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摘 要

超厚管板在拼焊过程中由于大量和不均匀的热输入，很容易产生焊接变形和残余应力，如何如何保证焊接质量控制管板的焊接变形从而减少管板毛坯的损耗量，提高焊接的质量成为当下研究的热点问题。已有研究表明，通过单纯的增加外加载荷可以减少焊接变形但仍然无法达到焊接的不平度要求，因此本文将研究如何通过优化焊接顺序来降低焊接的不平度。利用有限元的方法研究不同翻转次数对焊接变形和焊接残余应力的影响，得出结论: 翻转次数对焊接残余应力的影响不大，但对焊接变形存在巨大的影响; 焊接变形主要发生在前三次翻转，前期控制住焊接变形后期可以通过增加连续焊接层数来减少翻转次数。因此，本文提出了新的焊接顺序，并对其进行了有限元模拟分析，确认了其可行性和正确性。

关键词：超厚管板 焊接残余应力 焊接变形 焊接有限元模拟 翻转次数

Abstract

The welding deformation and residual stress of ultra-thick pipe plate are easy to be generated due to a large number of and uneven heat input in the process of welding. How to ensure the welding quality control of pipe plate to reduce the loss of blank of pipe plate and improve the welding quality has become a hot topic of current research.Previous studies have shown that the welding deformation can be reduced by simply increasing the external load, but the roughness of welding cannot be achieved. Therefore, this paper will study how to reduce the roughness of welding by optimizing the welding sequence.Finite element method was used to study different reverse number influence on welding deformation and welding residual stress, draw the conclusion: flip number influence on welding residual stress is not big, but to have great influence on the welding deformation; The welding deformation mainly occurs in the first three flips, which can be reduced by increasing the number of continuous welding layers after controlling the welding deformation at the early stage. Therefore, a new welding sequence is proposed in this paper, and its feasibility and correctness are confirmed by finite element simulation analysis.

Key Words：ultra-thick pipe plate ; welding residual stress ; welding deformation ; welding finite element simulation ; flip times

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 超厚管板焊接变形的危害 1

1.3 传统解决超厚管板焊接变形的方法和不足 1

1.4 焊接的有限元模拟 2

1.4.1 背景 2

1.4.2 有限元 2

1.4.3 焊接有限元模拟的实际应用 2

1.4.4 模拟焊接温度场 2

1.4.5 焊接应力应变场的模拟 3

1.4.6 焊接有限元模拟存在的问题 3

1.5 超厚管板拼焊的研究现状 4

1.6 本文的研究内容和方法 5

第二章 超厚管板焊接的有限元模型 6

2.1 前言 6

2.2 超厚管板的尺寸和材料 6

2.3 工厂常用超厚管板的焊接工艺 7

2.4 超厚管板拼焊的有限元模型 8

2.5 超厚管板拼焊的热源模型 10

2.5.1 焊接热源的简介 10

2.5.2 双椭球热源模型 10

2.5.3 焊接试板的制作 12

2.5.4 超厚管板拼焊的双椭球热源参数 13

第三章 模拟结果和讨论 16

3.1 优化前焊接工艺的模拟结果 16

3.2 翻转次数对焊接残余应力的影响 16

3.3 翻转次数对焊接变形的影响 20

3.4 焊接顺序的优化 21

3.5 优化后管板焊接变形与残余应力分布 22

第四章 总结与经济性分析 25

参考文献 26

致谢 29

第一章 绪论

1.1 前言

换热器也称为热交换器，将热从热流体传递到冷流体。换热器在工业生产中起着重要的作用。在化学生产中，热交换器可以用作加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，用途广泛。常见的换热器有很多的种类，固定管板式换热器是一种常见的实现物料间热量传递的设备,也是一种广泛应用于石油、化工、石化、冶金、电力、轻工、食品等行业的工艺设备。在炼油化工装置中，换热器占设备总数的40%左右，占总投资的30%～45%。随着节能技术的发展，应用领域不断扩大，高温和低温热能换热器的使用带来了显著的经济效益。

随着市场的需求，换热器的尺寸越来越大，导致换热器制造的问题。管板作为大型换热器最重要的部分，因为其直径较大，制造整板十分困难，同时考虑到成本工期等其他因素，工厂一般选择将两块或三块板焊接在一起。但是由于焊接过程中不可避免的会产生焊接变形和焊接残余应力，对焊件的裂纹，疲劳，腐蚀，蠕变等很多方面都有很大的影响。较大的变形会给管板和筒体或管板之间的后续焊接带来困难，而导致焊接变形最主要的原因是垂直于焊缝长度方向的横向残余应力和角变形。如何保证焊接质量控制管板的焊接变形从而减少管板毛坯的损耗量、提高焊接的速率成了工厂面临的新问题。

1.2 超厚管板焊接变形的危害

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