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      大直徑321不銹鋼厚壁鋼管焊前感應預熱溫度場的數值模擬
      時間:2020-05-22 09:28:33        點擊量:【 】次

      利用ANSYS軟件建立電磁感應加熱的電磁-熱耦合數值模型,模擬分析了321不銹鋼大直徑厚壁鋼管焊接前感應預熱的瞬態溫度分布。研究了感應線圈中不同電流大小、頻率和感應加熱方式下不銹鋼管的溫度分布。通過調整電流參數和感應加熱方式,感應預熱后的不銹鋼管溫度達到了預熱工藝要求(12010)。結果表明,最佳感應預熱工藝為加熱時間間隔為20s  ~ 10s,感應電流頻率為10 khz,電流大小為750 a。

      大直徑不銹鋼厚壁鋼管是裝備制造業中常見的結構,廣泛應用于食品、制藥、化工和化工領域。在其制造過程中,電弧焊是最可靠的連接方法[1]。然而,電弧的熱量輸入集中,不銹鋼管的局部加熱和冷卻速度快。焊接后,不銹鋼精密管焊縫容易產生應力集中甚至開裂,導致不銹鋼管的使用性能和疲勞壽命嚴重降低。為了減少焊接應力和消除裂紋,焊接前必須預熱不銹鋼管。目前,火焰加熱和電阻加熱是生產中兩種常見的預熱方法?;鹧婕訜岱椒ㄊ褂煤唵?,但不銹鋼管氧化和環境污染嚴重。電阻加熱法依靠電阻絲或電阻片產生的熱輻射或熱傳導來加熱不銹鋼管,其能量利用率相對較低[2]。近年來,電磁感應加熱在焊前預熱中的應用逐漸增多。感應加熱的原理是將一定頻率的交流電引入線圈感應器,在線圈周圍產生交變磁場,交變磁場切割不銹鋼管,在不銹鋼管中形成渦流,產生的焦耳熱使不銹鋼管的溫度升高[3]。與傳統加熱方式相比,感應加熱具有加熱速度快、溫度容易控制、成本低、節能環保、易于自動化等優點。因此,感應加熱熱處理適用于在焊接[4]之前預熱厚板和厚壁鋼管。

      國內外許多學者對不同金屬材料感應加熱的電磁和熱過程進行了數值研究,并取得了許多成果。毛等5]建立了316ln不銹鋼管的感應加熱模型,分析了感應加熱后的電磁場和溫度場的分布,比較了預制孔上有蓋和無蓋管道的溫度分布,發現在預制孔上加蓋可以明顯降低溫度場的不均勻性。Kranjc等([6)用有限元法計算了x5crni189不銹鋼的感應加熱溫度場,比較了材料特性和獨立材料特性對溫度場的影響。通過實驗和模擬結果的比較,可以看出模擬誤差主要取決于材料的性質。沈等7]建立了基于femlab有限元軟件的鋼板電磁熱耦合模型,得到了感應加熱主要工藝參數對鋼板表面溫度的影響規律。趙敏等[8]對45號鋼坯鍛造前感應加熱過程的溫度場進行了數值分析,為感應加熱線圈的設計和加熱過程的制定提供了理論依據。張洪亮[9]分析了電流密度、頻率、線圈間隙等工藝參數對45鋼高頻直縫焊管中頻感應熱處理溫度場的影響。梁立凱等[10]模擬了感應加熱過程中304不銹鋼柱狀坯的溫度分布和變化規律,發現在快速加熱階段,不銹鋼管內外溫差較大,徑向大于縱向。然而,石器時代

      本文以321不銹鋼大直徑厚壁圓筒焊接前的感應預熱為研究對象?;贏NSYS軟件,建立了厚壁厚壁鋼管感應加熱的電磁熱耦合模型。研究了焊接前電流參數和加熱方式對坡口預熱厚壁鋼管感應線圈溫度場的影響。對比分不銹鋼衛生管廠家析了連續加熱和間歇加熱后不銹鋼管的不同電流參數和溫度分布,得出了滿足焊前預熱要求的最佳感應加熱方案。

      1有限元模型

      1.1電磁熱數學模型

      本工作的研究對象是321不銹鋼厚壁鋼管,外徑為2170毫米,壁厚為50毫米。在焊接不銹鋼管之前,先在徑向開一個60度的單個V型坡口,并用點焊固定。然后采用電磁感應預熱。不銹鋼管坡口周圍的溫度達到預熱要求后,進行MIG對焊。在感應加熱過程中,兩匝線圈纏繞在桶的外壁上,線圈通過厚度為10毫米的隔熱棉與桶隔開,如不銹鋼管和感應加熱模式如圖1所示。焊接前預熱工藝要求感應加熱后坡口中心線兩側120毫米范圍內的不銹鋼管溫度為(12010)。


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