压力容器焊接基本现象模拟与仿真研究现状及展

?必威动态 ????|???? ?2019-07-24 11:37


  0引百焊接是锅炉、压力容器和管道等焊接承压设备制造中最重要的加工工艺,长期的生产实践表明,焊缝又是系统中的薄弱部位,在焊接承压设备失效事故中,大部分是焊缝失效引起的。随着石化、发电等工业领域的迅速发展,参数高、规模大、结构新、材料多己成为承压设备发展的特点,焊接水平和质量成为锅炉压力容器和新型工业装备发展的关键核心技术。
  在研究开发焊接新工艺和新技术、制定焊接栾合俊。CAD/CAMApp在电工电器上的应用丨J卜现代制造,2005刘宏增,黄靖远。虚拟设计。北京:机械工业出版工艺、进行焊接工艺评定时,通常需要做大量的焊接试验。焊接是非常复杂的物理化学过程,影响焊接质量的因素非常多,传统的实物焊接试验研究手段难以深入认识和优化焊接,而且研究成本昂贵、费时费力。
  随着计算机技术的迅速发展,在焊接领域计算机模拟试验分析技术开始引起国内外学者的重视,采用计算机模拟技术研究焊接接头微观组织及其对焊接接头性能的影响,成为近年来焊接模拟技术研究领域中的热点和前沿课题之一。本文对近年来国内外在焊接基本现象模拟与仿真方面的相关研究进行了综述和分析。
  及模具技术国家重点实验室硕士研究生。研究方向为模具CAD/CAM.王义林,男,1968年生。华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室副教授。
  1焊接熔池温度场、流场数值模拟焊接熔池受到电场、热场、磁场、流场等多场交互作用,早期的焊接熔池模拟主要是分析焊接温度场,采用的数学模型为傅里叶热传导方热源;T为热力学温度;为时间在熔池传热过程中的凝固热Ql可按下式计算:计算凝固热的方法有温度回升法、等价比热容法和热焓法等13,通常采用等价比热容法。压力容器能够承受压力的密闭容器。压力容器的用途极为广泛,它在工业、民用、军工等许多部门以及科学研究的许多领域都具有重要的地位和作用。
  早期的温度场预测研究都基于以下的假设:
  ①热源集中于一点、一线或一面;
  ②材料是固体不发生相变;
  ③材料的热物理性能不随温度变化;
  ④焊接构件的几何尺寸是无限的。由于这些假设与焊接的实际情况存在很大差异,因此会出现较大偏差。
  从20世纪60年代中期开始,熔池中液态金属在表面张力梯度和电磁力等的作用下剧烈运动的概念被逐渐接受。1983年,Oreper等1451对熔池中流体在表面张力梯度、电磁和浮力共同作用下所产生的流体及传热过程建立了数学模型,并针对钨极氩弧焊进行了研究。为了研究熔池内流体的流动情况,最早建立的数学模型是假设流体在固定容器内流动的。之后Kou等16和Zacharia171假设熔池表面为不可变形的平面,分别建立了二维和三维TIG焊熔池流体流动及传热模型。Li等18建立了外加纵向特性:波粒的辐射移动的三维熔池电磁场、流场与热场的数学模型,利用ANSYSApp进行了多耦合场仿真(simulation)。Dong等191考虑了表面张力梯度、电磁力以及浮力,建立了一个双面小孔等离子钨极氩弧焊三维的热传递和流场模型。焊接熔池仿真研究的很多最新成果己经实现多场耦合仿真分析,有效地提高了仿真准确性和适应范围,这些工作对了解焊缝成形实质、优化脉冲焊接工艺参数、控制热影响区组织与性能具有一定意义。
