感应加热法消除小径管焊接残余应力数值模拟
文献类型：学位论文
| 作者 | 林涛 |
| 学位类别 | 硕士 |
| 答辩日期 | 2009-05-31 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 陈怀宁 |
| 关键词 | 感应加热 小直径管道 消除焊接残余应力 温差形变法 有限元法 |
| 其他题名 | Numerical Simulation of Relieving the Welding Residual Stresses in Tubes with Small Diameters by Induction Heating Method |
| 学位专业 | 材料加工工程 |
| 中文摘要 | 石油、化工等行业中广泛使用各类直径的输送管道，它们一般是由焊接连接而成的。由于经常输送具有腐蚀性的介质，且焊接接头处残余应力较高，这使得管道接头处极易诱发应力腐蚀开裂（SCC）。很多情况下，改变焊接接头的应力状态是解决此问题有效的措施之一，具体方法分为很多种，其中最为快捷而有效的方法是温差形变法，其思想有：1）在焊缝两侧拉应力区之外的母材上，施加一个正向温度场产生温差来协调焊缝与母材的径缩变形，达到消除焊接接头残余应力的目的。2）通过焊缝处内外表面的负温差造成内表面焊缝应力的降低。这两种思想的不同点在于：前者是基于径向协调缩短的原则；后者是强迫内部焊缝表面产生塑性伸长的原则。 前人提出采用火焰加热的方式形成正向温度场而产生温差，从而达到消除管道焊接接头残余应力的目的。但结果发现，此法并不能使焊缝处双向残余拉应力都变为压应力，同时会在加热区形成过高的拉应力。另外，此法的可控性不好，不利于现场实施。 针对上述问题，本文提出了一种新的温差形成技术—感应加热处理，以弥补火焰方法的不足。本文主要利用有限元数值模拟的方法，研究了感应加热处理消除小径管焊接残余应力的工艺和机理。主要研究内容包括： 1.利用有限元分析软件MSC. Marc2005r3模拟了内径为90mm，壁厚为5mm的奥氏体不锈钢管道以及壁厚分别为3mm、5mm、 8mm、10mm的20#钢管道的焊接温度场和残余应力场。结果表明，管道温度场分布与变化符合焊接温度场的一般规律，将焊后管道残余应力的分布结果与前人实测结果进行了比较验证，发现两者规律符合的较好。 2.针对上述研究对象，进行了感应加热消除管道焊接残余应力的数值模拟。研究了一系列控制温差DT的参数（包括线圈位置、线圈间隙、加热频率、加热电流，加热时间等）对消除焊接残余应力效果的影响规律。结果表明，消除应力效果的主要控制因素是加热位置L和温差DT。线圈间隙d、频率f、电流I以及时间t是控制温差DT的参数，其中时间t的影响最显著，频率f的影响较小，加热电流I与线圈间隙d有一定影响。与火焰加热工艺相比，由于加热速度快、时间短，感应加热法消除焊接残余应力的效果更理想，加热区残余应力更小。 3.提出了感应加热处理的最佳工艺参数选取的原则：焊缝中心内表面处的残余应力在±50MPa之间，加热区内表面的最大残余应力不超过屈服强度的一半。针对该原则，给出上述研究对象的最佳工艺参数。 4.探讨了温差形变法消除管道焊接残余应力的机理。分析认为，由于加热区局部升温造成的高温膨胀，对邻近焊接区材料形成了明显的提拉作用，使得焊接区的径向收缩由于应力叠加作用，产生了一定的塑性变形而得到了缓解。 5.初步探讨了感应加热法的新工艺——对称位置先后加热法。结果显示，此法操作简单，具有一定的消除应力作用。 上述研究结果为进一步的实验验证指明了方向，对未来的工业应用具有很好的指导意义。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 112 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17252]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 林涛. 感应加热法消除小径管焊接残余应力数值模拟[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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