基于HyperMesh的球阀袖管焊接温度场分析

某抗硫球阀为对焊端结构，需要焊接袖管。焊接过程产生的高温会造成热影响区域，尤其接头区域产生变形及残余应力，同时O型密封圈处的温度也是焊接生产比较关心的问题。因此，为弄清袖管焊接过程中温度场规律，给实际焊接生产提供理论性指导，有必要对袖管焊接问题进行数值模拟。

该抗硫球阀在设计过程中，考虑到焊接过程中复杂热传导对结构的影响，适当增加了袖管长度，降低焊接袖管时对阀门本体材料及阀门内件产生的影响。为了科学验证焊缝I和焊缝Ⅱ的热影响区域及袖管设计长度的合理性，根据焊接试验数据，通过有限元前处理软件HyperMesh建立有限元模型，利用某求解器计算抗硫球阀袖管的焊接温度场，为定量评价焊接温度对阀门及袖管本身的影响提供科学依据。

1 问题描述

如图1为抗硫球阀阀盖和袖管焊接示意图，阀盖与袖管、袖管与袖管通过焊接方式连接起来，如图中焊缝Ⅰ和焊缝Ⅱ，当设计的阀盖进出口段与袖管过短，完全在焊接热影响区域时，会影响阀门密封性能以及力学性能。因此，需要解决以下问题：

1、当焊接焊缝Ⅰ时：

A、阀盖和袖管焊接时，计算O型圈密封面处的温度？控制目标：≤200℃。

B、焊接热影响区（温度≥200℃的区域），当温度降到200℃时，此位置距离焊缝中心的距离是多少？目标：计算焊接热影响区域范围。

2、当焊接焊缝Ⅱ时：

焊接热影响区（温度≥200℃的区域），当温度降到200℃时，此位置距离焊缝中心的距离是多少？目标：计算焊接热影响区域范围。

2焊接温度场计算模型

焊接是一个涉及电弧物理、传热介质、冶金和力学的复杂过程，在传热过程中，从局部快速加热到高温，并随后快速冷却，伴随着金属熔化和凝固、加热或冷却过程的相变、焊接应力与变形的产生等。随着热源的移动，整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变时的潜热现象。

实际焊接热过程异常复杂，其模拟计算不可能考虑到所有的实际焊接条件。由于本计算旨在考察焊接时热传导对阀盖及袖管的影响，因此为了计算保守，同时控制计算成本，提高效率，在建模计算时做适当的简化假设。

● 不考虑焊缝内部的变化，即对温度在熔化温度以上的熔化金属部分仍然看作固态，所以其热控制方程采用热传导微分方程。

● 假定材料是各向同性，导热系数不随温度变化，不考虑材料的热物理性能对温度的依赖性。

● 根据实际焊接工艺以及考虑结果保守性，使用高斯面热源模型模拟对工件的加热作用。

● 根据学者研究结论和工程经验，由于在焊接热源移动过程中，热源位置的温度场分布形状基本保持不变，具有一定的准稳态分分析的特征。因此，本计算采用稳态热分析方法。

2.1 热源模型以及过程模拟

根据实际焊接工艺，摒弃复杂的热源模型，如半球状高斯体热源、双椭球功率密度分布热源、高斯柱体热源、旋转体热源等模型，而选取高斯面热源模型，如下式：

由于本计算不涉及结构应力与变形计算，仅考虑温度场分布，故采用稳态分析。

2.2 有限元模型

本计算以20”抗硫球阀为研究对象，由于结构的对称性，取模型的1/4进行建模。在HyperMesh中划分网格，单元总数为211815，节点总数为418934。阀盖、袖管与焊缝通过MPC方法建立连接关系。划分单元时考虑到焊接热源附近温度梯度大，在焊缝及附近采用细分的网格，而在远离热源处采用较大的网格，以保证计算精度和提高计算速度。有限元网格如图2所示。

温度边界条件包括接触传导、对流和辐射三种类型，用以反映焊件与周围环境，以及焊件与工件之间的热量传输关系。对于对流和辐射边界条件，利用总换热系数来处理，关系式为：

式中H为换热系数；Tw为工件温度；Tc为环境温度。

当温度达到200℃（此温度下钢开始丧失弹性）之处距离焊接热源焊缝轴线的距离，确定焊接热影响的区域范围，焊接袖管采用的焊接工艺参数按照WPS，电流,电压U=26V，电弧移动速度V=6mm/s，袖管厚度T=16mm，热利用有效系数为η=0.75。电弧焊的有效功为

3计算结果

计算模型采用单点高斯热源模型进行稳态热分析，图3为点焊焊缝Ⅰ时整体的温度场计算结果分布云图，最高温度区域均位于焊缝生热单元处，且温度随离焊缝中心距离的增加而逐渐降低，温度最高达1190℃。图4为阀盖的温度场分布云图，阀盖最高温度为630℃，最低温度为110℃，热源以圆周方式向周围扩散，图中灰色区域为热影响区域（超出200℃范围），O型圈密封面的温度为144℃，在控制目标范围内。

图5 点焊焊缝Ⅰ时热影响区距离示意图。点焊焊缝Ⅰ时，热源以圆周方式向周围扩散，温度逐渐降低，当温度降到200℃时，阀盖端距离焊缝的距离为60mm，袖管端距离焊缝的距离为83mm。

图6为点焊焊缝Ⅱ时的温度场计算结果分布云图，最高温度区域均位于焊缝生热单元处，温度最高达1400℃，且温度随离焊缝中心距离的增加而逐渐降低，图中灰色区域为热影响区域（超出200℃范围），袖管两端距离焊缝的距离为144mm(对称)。

4 结果分析

本计算采用单点高斯热源模型进行稳态热模拟，可以较好地模拟出热源在不同位置处的温度场分布，并得出距焊缝不同位置的温度值。比较实际焊接和热处理过程，数值模拟忽略了部分影响因素，因此模拟结果与真实结果会存在一定的差异，但与实际焊接温度场的分布基本一致。

与采用移动高斯面体混合热源模型的非线性瞬态模拟相比较，在温度场分布趋势上是一致的。由于稳态热模拟，不考虑金属相变的冷却过程，因此在焊缝和热影响区的轴向温度值会更大一些，结果更保守，这样对于仅判断热影响区域是合理的。

5 结论

利用Altair公司的HyperMesh有限元前处理软件建立焊接温度场有限元模型，采用单点高斯热源模型进行稳态热分析，计算结果与实际焊接温度场的分布基本一致，且结果保守，可较好的评价焊接过程对阀门本体及附件产生的影响。

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