文摘

在厚壁管道焊接实验,渗透模式(全部或部分渗透)发生影响凝固裂纹的出现是一个重要因素。解释观察到的现象和支持生产流程的进一步优化,开发了一个计算机模型,使用一个复杂的战略模型的材料。高应力区域显示在模型出现开裂在实验。在部分穿透焊接,防止焊缝收缩造成的由于寒冷和强大的物质低于联合。有另一个确定因素影响高应力本地化是焊接的膨胀。

1。介绍

替换的凿焊接过程可能有助于节省时间和材料,特别是在高壁厚需要处理和/或精度要求高;在液压装置的生产,例如,一束焊接过程是有益的(见[1,2]详情)。一个问题阻碍强烈的工业用焊接热裂纹的发生,当焊缝的厚度超过10毫米(3]。

BAM进行焊接试验,用管子的壁厚14.5毫米,相对较低的低合金制成的外直径136.6毫米的细晶粒结构钢S460NH,发现开裂紧密相连的渗透模式(全部或部分)2,4]。全熔透焊缝没有任何明显的特性,只要点焊都省略了,但在大多数焊缝凝固裂纹检测使用部分穿透。裂缝都发现在低端的焊缝横截面(从现在开始称为根)或中间的焊缝,在本地化的焊缝宽度(膨胀)的存在。

这份报告试图给一个答案为什么部分穿透焊接热裂纹更容易比全熔透焊缝和膨胀在内容中扮演的角色。一个数值模型,使用一个复杂的材料建模策略,来实现这一目标。

凝固裂纹出现的最后阶段凝固时液体在树突增长网络仍然存在。之间有一个阶段的开始和结束凝固,材料,虽然韧性,显示了脆性行为(5]。最后凝固的内容材料固化的温度,真的所有可能远低于时间点,当身体显示固体宏观行为。因此低熔点阶段,像Fe-S(等温共晶固相温度988°C (6])中扮演重要角色的内容。

重要影响因素是该地区遇到的机械条件下凝固,通过应用边界条件(7- - - - - -10)或由材料本身。特别是当焊接高强度钢材,发展中强调可以高9]。他们在热裂纹倾向的影响力地区需要密切观察。

热裂发生的原因是不确切知道6]。实验评价在温度接近固相温度是很困难的,因此“推测经常取代实验证明”11]。常见的belif是热开裂是当菌株引起的糊状区(5,12,13)或宏观向外运动的边缘14,15超过一个材料相关的阈值。其他有关裂纹成核的压降的间隔(16- - - - - -18]。Shibahara和同事(19- - - - - -23)成功地利用结构断裂力学的方法,包括评估的粘结应力裂纹萌生和发展的目的。的三轴应力状态的影响很难考虑的讨论。但它已经说宝蓝和年轻24]在1960年三轴可能导致脆弱的高应力区,即使它是相当软。

当试图理解机械和热边界条件的影响,在焊接热裂纹,内部的机械反应脆弱区感兴趣的。因此,必须采取密切关注在选择材料属性,特别是1000°C以上,包括固相转变和液体。最后一点的目的不是来模拟交通现象,而是为了生产,至少在定性方面合理的机械的回答。

钢铁融化的液体牛顿类型(25粘度与水)。因此,有三个主要的功能建模。第一个是一个非常低的抵抗变形。第二个是一个相当大的抵抗压缩和扩张。当融化和凝固的材料是必要的评估,第三功能模型是一个严厉的粘度下降在融化和凝固过程中粘度的强劲增长。

2。有限元模型

2.1。边界条件

采用旋转对称模型允许使用细网格的一个可行的计算时间。因此,计算域是一个焊缝的横截面。两个模型被建立起来。一个模型代表了部分熔透焊缝;另一个模拟全熔透。两种模式使用相同的网格由抛物线的四边形,0.11毫米的最大边缘大小对称焊线。多余的填充材料完整的渗透模型被删除的部分穿透。全熔透的根模型构成了畸形的焊缝金属。

