過載法消除矩形壓力蒸汽滅菌器焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值分析

宇慧平，楊 柳，趙爾冰，馮 峰，韓長錄

(1.北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，北京 100124;2.北京市朝陽區(qū)特種設(shè)備檢測所，北京 100122)

0 引言

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、塑性、高溫性能、低溫性能和焊接性能，通過焊接制成奧氏體不銹鋼內(nèi)壁的蒸汽滅菌器，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)。奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)大，使其焊接殘余應(yīng)力大于碳鋼，而醫(yī)用滅菌器內(nèi)壁長期接觸氯離子，二者共同作用，發(fā)生應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致開裂的現(xiàn)象十分普遍。降低焊接殘余應(yīng)力已經(jīng)是奧氏體不銹鋼壓力容器的重要研究內(nèi)容之一［1］。

降低焊接殘余應(yīng)力的方法有熱處理法、過載法、溫差變形法和電脈沖法等，如:宋天民［2］對焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除進行了系統(tǒng)介紹;陳曉冬［3］對消除壓力容器中焊接殘余應(yīng)力的幾種方法進行了分析比較;汪建華等［4］對焊接殘余應(yīng)力形成機制與消除原理進行了討論。通過拉伸抵消固有壓縮應(yīng)變源的過載法具有基礎(chǔ)分析依據(jù)［4］。對于不宜進行熱處理的奧氏體不銹鋼壓力容器而言，通過過載水壓產(chǎn)生拉伸變形是利于降低殘余應(yīng)力的方法。

Ji等［5］研究了焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬;遲露鑫等［6］研究了工藝參數(shù)對焊接殘余應(yīng)力的影響;徐連勇等［7］研究了焊后熱處理對焊接殘余應(yīng)力場的影響;王和慧等［8］模擬了還原爐撓性夾套的焊接殘余應(yīng)力。然而，針對奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的模擬與過載消除的數(shù)值仿真比較少見。

SYSWELD是模擬焊接過程的專業(yè)軟件，可獲得焊接殘余應(yīng)力分布［9］。文中使用此軟件對奧氏體不銹鋼矩形壓力蒸汽滅菌器進行焊接數(shù)值模擬，得到焊后殘余應(yīng)力的分布，然后導(dǎo)入NASTRAN軟件對滅菌器夾套和內(nèi)壁加壓后卸載模擬殘余應(yīng)力的變化情況，從而尋求比較適宜的過載載荷，為生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 矩形壓力蒸汽滅菌器模型

按照YY/T 0084.2—2009《矩形壓力蒸汽滅菌器主要受壓元件強度計算及其有關(guān)規(guī)定》，設(shè)計了0.5 m3矩形滅菌器實驗樣品，為了便于對比和節(jié)省試驗費用，內(nèi)腔采用了304和316L兩種材料，分別設(shè)有304之間、316L之間和304與316L之間3種對接焊縫。外殼為Q235鋼，中間支撐筋為Q235槽鋼，內(nèi)板與槽鋼通過搭接焊、T型焊焊接為一體，這些搭接焊和T型焊采用的是斷續(xù)焊的方式，槽鋼通過塞焊與外板連接，其幾何模型如圖1所示。該矩形壓力容器的工作內(nèi)壓為0.21 MPa。數(shù)值仿真采用相同的模型和焊接工藝。

圖1 滅菌器結(jié)構(gòu)示意

2 焊接殘余應(yīng)力的模型數(shù)據(jù)

文中采用SYSWELD軟件對滅菌器焊接殘余應(yīng)力進行仿真，所采用的熱源模型及焊接工藝如下所述。

2.1 熱源模型

焊接熱分析的溫度場決定了焊接結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)力場和變形場，而焊接力學(xué)場對溫度場的影響較小，因此進行順序耦合熱力分析。雙橢球熱源分布考慮了電弧在熔深方向的加熱作用，能夠真實地體現(xiàn)焊接熱過程，計算結(jié)果更準確，因此文中選擇雙橢球熱源作為焊接熱源。

2.2 焊接工藝

5 mm厚的內(nèi)腔焊接坡口形式為V形，35°半坡角3道焊接。第1道采用φ2.5 mm的304焊絲進行鎢極氬弧焊，鈍邊間隙2 mm，高1.5 mm，焊接速度2 mm/s，焊接電流100 A;第2道采用φ3.0 mm的A102焊條進行焊條電弧焊，焊接速度為2 mm/s，焊接電流 120 A;第3道采用 φ3.0 mm 的A102焊條進行焊條電弧焊，焊接速度2 mm/s，焊接電流120 A。焊縫背面余高0.5～1.0 mm，焊縫寬4 mm;正面余高0.5 ～1.0 mm，焊縫寬10 mm;內(nèi)板與4.5 mm厚的支撐筋采用 φ4.0 mm的A302焊條進行焊條電弧焊，焊接速度2 mm/s，焊接電流110 A。

