摘要：随着我国科技的进步，这一阶段的焊缝管道结构已经广泛应用于市政建设中，由于很难避免生产和安装范围内的应力效应，因此，管道接口焊接后出现破裂或腐蚀现象的实际焊接残余应力值取决于焊接热源和材料性能等因素，因此，理论和实验分析可用于实际执行前残余应力的分布，并获得焊缝残余应力的检测和调整效果。特别注意焊接技术，焊接对象在生产和生产过程中受到应力应变，对焊接结构产生不利影响。随着技术的发展，有限元技术被广泛用于模拟分析，填补传统计算基础的不足，进一步提高环焊缝管道应力值的精度，并使有限元方法能够预测环焊缝管道残余应力。

关键词：环焊缝管道;焊接应力应变;有限元

引言

焊接应力不可避免地会在焊接制造和安装过程中产生。它的存在是焊接接头或钢结构脆性、疲劳和应力腐蚀等断裂形式的重要内容之一。因此，焊接残余应力是一个长期关注的问题。焊接残余应力的大小和分布取决于许多因素，例如焊接热源、形式和材料性能。分布规律通常通过理论分析和经验的结合来研究，旨在预测、监控和调整。文章基于热塑性分析数学模型，构建了低碳钢管环焊焊接应力数值分析的三维有限元模型。结果证实，计算的估算值与实测值基本一致，有限元法可以有效预测管道环焊缝接头的残余焊接应力。

1 慨况

焊接是现代生产的重要技术手段，使用核动力、宇航等先进技术是无法实现的。焊接路径结构具有独特的特性，在完全理解其特性并获得所需的性能之前，设计和制造符合性能要求的焊接结构。管焊接已成为现代生产中的一个重要过程，但焊接工艺在很大程度上取决于焊接技术人员的技能和经验。实际上，焊接技术人员在研究焊接过程时不断吸收各种基础理论的新成果，焊接过程中的许多现象可以从理论以及定量分析、模拟和理论预测中得到解释。计算机模拟有其优点。通过仿真，可以在计算机上完成许多其他设计方法和最佳实践以及焊接参数的选择，只要少量的验证测试可以证明数字方法对该问题的适用性，从而节省了大量的时间，但是焊接过程仿真技术相对较慢，由于物理性质本身的复杂性，远远落后于其他制造业的实际生产需求和仿真技术。管道是一种广泛应用于石油、化工、能源和市政建设等国民经济重要行业的结构，管道焊接是一种非常常见的焊接方法。管道经常在输送石油、天然气、易燃、易爆、有毒和腐蚀性物质以及碱性介质中发挥重要作用。总的来说，管道结构中的工作条件，如高温、高压和严寒往往很差。因此，确保管道工业的安全运行和发展对国计民生非常重要，管道工业的研发，尤其是管道焊接技术，目前在国内外非常重要。由于管道的焊接通常需要很长时间，因此整个焊接过程是一个快速的高温局部加热过程，然后快速冷却。焊接过程包括各种物理现象的综合，如焊接加热时金属的电磁、传热、熔化和凝固，焊接加热后冷却过程的变化，焊接应力和变形。为了获得高质量的焊接结构，所有这些元件都必须严格控制，这些元件通常是形成焊接裂纹的重要元件，还会引起热实效脆化的降低。在实践中，工作经验或一系列焊接经验可以提供可靠、经济的焊接结构。然而，仅仅依靠测试数据积累方法需要大量的时间和经费来进行大规模的焊接施工，焊接过程的失败会造成严重的经济损失。由于焊接过程是局部加热和冷却过程，一些金属在加热过程中会发生压缩塑性变形，在冷却过程中会受到刚度限制，导致残余应力不均匀，焊缝变形分布不均匀。焊接应力和应变对生产过程本身、焊接结构的使用、断裂强度、疲劳强度和高温耐腐蚀性有很大影响。因此，一旦结构完成，出现不必要的残余应力和焊接变形，就必须增加耗时耗资工序，如应力消除和焊缝变形校正。这种附加工艺不仅增加了生产成本，还可能导致其它缺点，如焊后热处理，这会降低低金合金钢和增强钢的性能，或再次引起热开裂。有限元技术和计算技术的进步，可以利用三维模拟焊接的残余应力和变形，焊接的热过程可以在充分考虑焊接过程的物理和几何非线性问题后进行瞬态分析。

