钢管径向摩擦焊温度场数值模拟

摘要

径向摩擦焊技术已成为丰富海底管道连接手段，推动我国兵器制造业发展的重点研究技术。国外从上世纪70年代开始对该技术进行研究，并于上世纪90年代将该技术成功应用于弹带连接。由于径向摩擦焊技术具有军工背景，国外对其实施了技术封锁。因此，我们必须自主地对该技术进行系统深入的研究。传统上对摩擦焊接工艺的开发都是采用经验性“试错”的方法，这种方法的研制成本非常高，并且周期长。随着数值模拟技术在国内应用逐渐成熟以及计算机技术的快速发展，传统的“试错”方法越来越不适合我国社会经济发展的基本国情。因此，采用数值模拟的手段去探索径向摩擦焊接过程中的物理量场并优化焊接工艺，是缩短研发周期，降低研究成本的好方法。　　由于温度场的计算是其他物理量场计算的基础，是首要解决的问题。因此，本文采用数值模拟的手段对径向摩擦焊接过程中的温度场进行了探索。采用ABAQUS有限元软件，基于传热学及弹塑性力学有限元法，建立了径向摩擦焊接过程的二维轴对称、热力耦合有限元计算模型。模型中采用库伦摩擦模型成功地模拟了焊接过程中的摩擦行为；采用Johnson-Cook本构方程成功地描述了焊接过程中材料力学性能的变化；对材料在部分高温阶段的热物性参数采用插值外推的方式获得，从模拟结果准确性来看，取值合理；采用MESHTOMESH网格重划分技术，成功解决了焊接过程中因材料流动导致网格畸变，计算无法进行的问题，并且模拟出的飞边相貌与实际结果非常相似；设置了合理的几何边界，接触边界以及温度边界条件。基于上述模型，成功模拟出焊接接头温度场的空间分布特点，并对摩擦界面以及管体侧距界面水平线不同位置进行了温度-时间曲线绘制。　　试验测量了摩擦界面中心点温度曲线，以及管体侧距离界面中心点不同深度处的温度曲线。并对接头做金相检测，通过组织变化判断热循环过程。通过试验结果与模拟结果的比对，验证模拟结果准确性，证明模型建立正确。为径向摩擦焊接过程中其他物理量场的计算以及通过数值模拟技术优化焊接工艺打下了基础。

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