大直径厚壁筒体环焊缝焊后感应热处理的数值模拟研究

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奥氏体不锈钢大型容器的MIG焊接接头需要在焊后进行去敏化热处理,以消除接头组织中存在的晶界偏析和残余应力。本论文提出了一种局部感应加热工艺对TP347不锈钢筒体焊接接头进行焊后去敏化热处理。首先利用ANSYS仿真软件建立TP347不锈钢筒体焊后感应热处理的磁-热耦合模型,基于电磁学与传热学对磁场、温度场进行了耦合分析。研究了电流650A,频率为10k Hz,线圈13匝,筒体与线圈间距为70mm的感应参数下,筒体管道的磁场与温度场分布。通过磁场、涡流分布研究了感应加热过程中的磁场强度和涡流密度在筒体三维空间的分布规律。磁力线从线圈内侧通过,沿外侧返回形成闭合回路;筒体外壁的磁场强度最大,涡流密度分布集中,涡流损耗大,三者基本对照一致,均取决于感应线圈的结构。以厚壁大直径筒体焊后去敏化热处理工艺的温度场为研究对象,设计了不同的感应加热参数,对筒体的温度均匀性进行仿真分析。结果表明,线圈电流与频率越大,加热温度越高;当筒体与线圈间距减小,达到的最终温度越高,内外壁温差变化不明显;随着线圈匝数的增加,加热温度越高,温度的均匀性也越好。最终确定当电流为515A,频率为7k Hz,线圈23匝,加热距离为70mm时,筒体焊缝区域温度可达到860-906℃,已脱离敏化温度区间,达到焊后去敏化热处理的工艺要求。对优化后的仿真结果进行电磁感应加热焊后热处理的实验验证,架设了电磁感应加热的实验平台,利用测温仪、热电偶采集加热过程中的温度数据。结果显示,中频感应加热筒体外壁温度为900±10℃,内壁温度超过850℃;内外壁温差在30-40℃;外侧环向温差约在10℃左右,内侧环向温差约在20-40℃左右;去敏化热处理保温过程中内壁温度大于850℃,已脱离敏化温度区间,热处理过程温差在30℃以内。在合理的误差范围内,实验与模拟仿真结果基本一致。针对实际工况中大型筒体焊后热处理存在的径向、周向温差问题,进行感应装置的优化设计。内壁铺设厚度为50mm的保温毯,径向温差由34℃降低为24℃,提高径向温度分布均匀性;筒体横向放置时,在温度最高点处将线圈抬高10mm,开口角度为15°,降低了6℃的周向温差,同时满足焊后热处理要求。
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