  GTAW―般适用于薄板焊接,而熔化极气体保护电弧焊焊接由于母材熔深大,焊丝熔敷速度快,易于实现机械化和自动化,在中等厚度以上的金属焊接中得到广泛应用。1988年Tsao等1101首次发表了GMAW焊接熔池流场、热场数值模拟的研究报告,他们将熔滴带入熔池的热量作为能量方程中的内部热源项处理,模拟了GMAW焊接的指状熔深。印度Kumai等1111设计了一个三维GMAW焊接热传导有限元模型,此模型假定熔滴传给熔池的热熔量分布在电弧下的一个圆柱体内,其半径与熔滴直径一致,深度取决于熔滴的动能。孙俊生等112根据熔池表面变形较大时电弧电流密度的双峰分布模型,建立了电磁力的计算模型,采用数值模拟研究熔池中的流体力学行为、焊接工艺参数对熔池流场的影响规律。
  焊接熔池流场和热场用数学模型来描述,具有较好的柔性且适用范围较广等特点。当母材材料和尺寸、焊接材料、焊接规范参数等条件改变时,可以通过模型模拟各种条件下焊接熔池的流场和热场,从而不需或只需少量的实验,便可确定和优化焊接工艺。
  2焊接变形和残余应力数值模拟焊接产生的动态应力应变及其随后形成的残余应力是导致焊接裂纹、接头强度与性能下降的重要因素。迄今为止,焊接变形和残余应力一直是焊接生产迫切需要解决的问题。近20年来,国内外对焊接变形和残余应力的模拟技术进行了许多研究,包括焊接动态应力应变分析、焊接残余应力与残余变形分析、拘束度与拘束应力分析、消除应力处理等,取得了不少成果。
  础,提出了考虑机械性能与温度的焊接热弹塑性分析理论。之后,佐藤邦彦等1141又研究了多层多道焊以及管子焊接、管子内壁强制水冷法焊接过程的应力应变状况。1986年法国Leblond1 151对相变钢的塑性、相变、热应力三者之间的耦合效应进行了研究,并在此基础上发展了sysweld焊接专用App。Teng等116采用弹塑性有限元,分析了薄板焊接时焊接速度、试件尺寸、外拘束度、预热等参数对焊接残余应力的影响。Frewin等1171对激光脉冲焊接进行有限元分析,提出激光脉冲点焊的三维模型。O*Dowd等1181用有限元方法对347奥氏体钢焊接残余应力在高温下对裂纹的影响进行了二维和三维分析。Laggatt等1 19用有限元方法预测了压力容器内部管子附件焊接的残余应力场。
  我国在计算机分析焊接力学方面起步较晚。
  20世纪80年代初,西安交通大学和上海交通大学等开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究。进入20世纪90年代,随着计算机的发展,焊接应力数值模拟向三维复杂结构发展,越来越接近实际焊接状况。汪建华等1201采用三维热弹塑性有限元法对管板焊接过程中的动态应力应变、焊后残余应力和变形进行了数值模拟。
  魏艳红等1211对不锈钢焊接凝固裂纹应力应变场进行数值模拟分析,通过单元再生方案消除了焊接结构中熔池变形对熔池尾部应力应变场的影响。分气缸锅炉的主要配套设备,用于把锅炉运行时所产生的蒸汽分配到各路管道中去,分汽缸系承压设备,属压力容器,其承压能力,容量应与配套锅炉相对应。分汽缸主要受压元件为:封头,壳体材料等。鹿安理等1221对厚板焊接的温度场和应力场进行了数值模拟。薛忠明等123提出将连续统力学、现代数值方法和计算机技术结合起来用作为计算焊接残余应力的主要工具。倪红芳等1241进行了多道焊三维残余应力场有限元模拟。何小东等1251对钛合金薄板激光焊接和TIG焊接残余应力进行数值模拟,分析了不同焊接工艺参数对激光焊接和TIG焊接残余应力分布的影响。
  目前,数值模拟仿真为研究和分析焊接变形和焊接残余应力提供了众多解决方案和方法,并取了得较好的仿真效果。
  3氢扩散、异种钢焊接接头碳迁移模拟分析焊接氢致裂纹是低合金钢焊接时容易产生、危害严重的焊接工艺缺陷,它往往是焊接失效破坏的主要原因。焊接氢扩散过程相当复杂,受到接头组织、温度、应力、塑性应变等多种因素影响,因此寻求解析解十分困难。目前,数值分析方法己应用于焊接氢扩散与聚集的研究,受到各国学者的普遍重视。
