摘要： 球阀壳体的连接方式采用焊接后，其一直受到焊接残余应力和变形的困扰，而由此所导致的生产费用提高、延误工期的问题日益突出,所以研究焊接残余应力和变形具有重大意义，本文利用Abaqus对球阀壳体的等离子焊接进行了三维数值模拟，得到了焊后残余应力分布以及变形, 并和实验测试值进行对比，证明了其模拟的合理性和可靠性。

　　关键词：球阀 等离子焊接 数值模拟

　　Abstract: Valve shell connections are welded, its has been welding residual stress and deformation of the distress and the resulting increased production costs caused by the delay duration is becoming increasingly prominent, the study of welding residual stress and deformation of great significance, In this paper, Abaqus shell of the ball of plasma welding carried out three-dimensional numerical simulation, obtained after welding residual stress distribution and deformation, and simulation results of the qualitative analysis.

　　Keywords : Valve Plasma Welding Numerical Simulation

　　大型球阀主要用于野外输油管道的油路控制，其壳体的连接方式最早采用的是螺栓连接，但由于野外环境恶劣，维护困难，密封圈易老化的原因，现目前大部分都已经改成了焊接的连接方式。现目前最常用的焊接方式为埋弧焊，但由于其焊接工艺复杂，速度慢，焊后应力应变大，由此所导致的生产费用提高、延误工期的问题日益突出。而等离子焊接的射流能量密度高、熔透能力强的特性，在焊接厚度适中的材料时, 能将工件一次熔透, 实现单面焊双面成形，特别适用于管道焊接。

　　在焊接的应力应变的模拟方面，有关学者已经进行了一些相关研究，国外对这方面的研究开展得相对较早，建立了一些数值分析模型[1-3]。

　　在国内，文献[4]建立了高能束焊接数值模拟中的新型热源模型，提出了新的旋转Gauss曲面体热源模型，结果表明，与其他已有的热源模型相比，使用新模型能更准确的模拟高能束焊接温度场。文献[5]对运动电弧等离子焊接过程建立了移动热源和加载方式，并采用大型商业软件Ansys对工件的温度场以及应力应变场进行了分析计算。

　　笔者采用了Abaqus有限元分析软件，建立了运动等离子电弧作用下焊接工件温度场的三维瞬态数值分析模型，采用数值模拟技术研究了等离子弧焊接球阀过程的温度场、应力应变场，其使等离子弧焊接工艺从经验走向科学, 并为其实际应用提供理论基础，对研究焊接参数具有重要意义。

　　热应力基本理论

　　材料性能依赖于温度的应力—应变关系式为：

d{} = D{d} - { C} d T (5)

　　考虑构成物体的某一单元,在时间τ的温度为T ,节点外力为{ F} e ,节点位移为{δ} ,应变为{ε} ,应力为{σ} ,在时间τ+ dτ时,分别变为：

T + d T , ,{δ+ dδ} , {ε+ dε} , {+ d}

　　应用虚位移原理可得：

　　{ d F} e + { d R} e = Ke{ dδ} (6)

　　这里初应变等效节点力为：

单元刚度矩阵为：

　　按单元是处于弹性还是塑性状态, 代入不同的{ C} 和D ,形成单元等效节点载荷及刚度矩阵,然后置入总刚度矩阵及总载荷列向量中去, 便形成了可以求得结点位移的代数方程组：

　　解该方程组,求得节点位移后可求出单元节点应力。

　　有限元分析 物理模型的建立 要准确预测焊接残余应力和应变，首先要对焊接热循环进行准确的计算。本问研究的球阀壳体的口径为200mm，壁厚为10mmr。焊接采用层流等离子焊接技术，焊接速度为3mm/s。虽然模型为轴对称结构，但由于焊接接头有两次急速加热融化过程，只能建立三维有限元模型，如图1。网格在划分时将焊接处的网格细分，这样才能提高计算精度，如图2所示。

　　图 1 模型及网格划分 图 2 网格局部放大图

　　边界条件 焊接阀壳的初始温度为环境温度22℃,焊接电流为160A,电压U为20V,焊接速度v为20mm/s ,热源有效功率系数η为0. 6,在阀壳的对称面处取绝热边界条件。焊接过程中,由于工件的边界和周围环境存在着强烈的温差,以对流和辐射的方式与周围介质进行热交换,施焊表面同时需要加载热流密度及对流换热系数两种载荷。 铸钢非线性热物参数 计算表明，由于热物性参数是温度和相变组织成分的函数,而焊接过程温度跨度大,组织变化程度大,将各热物性参数看作恒量显然是不合理的,因而比热容、热传导系数必须看成是温度的函数。由手册[6]查得铸钢的比热容、热传导系数与温度变化关系如表1所示。

　　材料的热物理性能见表1

表1　铸钢的比热容、热传导系数κ与温度T关系 100 200 300 400 500 ….. 2000 2100 2200 2300 480 498 524 560 615 423 410 390 374 43.5 40.1 38.1 36.1 34.1 22.4 21.7 19.5 17.3

　　4、热源加载

　　热源模型的选取是否适当,对于瞬态焊接温度场的计算精度,特别是对靠近热源的地方有很大影响。本文采用旋转高斯曲面体热源模型[4]。由于ABAQUS本身不能直接加载移动热源，所以将其过程离散化，即在极短的时间内在某一削区域加载一固定热流，在下一段时间内移至另一区域加载，并把上次的计算"s0kT8V ]5Zi1R5A结果作为这次分析的初始条件。应力应变场计算结果与分析

　　(1)球阀壳体周围焊后应力分布情况

　　图3给出了计算所得Mises应力分布的分布云图，图4给出了部分节点的应力值。根据焊接参数和焊接条件的设定，从图中可以看出应力分布比较均匀，在焊缝上表面等离子射流中心处应力最大为0.76MPa,应力梯度较小，应力沿焊缝分布较窄。

　　图 3 球阀应力分布云图

　　图 4 部分节点应力值

 1/2    1 2 下一页 尾页