确定提供了理论依据
本文以碳钢牌号为STPT4809Cr-1Mo和2.25Cr-Mo钢管子为研究对象
建立了轴对称有限元分析模型考虑材料热物理性能和力学性能的非线性模
拟出不同条件下的焊接残余应力状态
热弹塑性有限元分析结果表明在管子内表面焊缝和近缝区产生了内凹的
残余变形和拉伸残余应力随热输入的增加残余应力峰值变化不大塑性变
形区宽度增加多层焊的焊接方法能降低焊接残余应力多层焊焊接应力的模
拟在一定程度上可以由最外一层或几层焊接所替代Cr-Mo钢存在低温相变
焊接冷却阶段低温相变产生的相变应力抵消了一部分残余应力
三维有限元数值模拟得出的焊接残余应力较好地同实验结果相吻合采用
移动的焊接热源时残余应力和变形主要集中在始焊终焊位置其它位置
残余应力变化不大三维有限元数值模拟的应力结果较轴对称模拟得出的结果
精确但需要花费更多的计算时间和计算成本
用考虑蠕变的粘弹塑性有限元方法成功地预测了局部焊后热处理的残余应
力分析表明加热宽度对局部热处理的消应力效果有很大影响峰值残余应
力随加热宽度的增加而降低当加热宽度达到一定程度后残余应力变化十分
缓慢因此有一个临界的热处理加热宽度存在保温宽度对残余应力的影响
不大
本文综合现有的焊接传热学焊接力学和数值模拟手段探讨了管子焊接和
管子焊后局部热处理的力学行为和热处理加热宽度准则对Cr-Mo钢和碳钢
不同管子几何尺寸不同的焊接参数做了较为全面的讨论为管子焊接和局部
热处理的工艺参数制定提供了理论依据应力应变实验结果表明基于蠕变
法则的粘弹塑性有限元分析可以应用于局部热处理力学行为分析和工艺参数的
确定
关键词热弹塑性局部热处理蠕变相变
IABSTRACT
ThemechanicalbehaviorofpipeweldingandPostWeldingHeatTreatment
PWHTwasstudiedbyresearchersformanyyears.Buttillnow,thereare
manyproblemsthatneedtofurtherstudyandsolveinthissciencefield.Firstly,
factorsthataffecttheweldingresidualstressshouldbestudiedinfull-scale.
Secondly,nosufficientworkshasbeentakentoinvestigatethemechanismof
PWHT.Thirdly,thecriteriaoflocalPWHTonweldedpipeisverydifferentwith
differentcountries.Inthisdissertation,themechanicalbehaviorunderlocal
PWHThasbeenstudiedbytheFEManalysistosolvetheaboveproblemsand
setatheoreticalbaseforthedeterminationofprocessingparameterstoactual
localPWHT.
Inthedissertation,threematerials,carbonsteel,2.25Cr-Mosteel,and9Cr-1Mo
steel,arestudied.AxialsymmetricFEMmodelsarecreatedandtobeusedto
analyzethedistributionofresidualstressusingthermo-elastic-plasticmethod
underdifferentweldingconditions.Themodelshavetakennon-liner
relationshipbetweenthematerialpropertiesandthetemperature.Theresults
showthattheinnersurfaceofpipeneartheweldexisttensileresidualstress.
Thepeakstresshaschangedlittleandtheareaexperiencingdistortion
becomeswiderwiththeheatinputincreasing.Themulti-passweldingcanlow
theresidualstress.Thecomputingmodelofmulti-passweldingcanbe
replacedbythatofonlyoneortwopassesweldedonoutersurface.Phase
transformationduringlowtemperaturelieintheCr-Mosteel,andthestress
createdbyphasetransformationisthemainfactorsofthelowerresidualstress.
Thecomputingresultsbythree-dimensionalFEMmodelareaccordingtothe
experimentresults.Whenmovingheatsourceisused,thepeakvalueof
residualstressliesinthebeginningspotorendingspot,andkeepthesame
valueonotherareasinthehoopdirection.Three-dimensionmodelcanleadto
moreprecisecomputingresultsthanaxialsymmetricmodel.Butthree-
dimensionmodescostmorecomputingtimeandmoney.Therefore,whichone
shouldbechosenisdependonthespecificcondition.
