三代核電鋼襯里加腋區(qū)焊接節(jié)點裂紋分析

摘 要：文章主要通過對鋼襯里加腋區(qū)焊接裂紋處的化學成分、微觀金相組織進行分析，同時運用焊接有限元軟件對裂紋成因的深層因素進行理論分析，得出裂紋產(chǎn)生的原因，并提出針對性改進措施。

關鍵詞：裂紋；有限元分析；焊接過程應力

中圖分類號：TG454 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）33-0112-02

1 事件描述

為降低預應力混凝土-鋼襯里組成的安全殼底板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜性，三代核電安全殼鋼襯里普遍采用焊接L型結(jié)構(gòu)作為底板與筒體的過渡節(jié)（稱為加腋區(qū)）。加腋區(qū)加強節(jié)點由δ=30 mm的P265GH鋼板采用非對稱的K型坡口拼裝焊接而成，如圖1所示。構(gòu)件車間拼裝焊接完成后滲透檢測時發(fā)現(xiàn)焊縫附近母材處出現(xiàn)了直線型線性顯示，線性顯示位置位于鋼板厚度方向，距鋼板邊緣約15 mm，缺陷深度不大于2 mm。為避免缺陷繼續(xù)產(chǎn)生，使改進措施具有較強的針對性和可操作性，需對缺陷產(chǎn)生的根本原因進行分析。

2 原因分析

對于裂紋缺陷產(chǎn)生原因主要考慮從原材料、接頭設計、受力情況三個方面進行分析：①鋼板是否存在不滿足標準規(guī)范要求的性能指標；②接頭設計是否合理；③通過有限元軟件計算分析目前焊接工藝和剛性固定工裝下，焊接過程中產(chǎn)生的焊接應力大小及應力分布情況。

2.1 原材料

2.1.1 化學成分分析

鋼板成品分析結(jié)果顯示，化學成分滿足設計文件要求。

2.1.2 金相組織分析

對焊接試樣裂紋處進行金相檢驗組織及缺陷成因分析：試樣宏觀形貌，如圖2所示，該缺陷位于圖2中A部位箭頭所示的側(cè)表面，有一條黑線狀缺陷。在圖2中A處的黑線狀缺陷部位及B處部位取縱、橫及表面截面金相試樣，磨制拋光后在顯微鏡下進行觀察，A處的黑線狀缺陷部位為裂紋，裂紋附近未觀察到聚集分布的夾雜物及氧化產(chǎn)物；試樣經(jīng)3%硝酸酒精試劑浸蝕后觀察，A部位截面裂紋區(qū)域的表層有受熱組織，如圖3所示，可觀察到裂紋沿偏析帶擴展，如圖4所示。A部位的組織為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布；B部位的組織為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，少量偏析帶上存在貝氏體組織，帶狀級別為3級。

鋼板線性缺陷出現(xiàn)在厚度截面上，屬于中心偏析缺陷，是連鑄鋼的固有缺陷；鋼板在切割或焊接過程中如受熱過大或受熱不均勻，容易在中心偏析處出現(xiàn)線性缺陷，并沿著帶狀偏析擴展和延伸。帶狀組織的形成主要由熱加工溫度不當引起的，帶狀組織具有方向性且容易造成在變形過程中的應力集中，出現(xiàn)裂紋。隨著外力的加大，在兩個條帶之間產(chǎn)生不均勻變形，同時在條帶間應力集中處萌生裂紋，有利于裂紋的形成及擴展[1]，鐵素體-珠光體帶狀級別越高，則對應的鐵素體、珠光體變形程度越大，產(chǎn)生裂紋的可能性越大。

2.2 焊接接頭設計

接頭形式如圖1所示，該接頭焊接時，焊縫收縮引起應力集中，板①在板厚度方向易受拉，產(chǎn)生層狀撕裂。層狀撕裂一般在板厚方向有較大拉應力時發(fā)生，在焊接節(jié)點中，焊縫冷卻時會產(chǎn)生收縮變形，板薄或沒有對變形的約束，鋼板會發(fā)生變形從而釋放應力，但本加強節(jié)點中的板厚30 mm，并有固定工裝約束，鋼板不能自由變形，在垂直于鋼板表面方向上產(chǎn)生很大的應力，拘束很強時，由于焊縫收縮引起的局部應力可數(shù)倍于材料的屈服極限，致使鋼板產(chǎn)生層狀撕裂。

2.3 焊接工藝及有限元分析

2.3.1 產(chǎn)生缺陷的工藝與工裝

節(jié)點采用手工電弧焊工藝，根據(jù)焊接工藝卡的焊層分布，焊接時先內(nèi)側(cè)焊接1～3層，外側(cè)焊道清根后連續(xù)焊接第4～7共4層，再次焊接內(nèi)側(cè)8～10層。由于節(jié)點的接頭形式為角接接頭且加強板②半徑R=22.8 m，故采用剛性固定，通過剛性固定在鋼平臺上。

