球阀阀体焊接及振动焊接下其应力、变形研究

摘要

在全焊接球阀生产中，有三个基本难点，即(1)控制焊接变形，使焊前组装好的阀球焊后能开、闭自如；(2)控制焊接温度场，使受热极限为150℃的密封橡胶O形环不因焊接而失效；(3)焊后不能采用整体热处理或整体加热消除应力处理。所以焊接过程中必须严格控制焊接温度场以保证橡胶密封圈的正常使用，同时为了阀芯能自由转动必须严格控制焊接过程中产生的应力和变形。 为了有效解决球阀焊接生产过程中出现的难点问题，本文在对整套试验装置进行优化设计(包括改进了常规的振动焊接设备，设计了温度、位移和电弧电压电流的测量系统)的基础上，进行了阀体焊接的工艺试验即等厚度平板对接试验。测试了焊接温度分布、残余应力和变形的大小，同时通过有限元数值模拟了平板对接试验，并比较了模拟结果和试验结果。试验发现橡胶密封圈所在位置的最高温度低于20℃，满足现实阀门生产中对橡胶密封圈的温度不能高于150℃的要求，即在没有特殊散热的条件下依然满足温度场对橡胶密封圈的要求。特定点温度、残余应力、横向收缩变形和试样角变形测试结果和有限元计算结果吻合，说明该有限元计算模型能够有效地模拟厚板窄间隙双丝埋弧自动焊的温度分布、残余应力分布和焊接变形大小。采用数值模拟的方法分析了不同工艺条件下焊缝根部的残余应力分布，提出了无焊后热时效条件下优质焊缝工艺，即：采用角接接头、H08MnA焊丝在小规范下进行焊接，并此基础上应用有限元方法预测了阀体焊接的温度场、残余应力和焊接变形的大小。 应用振动焊接改善球阀焊接接头性能是本课题关注的重点。本文基于振动焊接在非阀体结构(HT-7U超导托卡马克核聚变试验装置焊接构件和宝钢高炉用钢电渣焊)中的成功应用，进行了阀门用钢A105振动焊接技术的全面研究。首先研究了振动与接头的金相组织、残余应力及内耗、储能模量的关系，找出了最佳振动加速度0.6g；然后将振动焊接应用在阀体焊接的工艺试验中，在0.6g加速度下试样表面的横向残余应力和纵向残余应力大小均显著下降，下降幅度达到50﹪左右。同时，振动后试样的横向收缩变形、纵向收缩变形和角变形均明显减小，其中横向收缩变形大约只有未振动时候的一半大小，角变形的下降率达到81﹪。 在振动焊接试验的基础上，总结了振动焊接改善焊接接头性能的机理。在焊缝金属凝固过程中，微观上振动可以增大形核率N和减小晶体的生长速率G，宏观上振动所产生的能量可使熔池中成长的晶粒破碎，两种情况下均细化了晶粒。焊后冷却过程中，由于温度较高，再加上振动，原子热运动和扩散加剧，不断产生位错增殖和缠结，使晶体得以强化，从而提高了构件抗变形能力和尺寸稳定性。同时在高温的时候屈服强度较低，所以在包辛格效应下外加应力可以在较小的情况即可达到降低残余应力的目的。 到目前为止，国内外还没有关于振动焊接有限元计算的相关资料。为考察振动焊接对焊接构件动态响应和内部应力分布的影响，本文在相关焊接应力计算的基础上，对振动焊接过程进行了数值模拟计算。本文首先模拟了激振器对焊接试样的动态响应，包括焊接试板的模态分析和谐响应分析；基于假定振动焊接软化高温焊缝材料，数值模拟了屈服强度降低情况下的焊接残余应力，然后模拟了焊接完成后施加交变载荷情况下的残余应力分布，最后综合上面两种情况来模拟完整的振动焊接过程，计算结果表明振动焊接可以降低焊接残余应力。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：上海交通大学学位论文答辩决议书

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第一章绪论

第二章试验设计和试验系统的建立

第三章球阀阀体焊接工艺试验及有限元模拟

3.1引言

3.2厚板窄间隙多道埋弧焊温度、残余应力和变形分布

3.3无焊后热时效条件下的焊接工艺优化

3.4阀体焊接的有限元计算分析

3.5本章小结

参考文献

第四章 振动焊接在非阀门用钢中的应用研究

第五章振动焊接在阀体焊接中的应用研究

5.1引言

5.2振动对阀门用钢焊接接头性能的影响

5.3振动焊接在阀门焊接工艺试验中的应用研究

5.4振动焊接改善焊接接头性能的机理

5.5阀体振动焊接应用方案

5.6本章小结

参考文献

第六章基于数值模拟的振动焊接研究

6.1引言

6.2基于动力学的振动焊接研究

6.3基于静力学的振动焊接研究

6.4本章小结

参考文献

第七章结论

本文的主要创新点

附A焊接材料的化学成分和机械性能

附B盲孔法残余应力测量

攻读博士学位期间发表论文和参加科研情况说明

致 谢