IIThecharacteristicsofstressandstrainhistoryunderlocalPWHTarestudiedin
detailsusingbyvisco-elastic-plasticFEM.TheresultsshowthatR/taffects
residualstresslittleandtheconstrainingstressdecreasewiththeincreaseof
R/t.TheresidualstressafterlocalPWHTisgreatlyaffectedbyheatedband
width.Whentheheatedbandisnarrow,theresidualstressishigh.Withthe
increaseofheatingbandwidth,theresidualstresswillbedecreasing.Butwhen
theheatedbandiswideenough,theresidualstresschangelittlewiththe
increasingheatingbandwidth.Theinsulatingbandhassmalleffectonresidual
stress.
Basedonthepresentachievementsofnumericalalgorithm,thermotics,welding
mechanicsandcreeptheory,thedissertationsuccessfulanalyzedthe
numericalsimulationofmechanicalbehaviorandprocessingparametersfor
localPWHTofpipe.Adirectassessingcriterionsbasedontheeffectivenessof
stressreliefhasbeenpresented.Itisthefirsttimethatthemechanicalbehavior
oftubularjointunderlocalPWHThasbeenanalyzedbyusingvisco?
elastic-
plasticFEManditscriticalheatedbandwithhasbeencomputed.The
experimentalresultsofstressshowthatthemethodproposedinthis
dissertationcanbeusedtoanalyzethemechanicalbehavioroflocalPWHT
anddeterminetheprocessingparameters
KEYWORDS:
Thermo-elastic-plastic,Creep
LocalPWHT,Phasetransformation
III上海交通大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,
独立进行研究工作所取褥的成果。
除文中已经注明弓用的内容夕,
本论文不售含饪何其能个人或集体已经发表或撰写过的作晶成果。
对本文的研究做潞重要贡献的个人和集体,均在文中以嘲确方式
标明。
本人完全意识到本声明熬法律缝果由本人承担。
学位论文作誊签名:
炭立
嚣期:
煳年》胃.玲罄附件五
上海交通大学
学位论文版权使用授权书
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同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子
版,允许论文被查阅和借阅。
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保密口,在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密口。
请在以上方框内打“√”
指导教师签名:
≯葛物笺
学位论文作者签名:
易、亟
月加日
日期:
Ⅳ∞年月日
日期:
吖努符号说明
符号意义单位
Lmm
管子的长度
Rmm
管子的内半径
tmm
管壁的厚度
Bmm
加热宽度
Bmm
临界加热宽度
cr
Bmm
保温宽度
INSU
Hmm
加热宽度
3
QJ/cm
焊接单位体积上的热输入
MPa
屈服强度
EMPa
弹性模量
vcm/s
焊接速度
qJ/cm
焊接热源的线能量
V
T
温度
导热系数W/cmC
c比热容J/gC
3
g/cm
r密度
-5
a
热膨胀率10/C
泊松比无量纲
-2-1换热系数Wcm上海交通大学硕士学位论文吴通
第一章绪论
研究背景和意义
焊接残余应力和变形一直是焊接研究领域的一个核心问题焊接产生的残
余应力和变形给结构带来了一系列不利的影响因此应力与变形问题是国内外
