陈天敏
苏州纽威阀门股份有限公司  苏州  215129

摘要：基于Altair公司的HyperMesh有限元前处理软件，建立某抗硫球阀袖管焊接温度场计算有限元模型，计算抗硫球阀袖管焊接时的温度场分布，科学定量地评价焊接温度对阀门及袖管本身的影响，验证袖管设计长度的合理性。

0概述
　　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：

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式中Ｈ为换热系数；为工件温度；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，电弧移动速度，袖管厚度T=16mm，热利用有效系数为。电弧焊的有效功为。

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。

6参考文献
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Temperature field analysis of the welding temperature field in sleeve pipe of ball valve based on HyperMesh
Chen Tianmin

Abstract: Based on the finite element pre-processing software HyperMesh, the finite element  model of sleeve pipe of sulfide resistant ball valve was established to calculate welding temperature distribute The analysis results can scientifically be evaluated the effect on valve and sleeve pipe in welding process, and accordingly verified the design of sleeve pipe in reason.
Key words: HyperMesh; ball valve  welding  temperature field