2.3.2 有限元分析

采用simufact.welding軟件進行焊接有限元分析，因分析缺陷主要考慮橫向變形和橫向應力對板厚度方向上的作用，為減少軟件的計算量，考慮500 mm長范圍內(nèi)的焊接接頭應力分布與焊縫組織形態(tài)。為提高計算效率并保證計算精度，在溫度梯度較大的焊縫及熱影響區(qū)網(wǎng)格劃分較密，而遠離焊縫和熱影響區(qū)的區(qū)域網(wǎng)格較粗，在軟件中采用六面體和四面體混合網(wǎng)格進行仿真模擬。

①缺陷的應力驗證與分析。有限元建模依托實體如圖1所示，采用相應的剛性固定方式、焊接工藝參數(shù)和裝配順序與焊接順序。

材料特性：加腋區(qū)板材為P265GH，其熱物理參數(shù)和力學性能參數(shù)隨著溫度變化而變化。

熱源模型及工藝參數(shù)：根據(jù)相關文獻資料[2]，對于手工電弧焊，采用雙橢球熱源模型計算精度較高，因此本文選用雙橢球移動熱源，為便于對比分析模擬結(jié)果，熱輸入量保持不變，設定線能量為15 KJ/cm。

邊界條件設定：溫度場分析時，設室溫為20 ℃，焊接過程中構(gòu)件與周圍環(huán)境通過對流與輻射進行熱交換，將輻射換熱的影響耦合到對流換熱中。角接接頭的水平面設定為“bearing”支撐，起工裝平臺的作用約束，約束焊接時的豎動自由度；右端采用夾具約束所有方向的自由度，約束結(jié)束時間為焊后10 min；左上側(cè)夾具約束力為1 000 N，作用結(jié)束時間為焊后10 min，受力方向垂直于工裝平臺，如圖5所示。

應力場：焊接殘余應力分布場和焊后變形對工程焊接施工具有重要的指導意義，其中焊接過程應力對缺陷的考查是重點。

焊接殘余應力主要集中在蓋面焊縫表面，其中角接接頭發(fā)生裂紋的板①厚度方向殘余應力超過材料的屈服強度達到 355 MPa；焊接過程應力變化對板①厚度中心的應力影響比較顯著，應力在300～370 MPa之間變化，如圖6所示。

②T型接頭K型坡口過程應力分布。板①的厚度方向殘余應力為150 MPa；焊接過程應力變化對板①厚度中心的應力影響相對較小，應力在50～200 MPa之間變化，如圖7所示。

3 結(jié)論及改進措施

3.1 裂紋產(chǎn)生的原因

通過對上述分析，不難發(fā)現(xiàn)，裂紋產(chǎn)生的原因主要有以下幾點：

①鋼板存在中心偏析缺陷，切割或焊接過程中受熱過大或受熱不均勻，在中心偏析處出現(xiàn)線性缺陷，缺陷沿著帶狀偏析擴展和延伸。

②剛性工裝約束的情況下，鋼板不能自由變形，焊接過程應力變化對板①厚度中心的應力影響相對較大，超過局部母材層間結(jié)合力致使鋼板產(chǎn)生層狀撕裂。采用角接接頭，選用手工電弧焊工藝焊接時產(chǎn)生的過程應力最大，進一步加劇了裂紋的產(chǎn)生。

3.2 改進措施

針對上述裂紋產(chǎn)生原因，提出以下改進措施：

①存在裂紋的構(gòu)件作報廢處理；重新對鋼板進行100%UT檢測，增加檢測面積和頻率，同時考慮在檢測時增加斜探頭；鋼板下料完成后，增加對板①厚度方向的100%PT和100%MT檢測；

②從源頭預防中心偏析的產(chǎn)生，鋼廠在生產(chǎn)過程中通過嚴格控制有害元素含量；加強連鑄恒溫恒速控制鋼水過熱度等措施進行控制；

③通過設計變更，將角接接頭變更為T型接頭，板①端頭伸出接頭焊縫區(qū)長度超過板厚即可；④采用剛性固定工裝時，可適當縮短夾具的間隙，同時配合合理的焊接順序來達到控制變形的目的。

參考文獻

[1] 劉富軍，劉年富，廖衛(wèi)團.帶狀組織對低碳微合金鋼性能的影響及控制 [J].南方金屬，2011，（2）.

[2] 陳家權，肖順湖，楊新彥，等.焊接過程數(shù)值模擬熱源模型的研究進展[J].裝備制造技術，2005，（3）.