2 建立模型

可以使用有限元来详细分析环焊缝管道焊接接头。首先，载荷外力不起作用，产生的残余应力是平衡应力。然后，在管道焊接过程中可能会产生热负荷在温度场，第三，材料在性质上不是线性的，工作期间的实际温度会根据材料的实际特性而变化。在低碳钢中，塑料焊接应力变化的实际结构变化如下。材料的屈服极限应符合von Mises原理，此外，实际塑性区应侧重于遵守有关交变标准。假设在各向同性板中有一个硬化现象，则当焊缝应力和应变值在较短的时间内增加时，会出现变化线性趋势。

3 理论计算及结果分析

焊接过程中热点运动的本质是;将在焊缝中生成热量，并在此基础上进行相应的仿真。使用ADINA中的相应过程选择最合适的“死”或“活”函数选项。当焊接从1到1s开始时，初始位置处的焊接单元处于“死”功能状态，并产生一定量的热量;两分钟的焊接之后，管路焊缝的所有元件都会激活，且会沿着环焊缝移动。此时，焊缝热输入逐渐应用于焊缝，内部热源的生成逐渐停止。这可以在多层焊接过程中详细模拟不同热源的移动，从而确保焊接过程的稳定性和效率。

（1）计算温度场。计算温度场时，应注意热物性的比热容、传热系数和热传导系数，然后合理利用后向欧拉积分方法，找出求解线性热传导的相关方程在每个步骤中，为了确保计算结果的高精度，应严格使用牛顿迭代方法进行热平衡迭代。

（2）相关计算应力和应变场。使用ADINAT，瞬态温度数据根据设备中节点的数量存储在温度带中，然后计算相关的应力以帮助确定温度带中的实际温度值。由于焊接产生的实际应力、应变和温度与材料的实际性能密切相关，因此在求解过程中必须使用BFGS的矩阵来更新平衡的迭代方法。为了全面提高迭代方法的收敛特性和精度，采用了长期可变积分法。焊接和冷却过程从步长要小，通常介于10001和0.05s之间。在冷却过程中，步长必须逐渐增加，每个步长都有一个迭代

4 应力应变三维有限元

（1）瞬态温度场。同一地点的瞬态温度因环境而异。焊接一段时间时，瞬时温度可能会随位置而变化。例如，对于初始焊接6s，初始焊接位置30和150°处的焊接中心温度分别为1580和1400℃。此外，由于热源主要集中在焊接区域或局部区域，所以焊缝中心的温度为1600℃，因此其余热源的温度发生下降。

（2）焊缝残余应力分布。当热源中心达到90°时，小于90°的焊接冷却焊接金属凝固是低拉伸应力;90°以上的焊缝不受限制，因为没有焊缝。随着热源向180°、30°时，焊接中心的应力随着焊接金属强度的增加而增加。

5 结语

简单地说，所得模型是多层焊接热源管和轴对称残余应力的有限元，计算结果和实验结果基本一致。也就是说，所得模型在管部件外部比计算结果更可靠，表面焊缝中心轴线方向引起的残余应力属于与压应力，而由于环方向引起的残余应力属于与压应力。根据实际施工条件，小直径或多层厚层管道焊接时，建议采用三维移动热源模型计算焊缝残余应力，并通过选择残余应力计算，采用详细的二维模型模拟，保证焊接质量，降低施工成本。

参考文献：

[1]华春颖，板级光互连模块BGA焊点温振耦合应力应变有限元分析[J].机械强度，2019，102（4）：189-191.

[2]罗学印，吸附塔支撑圈结构焊接残余应力有限元分析[J].热加工工艺，2019，48（13）：159-160.

[3]武海凯，斜接环焊缝管道全尺寸爆破试验[J].焊管，2019，8（6）：7-12.