Monel－400合金环焊温度场和残余应力场的数值模拟

刘轶暄，李慧琴，麻永林，邢淑清

(内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010)

Monel－400合金环焊温度场和残余应力场的数值模拟

刘轶暄，李慧琴，麻永林，邢淑清

(内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010)

采用ANSYS大型通用有限元分析软件，利用APDL语言模拟计算了Monel－400合金环焊温度场。绘制出焊缝熔合线及其附近的热循环曲线，将热分析得到的节点温度作为体载荷进行应力场的数值模拟计算。结果表明：外表面节点x方向的应力刚开始时为拉应力，12 s后转变为压应力，而中间节点和内表面节点x方向的应力始终为压应力，并大于外表面的应力值；外表面节点在y方向的应力为175 MPa，该应力值是屈服强度的76%，中间节点和内表面节点的最高应力为拉应力，z方向的应力分布规律与x方向的应力分布基本相同。

Monel－400合金；温度场；应力场，数值模拟

0 前言

Monel－400是Ni－Cu固溶体的单相奥氏体合金，在中高温的强酸、强碱中具有良好的耐腐蚀性，使其在一些化工和核工业设备制造中占有重要的位置[1]。Monel－400合金焊接性较好，其焊接结构在国外一些国家早已广泛采用。我国近年来也在开发Monel系列合金及其在特殊化工设备中的应用。由于Mone－400合金的热物理性能与普通钢材有较大的差异，在焊接现场中容易出现一些焊接缺陷[2]，其中焊接残余应力的大小直接影响焊接质量的好坏。

为了能够较好地预测焊接残余应力，在此利用ANSYS有限元软件对Monel－400合金圆筒环焊缝进行了数值模拟计算。先是计算温度场，然后将温度场作为应力场计算的初始条件进行焊接残余应力的计算，这为研究实际的焊接残余应力提供了参考依据。

1 有限元模型的建立

圆筒为Monel－400合金，热物理参数如表1所示。实体模型尺寸：外半径50 mm，内半径40 mm，壁厚10 mm，筒高100 mm。在坡口底部进行打底焊，焊接道次为三道，焊接速度 6.89 mm/s。

表1 Monel－400的热物理性能

为了节省计算时间，取圆筒1/4，并且将实体模型分成三个区：焊缝区、过渡区和母材区，其中母材区距离焊缝较远，并对母材区线性化处理，即远离焊缝的母材区的热物理参数为常数，不随温度变化而变化，只有焊缝区和过度区在焊接过程中的温度较高，热物理参数变化较大[3]。

为了计算精确，划分网格时焊缝区和过渡区细密(网格尺寸约1.76 mm)，母材区相对稀疏，采用八节点六面体的单元类型，使用映射方法。整个模型的单元数为21852个，节点数为25839。有限元网格模型如图1所示。

图1 有限元网格模型

2 理论基础

焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。因此焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。非线性瞬态热传导问题的控制方程为

式中 c为材料比热容；ρ 为材料密度；λ为导热系数；T为温度场分布函数；为内热源强度；t为传热时间。这些参数中λ，ρ，c都随温度变化[4]。

对Monel－400合金管道结构，选用的弹塑性应力应变本构关系为：材料的屈服服从Von－Mises屈服准则，塑性区符合流变法则，并假设各向同性硬化，应力应变在微小的时间增量内呈线性变化[5]。

焊接应力应变计算以热传导分析为基础，同时考虑焊接区域组织转变时应力应变场带来的影响。材料属于弹性或塑性状态的应力应变关系为

式中 [D]为弹性或弹塑性矩阵；｛C｝为与温度有关的向量。

3 加载计算

在模拟计算过程中，采用完全的牛顿—拉夫森法进行瞬态热分析。设置母材区的初始温度为25℃，整个模型的外表面施加对流边界条件，由于本研究焊后圆筒处于自然冷却状态，对流换热系数取为9 W/(m2·℃)[4]。

热源的移动依靠分布循环加载来实现[5]。本研究热源的移动是通过ANSYS的APDL语言的循环语句*DO－*ENDDO来实现。利用生死单元来模拟焊缝金属的填[6]。

4 计算结果和分析

4.1 温度场结果分析

在整个模拟计算过程中，焊接一道次时间为12 s，然后冷却10 s。图2为第三道次焊接完成时的整个焊件的温度分布云图，此时热源温度最高为789.256℃，最低温度 46.946℃。图3为焊接完成冷却10 s后的温度分布云图，此时焊件最高温度为336.241℃，等温线范围扩大。图4为冷却大约9 min后整个焊件的温度分布云图，温度分布呈椭圆形，焊接接头的最高温度为137.226℃，最低温度为134.233℃，且分布在筒的两端。

在1/4圆筒的中间截面选取处的一个面，在该截面上取五个位置，其中位置3在焊缝熔合线上，位置2和位置4位于位置3两侧1.7 mm处，位置1和位置5位于位置3两侧3mm处。其热循环曲线如图5所示。

图2 56 s时的温度场

图3 66 s时的温度场

图4 566 s时的温度场

由图5可知，刚开始时，五个位置的温度相同都为环境温度25℃。6s时，位置1、位置2、位置3的温度急速上升，达到最高为焊接温度1 600℃，然后开始急速下降，但下降速度较上升速度慢，而位置4的最高温度达到490℃，位置5的温度仅仅达到150℃。直到28 s时，五个位置的温度趋于相同，为120℃。第二道次时只有位置3的温度最高达到焊接温度1 600℃，第三道次时最高温度为590℃，然后趋于一致。