接触元素连接到节点的对称线允许撤退节点从对称行但禁止其渗透。节点上面加热固相被绑定到对称加入过程模拟。的管联合很远,春天的元素代表了周围建筑的刚度。

焊接热输入使用四个双椭球形功率密度分布。热传输跨自由边界被忽视由于高的体积和表面管的关系。夹紧侧的对流边界条件模型的代表它的散热器。

填充材料被带进模型使用一种死/活技术。恢复,当电弧中心交叉计算平面。

2.2。材料模型

材料实验的低合金的高强度细晶粒钢S460NH。它有一个弹性极限的MPa和抗拉强度的MPa。而热物理的应用材料模型的一部分是非常直接的,模型的热机械的部分可以显示顺序Hooke-Kelvin-Prandtl模型(图1)。一个限制是,图片只适用于一维的测试,没有革命力的方向。所有三个部分都按顺序排列,它总是最柔软部分的应力/应变状态定义整个模式。胡克的部分,左边图1活跃的小株,独立于温度。普朗特的部分代表了塑料材料模型和活跃的一部分温度低于900°C。开尔文模型,象征着由阻尼器平行于春天,代表粘塑性的部分,活动仅供温度> 900°C。

2.2.1。材料特性的起源

热物理的材料属性对整个温度范围内,温度高达900°C的热机的材料属性被从SYSWELD材料数据库(26和也发表在27]。来源为固体材料特性相铁素体,奥氏体和马氏体。他们的价值观最初旨在模拟S355J2G3。但尽管名义屈服强度的差异超过100 MPa,铁氧体曲线在20°C安装几乎完全管材料的内部测量曲线。热物理的和线性的机械属性对低合金钢窄频带内无论如何(28,29日]。出于这个原因,铁氧体属性从源被作为基材值。作者提供的热应变数据的30.),最初以S690QL使用加热和冷却率典型束焊接。额外的热压力在融化和凝固也包括在内。

2.2.2。固态相变

束焊接过程建模,冷却率很高,由此产生两度随时可以1 s [10]。因此,所有焊接和热影响材料考虑变换马氏体(30.]。在这种情况下,一个简单的相变模型是适用的。上面的材料加热的所有元素交换时他们开始降温材料,利用马氏体材料属性(- - - - - -曲线,,,,,)低于马氏体完成()温度和奥氏体属性。材料到模型的进一步增强,第三个是包括分配给元素之间的峰值温度和。它是由50%的基材和马氏体属性如下和50%的基材和奥氏体属性。

2.2.3。高温区域

(奥氏体)- - - - - -从900°C曲线是保留温度以上。开尔文模型图1象征着粘塑性的应变硬化模型拟合,科兹洛夫斯基等。31日从雷)测量32)和铃木et al。33在低合金钢材): 常数来给出了在表1。,,,必须从[31日),并在提出的评估模型0.2 wt. - %的内容。温度低于900°C的值在20°C到3.5线性增加其价值在900°C。这使得两个模型的平稳过渡。

2.2.4。熔融状态

从固相到液相线温度,温度的材料变成了牛顿流体;即强调基于偏载荷仅依赖于应变率,和应力与应变率曲线穿过原点。同时,粘度下降好几个数量级,扭曲只能满足小电阻。与粘度、固液的体积弹性模量仍然几乎不变的过渡(34),材料电阻率对静水载荷。当设置为零,设置为1,开尔文模型崩溃麦克斯韦模型(25,35,36)(一个弹簧阻尼器系列): 该模型可以用来模拟一个牛顿流体,粘度 由一个强大的减少粘度对温度的依赖关系消失,只是所控制。在试图调整,,,值如上解释,同时保持融合解决方案,参数表1测定。

2.3。热物理的模型部分的质量

热物理部分的数字模型是负荷形变场模型,所以它的质量对技工的结果是至关重要的。图2比较了计算局部侵彻模型中的温度场与实验获得的值。

左边的图2(一个),比较最大的1500°C等温实验截面。在图2 (b),气温在距离3.1毫米外径形成对称线与实验温度测量使用热电偶类型K (Ni-CrNi)在一段距离外直径3.4毫米的对称线。横截面区域之间的差异为0.37%,峰值温度的差异分别为1.99%,1.05%,1.05%,全球最大和较小的局部最大值和最小值,分别。