1-5
焊接学者们研究的重点对象
焊后热处理在减少和消除焊接产生的应力和变形的不利影响方面起重要的
作用焊后热处理可以释放残余应力和改善材料性能因此焊接界对焊后热处
6
理进行了广泛的研究
焊接残余应力和变形的研究起步相对较早并且近些年来随计算机技术的
发展和实验手段的改进有了更快的发展现代科技的发展把有限元模拟技术
应用到焊接应力和变形的研究中更使焊接应力应变研究达到了前所未有的高
度但由于焊接应力应变的领域相当广泛所以有很多问题仍然有待深入探索
和研究
研究对象选取的背景简单介绍
本课题选用在核电和锅炉领域广泛应用的2.25Cr-Mo和9Cr-Mo钢管子为研
究对象同时也对应用更加广泛的普通碳钢进行研究并作为比较的对象这两
种铬钼钢是低高合金耐热钢具有良好的抗氧化性和较好的高温强度及耐腐蚀
性和高温蠕变性能并具有较好的冷变形能力由于其良好的综合性能在核
电石化装置中得到广泛的应用其使用温度通常在500~600左右有时应用
7-8
在600~700之间铬钼钢的焊接过程具有热过程局部的瞬时的和移动的
等特点因此焊接过程结束后在焊缝及焊缝附近区域产生焊接残余应力
Cr-Mo钢管子广泛地应用于核电化工和其它基础行业的建设中管子结
构在焊接生产焊接制造过程中由于不均匀加热冷却相变拘束条件和
现场作业等原因会在焊接接头内产生瞬时热应力以及残余应力和变形在焊
接制造过程中不可避免的产生焊接残余应力和焊接变形实践表明焊接残余
应力和焊接变形的产生不仅会影响构件的寿命而且更严重的会导致生命财产的
重大损失因此研究管子焊接应力和变形的预测具有重要的学术价值和现实
意义
1
上海交通大学硕士学位论文吴通
局部热处理的意义
多年来焊接残余应力和服役环境的双重作用一直被认为是导致焊接结构应
力腐蚀裂纹的主要原因焊后热处理可以释放残余应力和改善材料性能是目
前被广泛应用的方法局部热处理通常用于炉内整体热处理无法应用的场合
在局部热处理过程焊缝和临近焊缝的热影响区被加热到亚临界的温度通常
对于低碳钢和低合金耐热钢加热温度为600-740并且被加热的区域在这一
温度保持一定的时间保温时间主要由管子的壁厚及其性能要求决定这样特
9-11
定的加热过程实现局部热处理的目的焊后热处理的目的主要是改善焊接接
头的性能和消除焊接残余应力当难以在炉内整体热处理时通常采取局部热
处理诸多因素影响着热处理的效果例如:
容器尺寸加热宽度保温条件
加热速度均热温度和保温时间材料性能等
12-13
研究认为焊缝和热影响区残余应力的降低主要是材料蠕变的结果
由于相关材料的蠕变性能数据如蠕变曲线存在较高的离散性导致对局部热
处理力学行为方面的研究较少对于局部热处理过程的研究主要采用实验和理
论解析的方法其中理论基于弹性理论对加热过程弯曲应力进行计算由于管
子采用局部周向加热时被加热管子沿轴向周向径相均会出现温度场的不
均匀分布这种由不均匀分温度分布引起的残余应力包含了塑变和蠕变变形过
程显然用弹性理论或弹塑性理论求解是不完善的所以本文采用粘弹塑性有
限元方法来评定局部焊后处理
焊接及热处理过程的特点
焊接电弧是一个高速运动的磁流体热源焊接电弧中存在传导对流和辐
射等传热过程所以电弧的假设和模拟也具重要的物理意义同样焊接性的数
14-16
值分析也受到了学者们的高度重视
焊接力学的研究是对材料非线性问题的研究和分析,即材料变形时的应力应
变关系是非线性的焊接温度场的影响材料在不同的温度下其热物理参数不
同都使焊接加热和冷却过程中焊接工件不同部位的变形遵循不同的应力应变
关系曲线变化,使问题的处理更为复杂化
与焊接过程的其他研究领域相比焊接力学有自己的特点
它涉及了热传导?
金属热处理?
有限元方法数值分析数学?
弹性力学?
2
上海交通大学硕士学位论文吴通
塑性力学?
焊接等多种学科需要综合考虑
理论分析难度大特别在研究动态的热过程和应力应变过程现有的理论
还不充分为尽可能使计算结果在某种程度上接近实际情况往往需要合理分
析?
适当简化和选择正确有效的计算方法由于多种因素的相互复杂地影响
往往难以用全面的精确的数学模型来描述因此实际研究中存在许多困难
计算所需的工作量大计算用时和数据处理量的大大增加对计算机的速
度和容量也提出了更高的要求为保证计算精度和迭代的收敛性需要对网格
的划分和时间步长的选取进行最优化
分析和计算所需的原始数据不足特别是许多材料高温时的物理性能或力
学性能参数不完全或没有直接影响到研究的进程和计算结果的准确性
国内外焊接数值模拟技术的历史和现状
数值模拟在焊接研究领域的应用更加地促进了这个领域的发展近20多年
来国内外都对焊接模拟和数值分析技术进行了许多研究取的了不少成果
国际上的有关焊接数值模拟技术的交流也十分活跃有关国际会议有Modeling
ofCasting,WeldingandAdvancedSolidificationProcess以及NumericalAnalysis
