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钽换热器管板焊接接头温度场数值模拟点击：2032 日期：[ 2014-04-26 22:21:39 ] |
| 钽换热器管板焊接接头温度场数值模拟 李 臻 (西安石油大学机械工程学院，陕西西安710065) 摘要：分析了利用钽做换热管、Ta／16MnR复合板做管板的管板式换热器，影响管板焊接接头焊接质量的关键因素。在焊接过程中，高温下形成的金属间化合物(Fe2Ta)是引起焊缝开裂的主要原因。对四种尺寸组合焊接接头的温度场进行了数值模拟数值。结果表明，合理选择钽一钢复合板的钽层厚度可以避免Fe2Ta的形成，为了使钽一钢复合板钢层在焊接过程中不出现熔化，保证焊接接头质量，钽层厚度要达到2．5 inin，这一模拟结果得到了试验验证。 关键词：钽；换热器；温度场；数值模拟 中图分类号：TQ051．5；TG407 文献标识码：A 文章编号：1001—4837(2007)04—0019—05 金属钽(Ta)在一些极端苛刻的腐蚀环境下，以其优异的耐腐蚀性能，应用在石油化工装备上[1．23。钽耐沸点以下各种浓度的盐酸、硝酸、低于175℃的各种浓度硫酸(发烟除外)、冷热铬酸、沸点或沸点以上各种浓度磷酸、卤素、王水、氧化性金属氯化物、有机酸等介质腐蚀，被誉为耐腐蚀性最好的金属[2，引。同时钽还具有良好的力学性能。但是由于它的价格特别高，在应用时广泛地采用复合板和衬里的形式。利用无缝钽管做换热管，钽钢复合板做换热器管板，就是钽金属在石油化工工业应用的代表。管板焊接技术是换热器制造的关键技术之一，管板焊接接头的焊接质量对换热器的质量有着重要影响。一般情况下，钽钢复合板的焊接非常困难，为了降低制造成本，复层厚度的减小则会大大增加焊接的难度。如果焊接措施不当，极容易导致焊缝开裂[引。由此给焊接带来很大的困难。为了得到合格的管板焊接接头，本文将讨论影响管板焊接接头质量的主要因素，并通过温度场的数值模拟分析复层厚度对复合板焊接性的影响。 1 影响焊接质量的主要因素 由于金属钽的熔点很高(2996℃，比钢的熔点高一倍)，在管板焊缝中，焊接温度场的分布比较复杂，如图1所示，钽钢复合板界面散热较差，在复层钽焊接熔池下面，钢的温度可能达到1500℃以上，足以使钢熔化，这将给焊接带来严重影响，并使钽钢复合板的性能大幅下降。由Fe—Ta状态图可知，在1460℃左右发生共晶反应，生成 相加Fe2T~。由于Fe2T~为脆性金属化合物，在焊接应力作用下很容易产生裂纹，裂纹在界面上钽板一侧会向熔池方向扩展，严重时会形成贯穿性裂纹，这时基层被熔化的铁将穿过贯穿性裂纹向钽焊缝熔池中扩散，并与钽发生反应生成Fe2Ta脆性化合物。 图1 管板焊接接头焊接质量分析 试验结果表明[4l，Fe向焊接熔池扩散的结果会使焊缝开裂，甚至产生飞溅，焊缝将被完全破坏。选择合适的钽复合层厚度、控制焊接接头的温度场的分布是保证焊接质量的关键因素。 2 基于ANSYS温度场数值模拟原理 2．1 热分析原理 在ANSYS中，热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。对这种热传递方式的描述如下。 系统的温度场随时间明显变化。常用来分析一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中，系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以表达为(以矩阵形式表示)： 2．2 简化原理 在函数解析求解时，将有关的几何尺寸和热输入简化 J(除认为热扩散率与位置和温度无关及采用绝热边界条件的形式将模型线性化以J'l-)，作为分析模型的一部分，是绝对必要的，这可使最后的公式更为简单。所有模型的共同点是忽略在焊接熔池中的复杂过程，特别是熔化和结晶过程中的熔区移动和借助对流和热辐射的传热，仅在有些情况下，考虑这些过程中出现的熔区或结晶潜热。