球閥閥體焊接及振動焊接下其應(yīng)力、變形研究.pdf

1、在全焊接球閥生產(chǎn)中，有三個基本難點，即(1)控制焊接變形，使焊前組裝好的閥球焊后能開、閉自如；(2)控制焊接溫度場，使受熱極限為150℃的密封橡膠O形環(huán)不因焊接而失效；(3)焊后不能采用整體熱處理或整體加熱消除應(yīng)力處理。所以焊接過程中必須嚴格控制焊接溫度場以保證橡膠密封圈的正常使用，同時為了閥芯能自由轉(zhuǎn)動必須嚴格控制焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。 為了有效解決球閥焊接生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的難點問題，本文在對整套試驗裝置進行優(yōu)化設(shè)計(包括

2、改進了常規(guī)的振動焊接設(shè)備，設(shè)計了溫度、位移和電弧電壓電流的測量系統(tǒng))的基礎(chǔ)上，進行了閥體焊接的工藝試驗即等厚度平板對接試驗。測試了焊接溫度分布、殘余應(yīng)力和變形的大小，同時通過有限元數(shù)值模擬了平板對接試驗，并比較了模擬結(jié)果和試驗結(jié)果。試驗發(fā)現(xiàn)橡膠密封圈所在位置的最高溫度低于20℃，滿足現(xiàn)實閥門生產(chǎn)中對橡膠密封圈的溫度不能高于150℃的要求，即在沒有特殊散熱的條件下依然滿足溫度場對橡膠密封圈的要求。特定點溫度、殘余應(yīng)力、橫向收縮變形和試樣角

3、變形測試結(jié)果和有限元計算結(jié)果吻合，說明該有限元計算模型能夠有效地模擬厚板窄間隙雙絲埋弧自動焊的溫度分布、殘余應(yīng)力分布和焊接變形大小。采用數(shù)值模擬的方法分析了不同工藝條件下焊縫根部的殘余應(yīng)力分布，提出了無焊后熱時效條件下優(yōu)質(zhì)焊縫工藝，即：采用角接接頭、H08MnA焊絲在小規(guī)范下進行焊接，并此基礎(chǔ)上應(yīng)用有限元方法預(yù)測了閥體焊接的溫度場、殘余應(yīng)力和焊接變形的大小。 應(yīng)用振動焊接改善球閥焊接接頭性能是本課題關(guān)注的重點。本文基于振動焊接在

4、非閥體結(jié)構(gòu)(HT-7U超導(dǎo)托卡馬克核聚變試驗裝置焊接構(gòu)件和寶鋼高爐用鋼電渣焊)中的成功應(yīng)用，進行了閥門用鋼A105振動焊接技術(shù)的全面研究。首先研究了振動與接頭的金相組織、殘余應(yīng)力及內(nèi)耗、儲能模量的關(guān)系，找出了最佳振動加速度0.6g；然后將振動焊接應(yīng)用在閥體焊接的工藝試驗中，在0.6g加速度下試樣表面的橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力大小均顯著下降，下降幅度達到50﹪左右。同時，振動后試樣的橫向收縮變形、縱向收縮變形和角變形均明顯減小，其中橫向

5、收縮變形大約只有未振動時候的一半大小，角變形的下降率達到81﹪。 在振動焊接試驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)了振動焊接改善焊接接頭性能的機理。在焊縫金屬凝固過程中，微觀上振動可以增大形核率N和減小晶體的生長速率G，宏觀上振動所產(chǎn)生的能量可使熔池中成長的晶粒破碎，兩種情況下均細化了晶粒。焊后冷卻過程中，由于溫度較高，再加上振動，原子熱運動和擴散加劇，不斷產(chǎn)生位錯增殖和纏結(jié)，使晶體得以強化，從而提高了構(gòu)件抗變形能力和尺寸穩(wěn)定性。同時在高溫的時候屈

6、服強度較低，所以在包辛格效應(yīng)下外加應(yīng)力可以在較小的情況即可達到降低殘余應(yīng)力的目的。 到目前為止，國內(nèi)外還沒有關(guān)于振動焊接有限元計算的相關(guān)資料。為考察振動焊接對焊接構(gòu)件動態(tài)響應(yīng)和內(nèi)部應(yīng)力分布的影響，本文在相關(guān)焊接應(yīng)力計算的基礎(chǔ)上，對振動焊接過程進行了數(shù)值模擬計算。本文首先模擬了激振器對焊接試樣的動態(tài)響應(yīng)，包括焊接試板的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析；基于假定振動焊接軟化高溫焊縫材料，數(shù)值模擬了屈服強度降低情況下的焊接殘余應(yīng)力，然后模擬了焊接