  氢扩散计算可分为在均匀介质中和在非均匀介质中两种情况。在均匀介质中,氢扩散的驱动力的大小取决于氢浓度的梯度,此时,氢的扩散遵循Fick第二定律(scientific law):Fick第二定律可以解决宏观上焊缝金属中的氢扩散问题。但是,由于焊接接头母材、热影响区和焊缝金属的微观组织存在差异,焊接接头还存在焊接残余应力和应变,因此焊接接头不是一个均匀的介质,Fick第二定律不能解决焊接接头微观氢扩问题。
  在不均匀介质中,氢扩散的驱动力是氢的化学势之差。Ymioka等1266考虑活度,采用以下方程进行氢扩散与聚集分析:在氢扩散和聚集数值模拟方面,我国张初冬教授12728作了一定的工作。他在氢扩散计算中,考虑了相变、焊接接头不同组织、应力和应变场对氢活度的影响。张显辉等129采用ABAQUS有限元分析App对氢在不均质焊接接头的扩散行为进行了数值模拟计算。
  异种钢焊接接头碳扩散迁移及其分布己成为研究异种钢焊接接头综合性能的指标之一,国外在寻求异种钢接头碳分布的解析解方面开展了积极的探索,但由于假定条件的理想化,解析解与实际结果相差较大。国内付景山等1301运用Fick第一定律、第二定律和活度公式,考虑双边界条件,获得P/A异种钢焊接接头的碳迁移数学表达式,并据此编写了计算机模拟程序。杨厚君等131321运用有限差分和神经网络对异种钢焊接接头高温时效碳迁移进行系统辨识与预测。何鹏等1331根据相变扩散连接的特殊性,建立了钛/不锈钢相变扩散连接界面区元素扩散、金属间化合物生长和成长行为的数学模型。
  可以看到,异种钢焊接接头碳扩散迁移模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)仿真研究方面尚处于起步阶段,应力/应变、组织、温度等多种因素对异种钢焊接接头碳扩散迁移的影响尚有待进一步研究。
  4特种焊接过程分析Nied1341在1984年提出了一个电阻点焊过程的有限元模型,可以分析压力和焊接循环,预测温度分布、热膨胀、应力和熔核的几何尺寸。Lau-rinen等1351运用贝叶斯网格研究电阻点焊直径的变化,并结合试验数据对焊接接头质量进行了评估。Katayama等136建立了激光脉冲点焊热传导、快速熔化和凝固仿真模型,可用来选择凝固时合适的热循环,从而减少脉冲激光点焊时的热裂纹倾向。He等1371基于质量、动量、能量守恒公式,使用流体流动模型来研究304不锈钢激光点焊时熔池温度场和速度场的变化,并对焊接熔池的几何区域大小、焊接热循环和不同的凝固参数进行了计算。田艳红等1381对PBGA封装制造时钎料球激光重熔过程中的温度场分布进行了数值模拟。
  各种专用特殊性焊接过程的数值模拟仿真研究相对较少,难度也更大。
  5焊接接头和热影响区微观组织数值模拟焊接质量的优劣在很大程度上取决于焊后的微观组织形态。目前,焊接接头显微组织模拟方法可以归纳为四大类,即经验法、统计方法、组织形成直接模拟法及状态变量方法。
  经验法通过大量的实验来获得经验公式或图象,该方法试验量大并且具有局限性。统计方法以经验方法得到的数据为基础,应用先进的数理统计、神经网络等方法建立微观组织模型,以此模拟焊接接头显微组织。
  组织形成直接模拟法通过直接模拟焊缝中晶粒的形核和长大过程来模拟微观组织,如蒙特卡罗方法、元胞自动机方法及相场方法等。这些方法可以预测(predict)晶粒尺寸的显微组织特征和转变过程,是目前微观组织模拟最常用的方法。