按照矩形壓力滅菌器幾何尺寸建立有限元模型如圖2所示?？紤]到焊接過程中焊縫及近焊縫區(qū)的溫度梯度較大，在焊縫處采用較小的網(wǎng)格單元，遠離焊縫區(qū)采用較大的單元尺寸，如圖3所示。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

由于是按實體建模，長度約為1.2 m，并且是非線性的瞬態(tài)問題，焊接時間比較長，焊縫比較多，包括內(nèi)腔對接三層多道焊、很多支撐筋與內(nèi)壁的斷續(xù)焊，熱源又為移動的雙橢球熱源，這樣的網(wǎng)格密度在主頻2.83 GHz，4G內(nèi)存機器上計算約6天，獲得焊接殘余應(yīng)力。

圖3 槽鋼與不銹鋼焊縫處網(wǎng)格模型

3 過載法消除殘余應(yīng)力實施方法

理論上，對結(jié)構(gòu)施加機械載荷，當(dāng)結(jié)構(gòu)隨機械載荷的增加而發(fā)生變形時，焊接過程中產(chǎn)生的塑性區(qū)材料，由于已經(jīng)發(fā)生塑性變形，局部材料強度較高、變形較小，而原來未進入屈服的材料，隨載荷的增大進入屈服，從而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生二次變形協(xié)調(diào)。該變形協(xié)調(diào)有利于消除因溫差導(dǎo)致的焊接殘余應(yīng)力。當(dāng)撤去所施加的機械載荷后，由于同時存在塑性區(qū)和彈性區(qū)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部同樣會存在殘余應(yīng)力，但此時的殘余應(yīng)力場與原殘余應(yīng)力場相比，原高應(yīng)力區(qū)部位的應(yīng)力會下降，而低應(yīng)力區(qū)部位的應(yīng)力會上升，殘余應(yīng)力分布更加均勻。圖4示出試驗測得的316L和304的真應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖。

圖4 兩種不銹鋼材料真應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

在矩形蒸汽滅菌器內(nèi)壁或夾套打壓后，即使壓力很小，對內(nèi)壁而言，除了承受內(nèi)壁或夾套的薄膜應(yīng)力外，還要承受由于支撐筋的約束引起的較大的彎曲應(yīng)力。薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及焊接殘余應(yīng)力共同作用，達到過載消除殘余應(yīng)力的目的。

文中基于SYSWELD軟件計算得到蒸汽滅菌器焊后殘余應(yīng)力，通過編程，將基于SYSWELD計算得到的壓力容器焊后殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成NASTRAN中的初始應(yīng)力。利用NASTRAN對壓力容器中夾套加壓卸載、內(nèi)壁加壓卸載消除殘余應(yīng)力這一過程進行模擬。

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 焊接殘余應(yīng)力模擬結(jié)果及分析

對滅菌器模型焊接溫度場與應(yīng)力場進行三維模擬，分析焊接時多場耦合對焊接殘余應(yīng)力的影響，得到如圖5所示的焊后von Mises等效殘余應(yīng)力分布圖(以下圖中應(yīng)力的單位都是MPa)。

圖5 焊后等效殘余應(yīng)力分布

由圖5可以看出，沿焊縫方向有最大殘余應(yīng)力，并且最大值出現(xiàn)在焊縫區(qū)，且由焊縫向母材殘余應(yīng)力逐漸減小，并過渡為殘余壓應(yīng)力。這是因為，焊縫殘余應(yīng)力是根據(jù)焊縫收縮受約束的機理產(chǎn)生的，其最大值高于母材屈服極限，距焊縫越遠、應(yīng)力值越小，在周圍的母材區(qū)有相對較低的壓應(yīng)力存在。這與文獻［10］通過試驗得出的結(jié)果近似。316L內(nèi)壁區(qū)域與304內(nèi)壁區(qū)域焊后殘余應(yīng)力的差別不大。

4.2 過載法殘余應(yīng)力的模擬結(jié)果與分析

通過多次試算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)滅菌器夾套內(nèi)施加0.55 MPa的壓力并卸載，內(nèi)壁施加 0.41 MPa的壓力并卸載后，其殘余應(yīng)力的峰值降低明顯。圖6，7分別示出夾套加壓0.55 MPa后卸載和對內(nèi)壁加壓0.41 MPa后卸載的整體及局部等效殘余應(yīng)力云圖。

圖6 夾套內(nèi)加壓0.55 MPa卸載后等效殘余應(yīng)力分布圖

圖7 內(nèi)壁加壓0.41 MPa卸載后矩形等效應(yīng)力圖

對比分析圖5(a)和圖6(a)可以看出，對夾套施加0.55 MPa的壓強并卸載，殘余應(yīng)力分布情況得到改善。內(nèi)壁材料316L區(qū)域的von Mises等效殘余應(yīng)力明顯減少，焊接模擬后應(yīng)力最大值主要分布在槽鋼與內(nèi)壁焊縫處，在夾套加壓卸載后，應(yīng)力最大值區(qū)域轉(zhuǎn)移至兩槽鋼之間;內(nèi)壁材料304區(qū)域的von Mises等效殘余應(yīng)力也有所減少，加壓前后應(yīng)力最大值都在焊縫與內(nèi)壁焊縫處，但是最大值有所降低。

