对焊法兰油淬过程温度场数值模拟与分析*

陈志超，张浩强，肖 鹏

(1.中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307； 2.益阳橡胶塑料机械集团，湖南 益阳 413000)

对焊法兰油淬过程温度场数值模拟与分析*

陈志超，张浩强，肖 鹏

(1.中国民用航空飞行学院 航空工程学院，四川 广汉 618307； 2.益阳橡胶塑料机械集团，湖南 益阳 413000)

ANSYS软件可以模拟对焊法兰在油淬过程中各部温度随时间的变化云图，通过建立对焊法兰有限元模型，经分析计算，可得出淬火后各部分的组织及分布，对回火时得到所需要的回火组织和消除内应力提供重要的理论依据。

对焊法兰；淬火；马氏体

0 引 言

对焊法兰是管件的一种，是指带颈的、有圆管过渡的,并与管子对焊连接的法兰。对焊法兰不易变形，密封好，应用广泛，适用于压力或温度大幅度波动的管线或高温、高压及低温的管道，也适用于输送价格昂贵、易燃、易爆介质的管路上，公称压力在PN16 MPa左右。对焊法兰需承受较大的压力，同时具有良好的塑性和韧性，在热处理中需进行调质处理，即淬火和高温回火，得到的组织为回火索氏体。对焊法兰油淬过程是加热到Ac3或Ac1温度，保温后大于临界冷却速度，冷却得到马氏体的热处理工艺[1]。

在ANSYS软件的分析中属于瞬态热分析。然而在油淬时，对焊法兰各部分在冷却时的温度有差异，导致形成的组织不同，分布不均匀，最后在零件内部产生残余应力[2]。

由于对焊法兰一般采用含碳量小于0.77%的亚共析钢，淬火后期望得到马氏体组织，因为马氏体组织能够强化钢铁材料，马氏体在高温回火时将变成多边形晶粒，回火索氏体由多边形晶粒与颗粒状渗碳体组成。亚共析钢淬火时，冷却温度和冷却时间对奥氏体转变成珠光体、贝氏体还是马氏体起着决定性的作用。研究淬火过程的温度与时间的关系，对分析淬火产物有极其重要的意义。

1 对焊法兰有限元模型的建立

对焊法兰的建模是在ANSYS中进行的，根据对焊法兰的几何及边界条件周期的对称性，对零件的1/10建立模型。首先，建立下部的部分空心圆柱，再在部分空心圆柱上挖出螺栓孔，然后建立上部的部分空心圆锥，最后将这几部分体积粘接起来，结果如图1所示。

2 对焊法兰网格划分

对焊法兰的密度为7 850 kg/m3，比热容为460 J/kg·℃，导热系数为35 W/m·K。设置单元边的长度为0.001 m，采用自由网格划分，单元类型为三维六面体单元SOLID703，划分网格后的模型如图2。

图1 对焊法兰有限元模型 图2 划分网格后的模型

3 施加载荷和求解

对焊法兰的所有表面，包括插螺栓孔表面施加对流换热载荷，换热系数为530 W/m2·K,油的温度为30 ℃，结果如图3如示。对整个模型施加油淬前的加热温度为850 ℃，求解时采用瞬态热分析，设置求解时间为5 min，设置时间子步为10，打开自动时间步长，施加温度偏移为273 ℃，如图4～6所示。

图3 施加载荷后的模型 图4 第33 s温度分布云图

图5 第47 s分度分布云图 图6 第61 s温度分布云图

4 分析得到油淬结果

从图4可看出，在第33 s时，最低温度为234.426 ℃，此时奥氏体组织还没有转变为马氏体组织，正处在将要转变为马氏体的临界温度230 ℃，根据亚共析钢奥氏体等温转变曲线图得知，此时将有一部分高温奥氏体组织转变为铁素体组织，转变区域大致在法兰与法兰颈转角处。从图5可以看出，大部份的奥氏体组织已经转变成了马氏体组织，只有少部份将转变成托氏体组织。从图6可看出，剩下的奥氏体组织已经全部转变成了马氏体组织。

5 结 论

通过建立对焊法兰的有限元模型，并对油淬时间与法兰温度的关系进行分析，了解了法兰油淬后各部份的组织分布。在轴颈，法兰内孔等处将得到淬透性较好的马氏体组织；在法兰与法兰轴颈转角处，将得到复杂的组织：铁素体+托氏体+马氏体+残留奥氏体。得到淬火后的组织分布，对回火时得到所需的回火组织和消除内应力有非常重要的作用。

[1] 聂理君，尹立孟，刘 炳，等.ANSYS在淬火过程数值模拟的应用[J].新技术新工艺，2006(5):43-44.

[2] 朱圆圆，祁文军，易 挺，等.钢件淬火过程温度场的数值模拟[J].新技术新工艺，2008(11)：97-99.

Numerical Simulation and Analysis of the Temperature Field of Welding Neck Flange′s Quenching Process

CHEN Zhi-chao1, ZHANG Hao-qiang2, XIAO Peng1

( 1.AviationEngineeringInstitute,CivilAviationFlightUniversityofChina,GuanghanSichuan618307,China;2.YiyangRubber&PlasticsMachineryGroup,YiyangHunan413000,China)

The ANSYS software can simulate the variation of temperature with time of each parts of the welding neck flange. Through the establishment of the welding neck flange′s finite element model and through calculation and analysis，the organizations of each part and its distributions can be obtained after quenching，and it provides an important theoretical basis to obtain the required tempered structure and eliminating stress.

welding neck flange；quenching；martensite

2014-03-14

陈志超(1985-)，男，四川南充人，助教，硕士，主要从事飞机结构维修方面的研究工作。

TG 156.34

A

1007-4414(2014)02-0120-01