焊接熔池中复杂的热过程用导热连续体中的焊接热源加以近似。在几何尺寸方面 J，可以用简化的无限扩展代替有限尺寸的方法。在相应的方向上构件的尺寸越大，研究的热传播周期(加热和冷却)越短，热扩散率越低，研究的区域离热源越近，及传热系数越大时效果越好。并且，二维热流的简化被广泛应用。在热源空间尺寸形状的简化方面 5，一般对于受集中热源(线状热源垂直作用于板平面可模拟对接焊)，由于受集中热源分析的局限，很邻近焊接热源的区域很难相应地模拟。特别是在热源中心，温度将会升高至无限大。实践已证明，在电弧、束流和火焰焊接时，更有效的方法是采用热源密度 为正态分布的表面热源(正态分布热源)，可获得更满意的结果(可称作概率分析中的高斯正态分布、高斯分布曲线)，这种曲线仅仅在无限远的地方才趋近于零，因此，对高斯分布曲线 值究竟小到何种程度方可忽略不计应有共识。 在热源作用时间因素的简化方面，一般情况下，这一假设要符合缝焊时的实际情况，模型的简化要根据热源的运动情况进行，区分为静态、移动和高速移动的热源，并假设为直线、匀速运动。其快速性是相对于在热源运动方向的热源传播速率而言的。如果运动速度很快，即可假设热量只在垂直于焊接方向传播，可使温度场方程式极大地简化，这种简化在焊接热源实际移动较快时，或者只研究靠近焊缝的区域时是可以接受的。依据这些原理，应用ANSYS软件，就可以在钽钢复合板制造换热器的焊接设计过程中，针对一些特殊的焊接部位(如管板焊接)，更容易地得到其焊接接头的温度场，并且可以预测出制造过程中可能出现的问题，从而能提前做出修正，对焊接工艺程序做出正确的指导。 3 焊接接头温度场的数值模拟 3．1 焊接接头 分析模拟对象为换热器中管板连接通常采用的胀焊并用接头。焊接方法为氩弧焊。焊接模型取为平面模型，如图2所示。 图2 管板焊接接头示意 选择两种不同壁厚的钽管 25 nlnl×0．8 mm、25 mm×1．0 mm，和两种不同复合层厚度的钽钢复合板：复层厚度为2．0 Inm和2．5—砌的钽钢复合板，复合板基层厚度均取30—砌，材料为16MnR。由此得到四组不同尺寸搭配的对象来进行模拟，分别为：第一组： 25 nlnl×0．8 lnnl钽管与2．0 ram／30I砌的钽钢复合板焊接；第二组： 25 mm×1．0 mm钽管与2．0 ram／30 I砌的钽钢复合板焊接；第三组：025 mm×0．8 mm钽管与2 5 ram／30 mm的钽钢复合板焊接；第四组： 25 I砌×1．0 I砌钽管与2．5ram／30 mm的钽钢复合板焊接； 3．2 求解方法的确定 热源在焊缝处作用，焊缝处的温度分布是随时间变化的。因此，分析类型应为瞬态热分析。确定温度载荷作用时间(即积分时间)：因为焊接过程中，热源离开加热区，该区域的温度会很快地下降，所以热源要有一定的停留时间。当热源作用在焊缝上，其作用时间可由高温停留时间t 来确定。高温停留时间是指在相变点温度TH l~2_E停留的时间，在此时间内停留时间越长，金属组织变化过程进行得也越充分。根据文献[6]，由公式可计算出某相变点温度以上的停留时间： 确定ANSYS温度载荷的大小和作用范围：焊接钽管板时，热源的温度应为使钽熔化的温度，即其值为钽的熔点，约为3000℃。它的作用范围为1 mm2，在本文所选的模型中，这个作用范围为钽管的伸出部分和复合板与钽管距离为1 mln的范围。 3．4 网格划分 ． 无缝钽管与Ta／16MnR管板焊接接头的温度场有限元数值模拟网格图(局部)如图3所示。 4 结果分析 本文分析的四种尺寸规格的Ta／Ta一16MnR管板氩弧焊接接头温度场的数值模拟结果如图4所示。从管板焊接模拟的四组温度场图形结果可以看出，它们的温度分布情况是相似的。这说明在采用相同焊接工艺的情况下，在管板相连的焊接部位，其温度分布都是以焊接接头为中心的一个扇形区域。