  于二维晶粒长大动力学模拟之中,之后又将MC法应用于模拟晶粒生长的尺寸分布、拓扑学和局部动力学之中进行研究。1996年,Gao等1441提出了HAZ晶粒生长的3个模型,使MC模拟能够应用于整个焊接过程中。Radhaklishnan等1451将MC法与有限差分法相结合,模拟热处理下的微观结构演化。Jahanian等1461利用GBM模型对0.5Mo―Ci一V焊接时的HAZ晶粒生长进行模拟,并将温度梯度融入MC算法,获得焊接热影响区的热钉扎现象。Yang等147利用GBM模型对钛合金HAZ晶粒生长进行三维MC模拟,提出工业用纯钛在GTA焊接时的三维晶粒生长模型。Li等1481利用EDB模型对Ni270激光焊接时HAZ晶粒的生长进行二维模拟,分析了时间、空间、温度等参数(parameter)对焊接结果的影响。Kosekit等1491人应用二维MC方法并结合热传导和溶质扩散的有限差分法,模拟了焊缝内部等轴晶的形成过程。Mishra等1501采用三维MC模型利用热循环计算模拟了Ti一6A1―4V焊件的热影响区组织。
  国内学者也对MC方法进行了研究,并开始将MC方法应用于焊接分析。丁雨田等1511用MC方法模拟了定向凝固条件下微观组织的形成过程。钟晓征等52531运用MC法及改进的Q*StatePotts算法,对多晶体材料的正常和异常晶粒长大过程进行了模拟。姜寿文等154基于MC方法和简化的物理模型编制程序,模拟冷轧钢板退火组织的演变过程及变化规律。温俊芹等1551用MC方法结合焊接工艺试验,模拟了单相合金焊接热影响区的晶粒长大动态过程,并体现出热钉扎效应。王维斌等156根据计算的焊接温度(temperature)场和基于EDB模型的MC模拟时间与实际焊接时间的关系,建立了直流闪光对焊过程显微组织的演化模型,对超细晶粒钢筋焊接接头的奥氏体晶粒长大进行了模拟研究。
  CA方法借助计算机随机取样,将一个确定问题转化为随机问题,建立概率模型,然后通过计算机对模型进行大量的随机取样,再对结果作适当的平均而求得问题的近似解。它的特点是便于图形显示,而且具有实时性,能够方便地模拟晶粒长大、再结晶及金属的凝固等一系列过程。
  Packard等1571建立了第一个枝晶生长的二维CA模型。Brown等158运用CA方法研究了不同过冷度对枝晶形态的影响、凝固时的耦合生长,建立了三维的元胞自动机有限差分模型。之后,Jarvis等1591又建立了多元多相合金的CAFD模型,该模型能够较好地预测平衡凝固时微观偏析和平衡成分生成信息。Guillemot等1601将CA模型与有限元模型结合,建立了模拟晶粒生长形态及凝固过程的宏观偏析模型,实现运用有限元模拟分析晶粒结构。
  国内近年许多学者也对CA方法进行了研究。李殿中等1611采用CA法对K417Ni基高温合金涡轮叶片的凝固组织进行模拟。魏秀琴等1621提出了一种基于电渣熔铸凝固结晶过程的三维元胞自动机模型,对金属熔池深度变化、电极熔速、渣温、铸件尺寸和散热系数等的影响进行计算机模拟试验。许林等163建立了铝合金凝固过程微观组织形成及枝晶形貌演化的三维元胞自动机模型,考虑了温度场扩散、固液相中的溶质扩散、曲率过冷等因素。刘东戎等1641提出了一种模拟Ti一Al合金锭凝固组织形成的随机性方法。将元胞分为先析出相元胞和包晶相元胞两类,可以模拟显示包晶相的随机分布。
  相场法通过引入相场Y而得名,该方法可以在枝晶尺度上真实地模拟微观组织的形成。相场是一个序参量,表示系统在时间和空间上的物理状态。系统中的相具有恒定值,可以对相场Y定义一个确定的值以表示系统中相的状态,如Y=0代表固相区,1代表液相区,在固液界面上Y在0~1之间连续变化,相场理论以Ginzburg微分方程反映扩散、有序化势和热力学驱动力的综合作用。