ofWeldAbility等后者由国际焊接学会IIW第IXB分委会焊接性数值分
析工作组与奥地利的Graz工业大学共同组织1997年7月英国焊接研究所
TWI美国焊接学会AWS美国国家标准与技术研究所NIST联合召
开了第七次ComputerTechnologyinWeld的国际会议就应用实例软件开发
焊接过程模拟与控制等方面进行了交流在1996年11月大阪大学接合科学研
究所JWRIofOsakaUniversity就组织了一个以TheoreticalPredictioninJointing
andWelding为主题的国际研究会对当前的焊接模拟理论的各个领域进行了
3
广泛的讨论和交流
追溯历史早在三十年代Rosenthal等就提出了焊接温度场的原始数学模
型前苏联学者雷卡林则进行了系统的理论表述和实际应用的创新后来焊接
研究人员在此基础上对焊接的应力应变和形变进行了研究1947年奥凯尔勃洛
姆出版了两本书给出了有关焊接残余应力和焊接变形的起因和分类的见解
简单分析和原有方法的测量结果此外还叙述了焊接残余应力和焊接变形的影
响因素和可能的减少途径Malisius更好地研究了各种焊接变形及其物理工艺
3
上海交通大学硕士学位论文吴通
起因和影响因素包括对设计和制造的影响讨论了关于焊接残余应力造成裂
纹起源的危险Hansch和Kreb给出了焊接残余应力和焊接变形起因的基本论据
理论研究和工程应用的分析方法纵向和横向应力系统对结构负载能力设计
制造方法的影响并给出了一个关于杆状零件的充分的系统的严密的描述
详细的数据及实际应用的分析举例
3
七十年代初日本的上田幸雄等首先以有限元法为基础提出了考虑材
料机械性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论从而使复杂的动态焊接应力
应变过程的分析成为可能此后他们在这方面有许多发展取得了丰硕的成果
这些成果可以归纳下几个方面
1焊接热弹塑性基本理论并引入了蠕变分析和相变时的力学处理
2焊接应力的发生机制和残余应力分布形态
3应力消除退火
4焊接裂缝及其力学指标
5固有应变理论
6基于固有应变理论的三维残余应力测定法
7高精度焊接变形的预测
8焊接应力变形对焊接接头的强度影响等
T.Inoue等研究了伴有相变的温度变化过程中温度相变热应力三者之
间的耦合效应并提出了在考虑耦合效应的条件下本构方程的一般形式
16
美国MIT的K.Masubuchi等在焊接残余应力和变形的预测和控制方面
进行了许多研究工作其著作涉及很广包含了瞬时温度场热应力焊接残
余应力和焊接变形还包括在上述现象基础上的焊接结构的强度也论述了焊
接缺陷和疲劳断裂力学他把引起焊接变形的金属运动分为三种模式焊件因
电弧加热作为简单物体的运动模式1焊缝金属凝固前相连的两个分开部分
的运动模式2连接部分刚体的运动模式3并认为数值模拟可以预测模
式1和模式2的变形但是难以预测模式3的变形
17
加拿大的J.Goldak等对从熔点到室温时的焊接热应力进行了分析研究
提出了各个温度段的本构方程在温度低于0.5熔点时速率不依赖性或弹塑性
温度从0.5到0.8熔点时速率依赖性或弹-粘塑性温度超过0.8熔点时线性粘塑
性模型
瑞典的L.Karlsson等对大板拼接的焊接变形和应力进行了分析研究特别
4上海交通大学硕士学位论文吴通
是分析了焊缝前端间隙的变化和点固焊的影响另外还采用同样方法对薄壁管
子的焊接残余应力和变形进行了分析计算中都考虑了材料性能的温度依赖性
和相变膨胀的影响L.Karlsson等还提出了采用辅助热源防止单面焊终端裂缝的
有效方法九十年代对三维和板壳联合的焊接模型进行了分析B.L.Josefson
对C-Mn钢的多层焊接管子局部退火后的应力再分布进行了研究发现局部退火
后管子内壁的拉伸残余应力与均匀的炉内热处理时不同加热宽度较小时焊
缝中残余拉应力较大只有当加热半宽L150mm板厚为22mm的情况时
局部热处理与炉内整体热处理的差别才能忽略
18
法国的J.B.Leblond对相变时钢的塑性行为进行了理论和数值研究在
上述研究等基础上发展了SYSWELD专用软件该软件可用于淬火表面处理
焊接热处理和铸造等过程的分析研究其中包括材料相变容积变化和潜热
影响表面硬度计算残余应力和应变计算相互作用的前后处理等
国内的数值分析领域的研究工作也取得了不少的成果在八十年代初西安
交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面
的研究工作在1992年和1996年焊接学会和焊接协会先后召开了两次全
国计算机在焊接中的应用交流会上海交通大学在三维焊接问题分析中取得了
很大的进展并在实际工程中得到了很多成功的应用近些年来上海交通大
学与日本大阪大学对三维焊接温度场应力和变形焊
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