對比分析圖5(b)和圖6(b)可以看出:焊接模擬后應(yīng)力主要集中在T型焊和搭接焊兩個焊縫處。加壓卸載后，316L搭接焊區(qū)域，峰值降低，應(yīng)力分布更加均勻;T型焊區(qū)域，應(yīng)力集中區(qū)域變小;焊縫中部，殘余應(yīng)力峰值進一步減小。

對比分析圖5(c)和圖6(c)可以看出:槽鋼與304焊縫處的殘余應(yīng)力分布的變化趨勢和槽鋼與316L焊縫處殘余應(yīng)力變化相同。但夾套加載0.55 MPa卸載后，槽鋼與304焊接的最大值要偏大，同時其殘余應(yīng)力大值區(qū)域也比316L的偏大，尤其是在搭接焊處。

對內(nèi)壁施加0.41 MPa的壓強并卸載，對比分析圖6(a)和圖7(a)可知:殘余應(yīng)力分布情況得到進一步改善。內(nèi)壁材料為316L的區(qū)域，應(yīng)力最大值區(qū)域仍為兩槽鋼之間，內(nèi)壁材料為304的區(qū)域應(yīng)力最大值仍在內(nèi)壁焊縫處，最大值繼續(xù)降低，分布進一步均勻。對比分析圖6(b)和圖7(b)可以看出:在槽鋼與316焊縫處，盡管von Mises等效應(yīng)力的最大值有所增加，但其最大值點變?yōu)楹缚p起始處非常小的區(qū)域，而原來焊接殘余應(yīng)力大的焊縫處明顯減少。對比分析圖6(c)和圖7(c)可以看出:槽鋼與304焊縫處的殘余應(yīng)力分布的變化趨勢和槽鋼與316L焊縫處殘余應(yīng)力變化相同，但內(nèi)壁施壓對304與槽鋼處殘余應(yīng)力的改善效果不如316L的好。

因為焊縫處一般為焊接殘余應(yīng)力較大的區(qū)域，因此，文中關(guān)注夾套內(nèi)槽鋼與316L、304焊縫處X方向和第一主應(yīng)力的最大值，模擬結(jié)果整理如表1所示。由于內(nèi)壁和氯離子進行接觸，因此，還需關(guān)注內(nèi)壁最大殘余應(yīng)力的變化情況，將內(nèi)壁殘余應(yīng)力變化的模擬結(jié)果整理如表2所示。

表1 槽鋼與316L、304焊縫處加壓卸載前后最大應(yīng)力對比

表2 內(nèi)壁區(qū)域加壓卸載前后內(nèi)壁最大應(yīng)力對比

由表1，2可以看出，矩形滅菌器夾套內(nèi)施加0.55 MPa的壓強并卸載后，滅菌器各個位置的X方向應(yīng)力和第一主應(yīng)力最大值均有減小，316L區(qū)域比304區(qū)域減小更為明顯。

316L區(qū)域比304區(qū)域減少更為明顯，這是因為，同樣條件下316L的變形比304大，使得316L區(qū)域的殘余應(yīng)力釋放比304區(qū)域多。因此，對于加壓卸載法降低殘余應(yīng)力，對于內(nèi)壁全為304的消毒柜，若要進一步消除殘余應(yīng)力，可適當(dāng)提高載荷。

另外，在0.5 m3矩形滅菌器實驗機上，在方便測量的拉筋角焊縫對應(yīng)內(nèi)壁部位進行X射線殘余應(yīng)力測試，測試結(jié)果中該部位焊后最大值為335.2 MPa，通過過載法處理后降低為 95.6 MPa，殘余應(yīng)力減少70%左右，且無影響外觀的變形，這與數(shù)值仿真的減少比例基本相當(dāng)。

綜合以上滅菌器應(yīng)力變化情況的分析可得出:在夾套加壓卸載后，焊縫處和內(nèi)壁區(qū)域殘余應(yīng)力均明顯減小;在內(nèi)壁加壓卸載后，焊縫處和內(nèi)壁區(qū)域殘余應(yīng)力進一步減小;不同材料通過加壓卸載后，殘余應(yīng)力的變化量不同但都有減小。所以，過載法可以有效改善奧氏體不銹鋼矩形壓力容器的焊接殘余應(yīng)力。

5 結(jié)論

通過對奧氏體不銹鋼矩形壓力蒸汽滅菌器焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論:

(1)對于矩形壓力容器，可通過對夾套加壓卸載、隨后對內(nèi)壁加載卸載的方法消除殘余應(yīng)力。

(2)不同材料通過加壓卸載的方法消除殘余應(yīng)力的效果不同，316L鋼的殘余應(yīng)力消除比304鋼的殘余應(yīng)力消除更容易。

(3)過載法能有效降低焊接處殘余應(yīng)力的峰值，改善奧氏體不銹鋼矩形壓力容器內(nèi)壁殘余應(yīng)力的分布情況，使其更加均勻。

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