在焊接电弧直接作用的地方，即钽管伸出的1 mln处与钽管附近1 mln处产生熔池，所以此处的温度最高，考虑到熔池尺寸很小，焊接热源在焊接接头上作用时间很短，所以取略高于钽熔点为熔池温度，其值约为3000℃。然后温度场以此处为中心向周围扩散并快速降低，到复合板的界面处已经降到了2000℃以下，再往后就降低的更快了。在数值模拟过程中取3000℃为加载处的边界条件。 比较图4(a)与图4(b)、图4(c)与图4(d)的模拟结果可以看出，当钽管的厚度为0．8 mln和1．0 mln时它们的焊接温度场是十分相似的。这说明在采用氩弧焊焊接管板时，钽管的厚度对焊接温度场并没有多大的影响。而钽钢复合板的复层厚度就成为影响焊接温度场的重要因素。 在钽钢复合板的复层厚度为2 mln的情况下(如图4(a)、(b)所示)，焊接热源在焊接接头上作用0．66 s后，复合板界面处的最高温度会达到1600℃以上，这说明在复合板界面以下的钢层是很有可能形成熔池的，而Fe和Ta在1460 oC时就会发生共晶反应，产生Ve2T．脆性化合物，在焊接应力作用下，很容易产生裂纹并且在界面上钽的一侧会向钽焊缝熔池方向扩展，严重时会产生贯穿性的裂纹，这时基层被熔化的铁将穿过贯穿性裂纹向钽焊缝熔池中扩散，并进一步与钽发生反应生成Ve2T．脆性化合物，最终使焊缝开裂。若将焊接热源在焊接接头上作用时间取为0．7 s，则这个时间点时界面处的最高温度大约为1750 oC，高于Fe和Ta发生共晶反应的温度。这说明钽钢复合板的复层厚度取为2 inln时，是不适合在模拟过程中所采用的焊接工艺的。当钽钢复合板的复层厚度为2．5 inln的情况下(如图4(c)、(d)所示)，复合板界面处的最高温度在焊接热源作用了0．66 s时就会达到1400 oC左右，这个温度是不会在复合板的复合界面处产生熔池的。当在高温停留时间为0．7 s时，钽管壁厚为0．8 inln和1．0 r啪的情况下，复合板复合层界面的最高温度均低于1500 oC，这说明钽钢复合板的复层厚度可以 改善氩弧焊焊接钽钢复合时的温度场。钽钢复合板复层厚度取2．5 nllTl与复合板复层厚度取2．0 inln时相比，其界面处的温度最大值低于1500 oC。所以在采取氩弧焊焊接钽管与钽钢复合板时钽钢复合板复层，也就是钽层的合适的厚度应为为2．5 inln。这一结果也是和由试验得出的结果l4J相符合的。 5 结语 在管板式换热器制造工艺中，采取氩弧焊焊接管板是常用的工艺方法，采用无缝钽管和钽一钢复合板的管板焊接接头，由于钽的熔点比钢高一倍，在高温下发生共晶反应生成 相加v~2va是引起焊缝开裂的主要原因。合理的复合层厚度以及控制焊接接头的温度场是保证焊接质量的关键。用ANSYS软件进行数值模拟研究，得到了四种尺寸组合焊接接头的温度场数值模拟结果。通过对模拟结果分析得到钽一钢复合板的钽层厚度是影响焊接质量的主要因素，为了使钽一钢复合板钢层在焊接过程中不出现熔化，钽层厚度要达到2．5 inln，这一模拟结果通过文献[4]中的试验结果得到了验证。 参考文献： [1] 胡忠武．钽在强腐蚀环境中的应用[J]．稀有金属快报(应用开发)，2072，(2)：16—17． [2] 朱玉斌，李中奎，周廉．稀有金属材料的耐蚀性及其在化工领域的应用[J]．稀有金属快报，2OO4，23(1)：25—29． [3] 稀有金属手册编辑委员会．稀有金属手册[M]．北京：冶金工业出版社，1995．433—476． [4] 艾建玲，杨永福，焦登宝．复层厚度对钽钢复合板焊接性的影响[J]．焊接技术(试验与研究)，2001，30(3)：5—6． [5] D．拉达伊．焊接热效应— —温度场、残余应力及变形[M]．北京：机械工程出版社，1988．1—131． [6] 邹茉莲，邹一心，等．焊接理论及工艺基础[M]．北京：航空航天大学出版社，1994．33—38． |
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