图5 同一个表面圆周上的热循环曲线

4.2 应力场结果分析

在圆筒的中间截面选取一个面，在熔合线的外侧选三个节点，节点10032圆筒的外表面，节点12814位于内部，节点10653位于圆筒内部，节点分布如图6所示。

图6 节点分布

图7 为三个节点x方向的应力分布图。0～12s随着热源逐渐接近节点，x方向的应力逐渐增大，都表现为拉应力，从12 s时拉应力急速下降，三个节点由拉应力转变为压应力，外表面压应力最小为32 MPa，内表面压应力最大为70 MPa，第一道次焊接完成后开始冷却，压应力逐渐变小，外表面节点压应力减少缓慢，内表面节点压应力降低较快。28 s时外表面节点x方向应力由压应力转变为拉应力，中间节点应力表现不明显，内表面节点x方向应力先增大后降低。34 s时，三节点应力同时增加，表现为压应力，外表面压应力最小为65 MPa，内表面节点最大为110 MPa，中间节点为100 MPa。冷却过程中，三节点的x方向应力都减小。50s时，三个节点应力变化和第二道次的应力变化相似。56s时焊接完成开始冷却，三节点都表现为压应力。最终该截面处外表面节点应力为拉应力，中间节点和内表面节点均为压应力，其中内表面节点压应力最大为50 MPa。

图7 x方向瞬时应力分布

y方向瞬时应力分布如图8所示。由图8可见，在焊接第一道次时，内表面节点y方向瞬时应力即径向瞬时应力表现为拉应力，内表面节点表现为压应力，中间节点变化范围较小，开始时为拉应力，然后变为压应力，并逐渐变小，直到28 s时转变为拉应力，开始冷却时，又表现为压应力，一直到焊接完成。外表面节点的y方向瞬时应力表现为压应力，28 s时急速增加，增加到最大为175 MPa；到34 s时(第二道次焊接完成开始冷却时)压应力急速降低，转变为拉应力达到90 MPa后开始变小。焊接完成后开始冷却，在该过程中应力表现不大。内表面节点表现为压应力，且变化不大，直到焊接完成开始冷却时，由拉应力转变为压应力。外表面和中间节点应力很小。

图8 y方向瞬时应力分布

图9 z方向瞬时应力分布

z方向瞬时应力分布如图9所示。由图9可见，z方向的瞬时应力分布和x方向的应力分布规律完全一致，但大小不同，z方向的瞬时应力最大为内表面节点，表现为压应力，大小为120MPa。中间节点也为压应力最大值为105 MPa；而外表面节点变化不大，刚开始表现出较小的拉应力，第一道次焊接完成开始冷却后，转变为压应力，最大值为60 MPa。在第三道次焊接完成开始冷却时内表面节点和中间节点压应力几乎相等为55 MPa，并逐渐减小，外表面节点压应力为20 MPa并逐渐减小。

5 结论

(1)靠近焊缝处的节点温度梯度最大，热影响区次之，母材区的温度梯度最小。

(2)利用单元生死技术可以有效的模拟焊缝的形成过程和焊接热载荷的输入。

(3)外表面节点x方向的应力刚开始时为拉应力，然后又转变为压应力，而中间节点和内表面节点x方向的应力始终为压应力，并大于外表面的应力值。y方向的应力在外表面变化最大，最大可以达到175 MPa。z方向的应力分布规律和x方向的应力分布基本相同。

[1]王贵生.蒙乃尔合金的焊接[J].焊管，2000，23(4)：32－34.

[2]武广昭.蒙乃尔合金管件的焊接[J].热加工工艺，2007，36(19)：89－91.

[3]董巷海，刘建华，杜汉斌，等.激光薄板拼焊过程温度场和应力应变场的数值模拟[J].电焊机，2004，34(9)：21－24.

[3]张文钺.焊接传热学[M].北京：机械工业出版社，1987：4－7.

[4]陈家权，沈炜良，尹志新，等.基于单元生死的焊接温度场模拟计算[J].热加工工艺，2005(7)：64－65.

[5]胡红军，杨明波，张丁非.ANSYS10.0材料工程有限元分析实例教程[M].北京：电子工业出版社，2008：147－149.

[6]龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编[M].北京：机械工业出版社，2004：128－128.

Numerical simulation of monel400 alloy welding temperature field and residual stress field

LIU Yi-xuan，LI Hui-qin，MA Yong-lin，XING Shu-qing
(School of Material and Metallurgy，Inner Mongolia University of Science ＆ Technology，Baotou 014010，China)

The article analyses Monel－400 alloy cylinder circle weld temperature field and residual stress field by finite element，using ANSYS finite element analyse of large-scale general-purpse software，and draw the thermal cycling curves of the weld fusion line and near location.Then the temperature of node in thermal analysis as the result load on the body of the numerical simulation calculation of stress results show that：The stress of the surface direction node of x beginning to tensile stress，then transform for the compressive stress,but the nodes of the intermediate and the inside surface in x direction is always compressive stress，And the stress value more than appearance；The stress in the node of the surface is the largest in the y direction is 175 MPa，it is 76%on the yield strength，the highest tensile stress of intermediate nodes and the inside surface nodes，The distribution of the stress in z direction and x direction are the same.

Monel－400 alloy；temperature field；residual stress field；numerical simulation

TG457.19

A

1001－2303(2011)03－0075－04

2010－11－09

刘轶暄(1982—)，男，内蒙古人乌兰察布市人，硕士，主要从事焊接的数值模拟工作。