  物理状态,可用于在热或热力过程中,对时间或应力条件下显微组织的形成过程,以及显微组织对性能的影响进行分析。状态变量法可用于建立非等温转变行为的组织模型。如果显微组织的形成可以表示为时间的状态变量函数,则通过数值解可以与变化过程实现耦合。状态变量法己成功应用于钢、铸铁和铝合金的非等温转变显微组织形成过程的模拟和预测,是一种非常有应用前景的方法。
  由上述可见,运用M
  C、CA和相场等组织形成直接模拟法方法和状态变量方法,可以实现多种场成形和焊接微观组织的数值模拟和定量分析,具有很高的学术和应用价值,但各种模拟方法都作了多种假设,应用于各种焊接接头微观组织模拟仿真仍处在研究阶段,有待进一步发展。
  6焊接模拟专用App焊接基本现象的模拟与仿真广泛采用计算机辅助分析手段,其中较为成熟且应用较多的是有限元技术。目前大型通用商业有限元分析App如MAR
  C、ANSY
  S、ABAOUS等都可以对焊接温度场和力场进行较好的模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)分析。但对存在流体动力学、相变动力学、蠕变、粘弹塑性相结合的复杂焊接过程,由于进行了很多简化假设,不能保证高度非线性和大变形焊接问题解的收敛性和精度,也无法对微观尺度的组织、结构和性能进行模拟和预测。因此,很多学者都致力于焊接模拟专用App的研究与开发,国际上较有影响(influence)的有MAG-SI
  M、SYSWELD等App。
  MAGSIM是较为权威的焊接分析App,可以对MAG焊接过程进行详细分析,能够优化(optimalize)焊接参数、预测焊接质量和诊断焊接缺陷。分析模型采用三维、非线性、准静态热传输方程,考虑焊接电弧的伏安特性和热能分布,能够模拟焊接温度场、焊接变形和焊接缺陷等。可以根据最大生产率或最可靠的焊接质量等优化准则,对焊接参数及焊接结构进行优化。SYSWELD是另一个较全面的焊接现象模拟分析App,可以进行热冶金分析、力学分析和氢扩散分析、模拟晶粒的生长过程等,可以考虑材料非线性、热与冶金耦合计算、热弹效应、硬化效应、相变塑性和粘塑性效应等。SYSWELDApp的模拟具有较高精度。
  国内也开发了一些焊接应用App,包括焊接工程数据库、焊接工艺规程CAP
  P、焊接工艺专家系统、计算机辅助可靠性评定系统等。分气缸锅炉的主要配套设备,用于把锅炉运行时所产生的蒸汽分配到各路管道中去,分汽缸系承压设备,属压力容器,其承压能力,容量应与配套锅炉相对应。分汽缸主要受压元件为:封头,壳体材料等。但是焊接过程基本现象的模拟App,尤其是焊接微观组织模拟仿真App尚未见报道。
  总结近10年来,焊接数值模拟技术不断向深度和广度发展,其研究工作涉及焊接现象的各个方面,由温度场、应力应变场、流场等宏观尺度模拟预测进入到以组织、结构和性能为目的的微观尺度模拟预测阶段,由单一的温度场、电场、流场、应力应变场和组织模拟进入到耦合集成阶段,由一般的应力应变、温度和流场等问题的仿真转向难度更大的专用特殊性和系统问题仿真分析。
  焊接数值模拟技术的发展为深入开展压力容器焊接技术研究,进一步提高锅炉、压力容器和管道等焊接承压设备的制造水平和质量,防止重大事故的发生,提供了一种行之有效的全新手段。针对承压设备焊接涉及的主要问题,开展压力容器焊接基本现象数值模拟技术研究,并在此基础上,结合压力容器用钢焊接实验数据,研究开发具有自主常识产权的,而且可以进行微观尺度模拟预测、多场耦合集成和特殊性问题分析的压力容器焊接模拟专用App,具有重大的意义。