焊縫根部應力集中

由于全焊接球閥閥體裝配對準和定位要求，在焊縫根部存在一條環形裝配縫隙，這將導致在閥體焊縫根部出現較大的應力集中。通過有限元分析計算，20in-600Lb球閥閥體，在10MPa工作壓力下，可以明顯地觀察到在焊縫根部出現較大應力集中，其根部Von m isese應力達到275MPa，已超過A105材料的屈服強度sS=250MPa，達到正常工作應力3倍左右。

焊縫殘余應力分析

焊接殘余應力是由于在施焊時，焊件上產生不均勻的溫度場，焊縫及其附近區域溫度急劇升高，不均勻的溫度場產生的不均勻的膨脹，焊接殘余應力由此產生。而且全焊接閥體焊接接頭為典型的厚壁多層焊縫，焊接熱影響區經歷反復多次升溫-冷卻，造成該區域晶粒組織粗大，構成焊接接頭韌性薄弱區。

根據閥體材料及焊接電流和焊接速度等焊接工藝參數，可采用熱彈塑性有限元法計算全焊接閥體的焊接殘余應力、焊接殘余軸向應力、焊接殘余環向應力和焊接殘余應力沿焊縫厚度方向上的分布（圖2、圖3）。從圖可知，閥體的最大焊接殘余應力達到407MPa，遠遠超過A105材料的屈服強度S=250MPa。最大焊接殘余軸向應力及周向應力均在閥體厚壁圓筒焊縫中心位置的外表面，殘余應力為拉應力，而內表面為壓應力。最大焊接殘余軸向、周向計算應力可達到A105材料的抗拉強度b=480MPa。

(a) 有限元模型 (b) 焊接殘余應力

閥體有限元模型與焊接殘余應力計算結果

(a)閥體軸向殘余應力計算和測量值的比較 (b)閥體周向殘余應力計算和測量值的比較 (c)閥體厚度方向的殘余應力分布曲線

焊接殘余應力沿不同方向的仿真分布結果與測試結果

在工作壓力下，由于焊縫根部的環形裝配縫隙，將導致焊縫根部產生3倍于工作應力的應力集中。厚壁焊縫的焊接殘余應力已達到閥體材料抗拉強度，危及閥體結構安全。因此，根據標準要求通過焊后熱處理，可細化焊縫及熱影響區晶粒，降低焊接殘余應力值，提高焊接結構斷裂韌性。但由于全焊接閥體球閥結構的特殊性，全焊接閥體不能進行焊后熱處理。需要研究有效的非熱時效方法∀12#和焊接接頭免焊后熱處理可能性的試驗方法與科學依據。

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