图3显示了完整的联合渗透平等的价值观。不同的横截面区域2.6%;峰值温度和温度的温度场聚集一次10年代差异实验值的1.8%和5.6%,分别。

两个横截面显示膨胀约−7毫米左右。

2.4。机械复制的熔融状态

图4显示温度和诉米塞斯应力在中间的一个点焊接局部侵彻模型。诉米塞斯应力显示下降的固相温度达到时,通过液相线温度在冷却后强劲增长。在熔融阶段(即。),压力约为零。

3所示。结果

部分穿透模型10 ms的横向应力后激光通过计算表面显示在图中5(一个)。能找到两个极大值,表示抗拉应力,在横截面。一个是位于膨胀区域,另一个在焊缝的根源。这与空间,在实验中也发现裂缝。该地区强有力的抗压应力明显低于焊接。

很明显,较低的拉伸最大压应力和高水平低于全熔透焊缝失踪的模型(图5 (b))。但是最大膨胀地区保留,不过,在一个较低的振幅。

图6显示冷却中应力的演变模型。各自的评估点的值被显示在图5。他们的方向是关于焊接方向。

的水平应力计算本身是惊人的。他们轻松地超过了100 MPa,甚至纵向压力达到200 MPa。可见,最高压力是压力的部分穿透模式的根源。他们压力膨胀地区紧随其后。尽管很短序列在垂直方向大约1250°C,强调发现最低的全熔透的膨胀区域模型。膨胀的压力水平的区域在低温下两个模型各不相同,但他们同样的大小。

4所示。解释

由于三轴应力状态,应力可以高脆弱区,虽然材料是柔软的。由于静水应力张量的一部分是弹性,高水平的压力存在,不需要高的菌株。焊接的高压力的存在是与编译相关的宝蓝和年轻24和Shibahara等人的作品。19- - - - - -23]。

压力的影响可以见如下。如果困在融化的越来越多的树状网络,它将受到负面压力,因此可能出现空泡现象。除了液体,产生的气体几乎不能维持任何压力和未能支持树突,变得更容易应用负载。

寒冷的和强大的材料在焊接部分穿透作品像一个当地限制和阻碍焊缝收缩,导致根侧压力增加。如果确实压力导致裂纹出现,这是观察到的效应的根本原因,部分穿透焊接更容易比全熔透的凝固裂纹。这个结果对应于由一个考试等。9]。

膨胀地区特殊的熔池有当地最大的宽度和本地区凝固后的部分焊缝上方和下方。焊接热裂纹是经常发现在这个区。两种模型显示的最大拉伸应力。这是一个强烈的迹象表明热裂缝与膨胀的相关性并不是巧合。造成的压力只是材料的温度场之间的相互作用。材料焊接凝固时,紧张造成的热压力凝固期间松了一口气,只要连接到融化。但当膨胀区域凝固,周围的材料已经在固态和整个的热应变增加了压力。

压力膨胀地区较高的部分穿透模型,尽管膨胀区域和全熔透焊缝的高度模型更大。这是最有可能的原因还发现在寒冷的材料低于焊接。下面的材料焊接阻碍收缩,所以焊接材料是更广泛的比没有额外的边界条件(因此拉应力)。因此,拉伸应力恶化在大型焊接的一部分。此外,寒冷的材料的刚度大于热焊接材料由于温度。

5。结论和展望

两个模型,代表局部和全熔透laser-GMA-hybrid在厚壁管焊接实验,是建立评估焊接材料的机械反应温度硬化裂纹发生的地方。原因是理解为什么部分穿透焊接热裂纹更容易比全熔透,在实验。复杂的材料建模策略开发,使用粘塑性的模型在高温区域和固态相变。崩溃的粘塑性的材料模型的一部分为麦克斯韦模型在融化,融化是建模作为一个粘性牛顿流体机械。

结果显示高应力区域,凝固裂纹被发现在实验中,高水平的部分穿透模型。这些压力可能由于三轴应力状态。根的部分穿透模型,他们由阻抗引起的焊缝收缩由于寒冷和强烈的材料在焊接。膨胀应力最大的区域,发现在这两个模型,是由单一的冷却部分穿透焊接的焊缝和可能加剧由于冷材料低于焊接。

需要进一步关注澄清之间的联系部分穿透和膨胀的压力最大的地区。其他实验的结果,例如,激光功率的影响和送丝速度热开裂,必须分析在未来的时期。