對焊法蘭油淬過程溫度場數(shù)值模擬與分析*

陳志超，張浩強，肖 鵬

(1.中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307； 2.益陽橡膠塑料機械集團(tuán)，湖南 益陽 413000)

對焊法蘭油淬過程溫度場數(shù)值模擬與分析*

陳志超，張浩強，肖 鵬

(1.中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307； 2.益陽橡膠塑料機械集團(tuán)，湖南 益陽 413000)

ANSYS軟件可以模擬對焊法蘭在油淬過程中各部溫度隨時間的變化云圖，通過建立對焊法蘭有限元模型，經(jīng)分析計算，可得出淬火后各部分的組織及分布，對回火時得到所需要的回火組織和消除內(nèi)應(yīng)力提供重要的理論依據(jù)。

對焊法蘭；淬火；馬氏體

0 引 言

對焊法蘭是管件的一種，是指帶頸的、有圓管過渡的,并與管子對焊連接的法蘭。對焊法蘭不易變形，密封好，應(yīng)用廣泛，適用于壓力或溫度大幅度波動的管線或高溫、高壓及低溫的管道，也適用于輸送價格昂貴、易燃、易爆介質(zhì)的管路上，公稱壓力在PN16 MPa左右。對焊法蘭需承受較大的壓力，同時具有良好的塑性和韌性，在熱處理中需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，即淬火和高溫回火，得到的組織為回火索氏體。對焊法蘭油淬過程是加熱到Ac3或Ac1溫度，保溫后大于臨界冷卻速度，冷卻得到馬氏體的熱處理工藝[1]。

在ANSYS軟件的分析中屬于瞬態(tài)熱分析。然而在油淬時，對焊法蘭各部分在冷卻時的溫度有差異，導(dǎo)致形成的組織不同，分布不均勻，最后在零件內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力[2]。

由于對焊法蘭一般采用含碳量小于0.77%的亞共析鋼，淬火后期望得到馬氏體組織，因為馬氏體組織能夠強化鋼鐵材料，馬氏體在高溫回火時將變成多邊形晶粒，回火索氏體由多邊形晶粒與顆粒狀滲碳體組成。亞共析鋼淬火時，冷卻溫度和冷卻時間對奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體、貝氏體還是馬氏體起著決定性的作用。研究淬火過程的溫度與時間的關(guān)系，對分析淬火產(chǎn)物有極其重要的意義。

1 對焊法蘭有限元模型的建立

對焊法蘭的建模是在ANSYS中進(jìn)行的，根據(jù)對焊法蘭的幾何及邊界條件周期的對稱性，對零件的1/10建立模型。首先，建立下部的部分空心圓柱，再在部分空心圓柱上挖出螺栓孔，然后建立上部的部分空心圓錐，最后將這幾部分體積粘接起來，結(jié)果如圖1所示。

2 對焊法蘭網(wǎng)格劃分

對焊法蘭的密度為7 850 kg/m3，比熱容為460 J/kg·℃，導(dǎo)熱系數(shù)為35 W/m·K。設(shè)置單元邊的長度為0.001 m，采用自由網(wǎng)格劃分，單元類型為三維六面體單元SOLID703，劃分網(wǎng)格后的模型如圖2。

圖1 對焊法蘭有限元模型 圖2 劃分網(wǎng)格后的模型

3 施加載荷和求解

對焊法蘭的所有表面，包括插螺栓孔表面施加對流換熱載荷，換熱系數(shù)為530 W/m2·K,油的溫度為30 ℃，結(jié)果如圖3如示。對整個模型施加油淬前的加熱溫度為850 ℃，求解時采用瞬態(tài)熱分析，設(shè)置求解時間為5 min，設(shè)置時間子步為10，打開自動時間步長，施加溫度偏移為273 ℃，如圖4～6所示。

圖3 施加載荷后的模型 圖4 第33 s溫度分布云圖

圖5 第47 s分度分布云圖 圖6 第61 s溫度分布云圖

4 分析得到油淬結(jié)果

從圖4可看出，在第33 s時，最低溫度為234.426 ℃，此時奧氏體組織還沒有轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，正處在將要轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的臨界溫度230 ℃，根據(jù)亞共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖得知，此時將有一部分高溫奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體組織，轉(zhuǎn)變區(qū)域大致在法蘭與法蘭頸轉(zhuǎn)角處。從圖5可以看出，大部份的奧氏體組織已經(jīng)轉(zhuǎn)變成了馬氏體組織，只有少部份將轉(zhuǎn)變成托氏體組織。從圖6可看出，剩下的奧氏體組織已經(jīng)全部轉(zhuǎn)變成了馬氏體組織。

5 結(jié) 論

通過建立對焊法蘭的有限元模型，并對油淬時間與法蘭溫度的關(guān)系進(jìn)行分析，了解了法蘭油淬后各部份的組織分布。在軸頸，法蘭內(nèi)孔等處將得到淬透性較好的馬氏體組織；在法蘭與法蘭軸頸轉(zhuǎn)角處，將得到復(fù)雜的組織：鐵素體+托氏體+馬氏體+殘留奧氏體。得到淬火后的組織分布，對回火時得到所需的回火組織和消除內(nèi)應(yīng)力有非常重要的作用。

[1] 聶理君，尹立孟，劉 炳，等.ANSYS在淬火過程數(shù)值模擬的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2006(5):43-44.

[2] 朱圓圓，祁文軍，易 挺，等.鋼件淬火過程溫度場的數(shù)值模擬[J].新技術(shù)新工藝，2008(11)：97-99.

Numerical Simulation and Analysis of the Temperature Field of Welding Neck Flange′s Quenching Process

CHEN Zhi-chao1, ZHANG Hao-qiang2, XIAO Peng1

( 1.AviationEngineeringInstitute,CivilAviationFlightUniversityofChina,GuanghanSichuan618307,China;2.YiyangRubber&PlasticsMachineryGroup,YiyangHunan413000,China)

The ANSYS software can simulate the variation of temperature with time of each parts of the welding neck flange. Through the establishment of the welding neck flange′s finite element model and through calculation and analysis，the organizations of each part and its distributions can be obtained after quenching，and it provides an important theoretical basis to obtain the required tempered structure and eliminating stress.

welding neck flange；quenching；martensite

2014-03-14

陳志超(1985-)，男，四川南充人，助教，碩士，主要從事飛機結(jié)構(gòu)維修方面的研究工作。

TG 156.34

A

1007-4414(2014)02-0120-01