焊接技术实现大口径弯管的成形工艺研究

摘要

大口径弯管（big diameter bent pipes）是指管径在508mm，壁厚8mm以上的弯曲管件。大口径弯管作为管道系统的重要构件，广泛应用于工程机械、动力机械、以及锅炉、石油化工、航空航天、管道工程等各种压力容器中。目前国内外管道弯制技术主要是弯曲，按弯曲过程中加热与否可分为冷弯和热弯。弯曲的工艺过程是一个复杂的弹性、塑性变形过程。这样在弯制过程中容易导致外管壁出现裂纹，内管壁起皱，横截面畸变等，从而造成严重的事故。鉴于此，本文通过对焊来实现大口径弯管成形，也即首先根据使用要求进行板材弯曲成形，然后针对两部分弯曲件，选择合适的焊接工艺及焊接参数进行对焊成形。进一步对大口径弯管的焊接接头性能进行研究，同时借助于ANSYS软件对其进行相关的数值模拟。
　　 通过对弯曲件的材料、尺寸及使用要求等分析，采用手工电弧焊打底，埋弧焊进行填充盖面的焊接工艺进行对焊成形。对其焊接接头的金相组织进行测试，分析表明：母材金相组织中存在大量的针状铁素体、粒状贝氏体、少量珠光体；热影响区的金相组织主要是粒状贝氏体；盖面焊金相组织为铁素体、少量珠光体；填充焊金相组织为铁素体、少量珠光体；根焊的组织为铁素体、珠光体。
　　 采用拉伸试验、断口扫描试验、裂纹尖端张开位移试验对大口径弯管的成形性能进行研究。拉伸性能测试表明：焊接接头的断口位置大多位于母材区，说明焊接质量良好，且抗拉强度值均符合标准。对拉伸试样进行断口扫描分析显示：焊缝的断口形貌呈现出数量多、深度大的韧窝，断裂时冲击吸收功较大；母材处的断口形貌主要是由较小韧窝集聚而成，韧窝深度较浅，数目较少，断裂时冲击吸收功低于焊缝。采用裂纹尖端张开位移对焊接接头进行断裂韧性测试结果表明：在零下20°焊缝处的CTOD均值为1.39，而母材处的CTOD均值为0.82，且都大于0.15。说明高强钢的焊接接头具有更加优良的低温韧性，焊接工艺良好。
　　 利用ANSYS软件分别采用两种方案对大口径弯管的温度场和应力场进行模拟。第一种方案：焊缝由一道焊焊接而成。第二种方案：焊缝由多层焊焊接而成。在模拟过程中，采用生死单元技术，首先将焊缝区单元“杀死”，在焊接模拟过程中逐步使其“复活”，可以达到模拟焊接过程的效果。然后分析求解，得到温度场和应力场的分布情况。结果表明：两种方案得到的温度场和应力场的分布相同，即全部焊接完成后，最大温度点出现在焊接材料顶端，温度由中间向两端逐渐降低；最大残余应力点出现在熔合线处，残余应力值由中间向两端逐渐减小。