氦管焊接仿真分析

王少秋

摘要：ITER BCC線圈的超導導體需要在低溫下才能實現超導，為了提供足夠低的溫度，導體內要通有迫流氦。文章對氦管的分段焊接焊接做了仿真分析，得出焊接應力的變化情況，確定整體滿足設計要求。

Abstract： The superconducting conductor of ITER BCC coil needs to be at low temperature to achieve superconductivity. In order to provide enough low temperature， forced flow helium is needed in the conductor. In this paper， the segmented welding of helium tube is simulated and analyzed， the change of welding stress is obtained， and the overall design requirements are satisfied.

關鍵詞：氦管;焊接;路徑;應力分析

Key words： helium tube;welding;route;stress analysis

中圖分類號：P755.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）15-0067-02

0? 引言

焊接結構以其整體性強、輕量化、經濟性好等優點被廣泛運用于軌道交通、航空航天、船舶、煤礦機械重型裝備等領域[1-2]。在煤礦機械生產中優良的接頭設計是保障煤礦機械焊接結構承載性能的關鍵。焊接設計應考慮整體構造幾何形狀、結構承載條件、焊接方法、坡口幾何形狀和焊后再加工工藝等要素，包括焊接結構設計、焊接設備和焊接工藝設計、焊接材料設計、工裝和焊接車間設計等。[3-4]。焊接結構設計、焊接接頭強度、焊接應力和變形、斷裂和疲勞性能是焊接設計的中心內容。焊接修理法也是煤礦機械零件維修的一種重要的技術。所以對焊接結構進行焊接質量分析尤為重要。氦管作為連接大型磁體線圈流通液氦的進出通道，對其結構質量有較高的要求。進行氦管焊接分析能有效減少實驗所需時間、材料成本。氦管是在真空的環境下工作的，氦管的強度對于冷卻效果有著很大的影響，所以需要對氦管焊接加熱過程及冷卻過程中的應力進行分析。

本研究對氦管進行了焊接模擬仿真，分析總結了氦管焊接過程中出現的焊接應力變化規律。

1? 氦管焊接仿真分析

結構的強度和剛度是早期焊接結構設計主要滿足的要求，主要考慮到結構的荷載、材料和截面面積。焊接結構設計的安全系數冗余度大，結構龐大，對焊接質量沒有要求，所以焊接結構設計與機械結構設計差別不大，截面許用應力能夠滿足要求即可。現代焊接結構設計有實用性、可靠性、工藝性、經濟型、美觀性等基本要求。設計標準在靜載荷、疲勞載荷及焊接結構質量、焊接殘余應力與變形的控制上有很大程度的完善。

氦管的遠端是外部設備的接入端，通常是典型的圓形管道;氦管近端需要焊接線圈鎧甲。近端選取圓角矩形結構一方面可以提高可焊性，增加接觸面積，另一方面可以適當降低流動阻力帶來的損失，通過流動截面面積的大小可以很好的控制流量。

氦管焊接的材料屬性如表1所示。

氦管的變截面設計如圖1所示。

在焊接結構中，焊縫附近的殘余應力基本上達到了材料的屈服強度，焊接變形會帶來附加彎曲應力。焊接殘余應力為焊后殘留在焊件內且平衡與物體內部的應力。焊接時，殘余應力會影響焊接結構的強度、腐蝕和尺寸穩定性等使用性能。

本文通過對氦管模型應用雙橢球熱源，分析了氦管焊接過程中產生的焊接應力。Goldak提出了雙橢球熱源模型[5]。熱流密度分布情況如圖2所示。

實際焊接時，由于電弧運動，熔焊池前面的能量分布與熔焊池后面的能量分布不同，電弧后面的加熱區域大于電弧前面的加熱區域。在雙橢球熱源模型中，通過分析焊接過程中的上述特征，并充分考慮焊接電弧在厚度方向上的挖掘和攪拌作用。使用兩種不同的解析表達式來描述前后不同的熱源。

雙橢球熱源模型的優點是采用了熱源模型的四個參數，并考慮了熱源模型前后兩部分溫度梯度的差異。因此，本文采用雙橢球熱源模擬氦管的焊接，從而確定了氦管在焊接過程中的應力分布，并為實際焊接提供了參考。

熱源模型的前部與后部的熱流密度分布可以用方程（1）和（2）來進行描述。

前橢球熱源密度分布函數：

后橢球熱源密度分布函數：

式中，a、b、c、為橢球體半軸長，兩式中的a、b、c相互獨立，分別可取不同值，f1、f2分別為前后兩部分橢球體的能量分配系數，且f1+f2=2。

本文對氦管圓管段和氦管過渡段進行了焊接仿真分析。

圖3為氦管圓管段和氦管過渡段焊接路徑，兩端圓管的材料均為316L不銹鋼。圖4為氦管圓管段和氦管過渡段焊接加熱階段應力隨路徑距離的變化，可以看出焊接加熱過程中隨距離的變化材料應力先減小后增加，在距離焊縫路徑4cm處下降至最低。因為在高溫下316L不銹鋼材料的屈服應力急劇下降。圖5為氦管圓管段和氦管過渡段焊接冷卻階段應力隨路徑距離的變化。隨著距離焊縫路徑的距離增加溫度冷卻加快應力急劇上升并趨于平穩，可以看出材料在冷卻后距離焊縫2.2cm處應力最高，產生應力集中現象。其他位置應力變化趨勢平穩。高應力區域主要集中在距離焊縫路徑2～3cm處。

2? 結論

本文主要研究了氦管在焊接仿真過程中應力變化情況。由表1可以看出316L不銹鋼在溫度升高的過程中屈服應力急劇下降。在焊接仿真分析中氦管圓管段和氦管過渡段在溫度最高處應力下降至最低符合材料屬性變化。所以可以對氦管進行焊接仿真分析。在焊接冷卻階段距離焊縫2～3cm處出現應力集中現象。應力最高達到310MPa左右。

參考文獻：

[1]李曉延，武傳松，李午申.中國焊接制造領域學科發展研究[J].機械工程學報，2012，48（6）：19-31.

[2]方洪淵.焊接結構學[M].北京：機械工業出版社，2017.

[3]Macdonald K A. Fracture and fatigue of welded joints and structures[M]. Woodhead Publishing Limited， Cambridge，UK， 2011.

[4]Hicks J. Welded joint design （third edition）[M]. Industrial Press， Inc.， New York， USA， 1999.

[5]馬悅.雙橢球焊接熱源模型一般式的數值模擬研究[D].河北工業大學，2015.