焊接速度對(duì)核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響

（陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（商洛學(xué)院），陜西商洛726000）

焊接速度對(duì)核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響

張美麗

（陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（商洛學(xué)院），陜西商洛726000）

采用ANSYS有限元分析法，并利用熱-結(jié)構(gòu)耦合及生死單元技術(shù)，模擬不同焊接速度對(duì)核壓力容器上馬鞍形焊縫焊后殘余應(yīng)力的影響。通過分析焊后溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)焊縫中心的殘余應(yīng)力最大，隨著距焊縫中心距離的增加，應(yīng)力逐漸變小。其中焊接速度為450mm/min和400mm/min時(shí)焊后等效應(yīng)力變化趨勢(shì)基本吻合，而420mm/min時(shí)焊后的應(yīng)力值略高于其他兩種。

有限元；壓力容器；焊接速度；殘余應(yīng)力

0 前言

壓力容器作為核反應(yīng)堆的關(guān)鍵設(shè)備，長期在高溫、高壓和輻射等苛刻的環(huán)境下工作[1-2]，隨著世界經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展和對(duì)能源需求的與日俱增，我國逐漸將核能放在能源發(fā)展的重要位置，核反應(yīng)堆的壓力容器也開始向著復(fù)雜化和大型化的方向發(fā)展[3-4]。焊接是制造核壓力容器必不可少的加工手段，為了保證壓力容器的安全可靠性和使用壽命，減少由于核泄漏造成的環(huán)境及人身傷害，對(duì)其焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制具有重要意義。

焊接是一個(gè)復(fù)雜的電弧傳熱和冶金過程，焊接過程中由于母材受到集中的瞬時(shí)加熱和冷卻，在焊后將產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和變形，焊接構(gòu)件中復(fù)雜的應(yīng)力分布會(huì)嚴(yán)重影響加工過程和使用性能[5]。因此，準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)件焊后的殘余應(yīng)力分布情況是目前急需解決的重要問題。本研究通過ANSYS有限元分析法，對(duì)高溫氣冷堆厚壁核壓力容器上大接管段馬鞍形焊縫的焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析不同的焊接速度對(duì)其焊縫附近殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響情況，為厚壁核壓力容器的焊接過程提供理論依據(jù)，從而提高核壓力容器焊接結(jié)構(gòu)的安全質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型

采用ANSYS有限元分析軟件建立高溫氣冷堆厚壁核壓力容器上大接管段的幾何模型，具體尺寸如圖1所示。由于筒體的壁厚較大，計(jì)算時(shí)馬鞍形焊縫采用30 mm寬雙U型坡口，由于數(shù)值模擬時(shí)焊接層數(shù)對(duì)其焊后殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果影響較小[6]，故采用6層6道焊，焊接順序如圖2所示。

圖1 幾何模型（單位：mm）

圖2 焊接順序

1.2 網(wǎng)格劃分

由于模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故對(duì)焊縫附近的網(wǎng)格劃分較為細(xì)密，遠(yuǎn)離焊縫部位的網(wǎng)格劃分較為稀疏。其中溫度場(chǎng)計(jì)算選用solid70三維實(shí)體熱單元，應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算選用solid45三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元[6]。整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分后，30 mm寬雙U型坡口的單元數(shù)為65 026，節(jié)點(diǎn)數(shù)為14 811；整體網(wǎng)格及焊縫局部網(wǎng)格的劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

1.3 材料性能

材料的熱物理性能參數(shù)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算影響很大[7-8]，本研究假設(shè)焊材和母材均為SA508 Gr.3Cl.1，并采用等匹配焊接接頭，參照相近材料的物理性能參數(shù)，確定材料的性能參數(shù)如圖4所示。

圖 4中 cp為比熱（100 J·kg-1·℃），κ 為導(dǎo)熱系數(shù)（10 W·m-1·K），α 為線膨脹系數(shù)（10-5℃-1），σs為屈服強(qiáng)度（100 MPa），E 為彈性模量（104 MPa），G為切變模量（105 MPa）；其中不隨溫度變化[9]的性能參數(shù)有：密度7 800 kg·m-3，對(duì)流系數(shù)17 W·m-2·K，泊松比0.3。

1.4 焊接工藝

采用窄坡口埋弧自動(dòng)焊，焊絲直徑4.0 mm，焊接時(shí)將電紅外加熱器固定在筒體外壁，用于焊接預(yù)熱、層間保溫、焊后熱處理，具體的焊接工藝參數(shù)如表1所示。

1.5 熱源模型

考慮到實(shí)際焊接過程，采用體熱源模型及生死單元技術(shù)，將熱源以單元內(nèi)部生熱的形式施加在焊縫部分的網(wǎng)格上，并使單位體積上的熱輸入恒定，然后將有效的熱輸入量換算成單位體積上的熱強(qiáng)度，計(jì)算公式為

圖4 材料性能參數(shù)

表1 焊接工藝參數(shù)

式中 U為焊接電壓；I為焊接電流；η為焊接電弧熱效率；V為焊接熱源作用的體積。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

焊接是瞬時(shí)加熱和冷卻的過程，且焊接時(shí)在有坡口焊縫上作用的是一個(gè)快速移動(dòng)、能量集中的熱源，在焊縫附近形成了較大的溫度梯度，同時(shí)這種不均勻溫度場(chǎng)導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生殘余應(yīng)力。為了分析大接管段馬鞍形焊縫附近的應(yīng)力分布情況，選取焊接速度為400 mm/min焊后焊縫外表面上的不同位置處的溫度進(jìn)行分析，其溫度隨著時(shí)間變化的情況如圖5所示。

圖5 焊縫外表面不同位置處的溫度分布

從圖5a、5b可知，整個(gè)焊接過程中焊縫中心及熔合線上的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本相同，隨著時(shí)間增加均經(jīng)歷了6次波動(dòng)，且在第6次溫度達(dá)到最大值。原因是1～5道焊縫已經(jīng)完成，快速冷卻導(dǎo)致其溫度已經(jīng)降至層間溫度，而焊接熱源移動(dòng)至第6道焊縫時(shí)，此處溫度由于熱源作用迅速上升并接近材料熔點(diǎn)，當(dāng)移動(dòng)熱源撤走后，焊縫中心及熔合線的溫度又開始迅速下降并逐步接近室溫。由圖5c可知，在距離焊縫中心400 mm處由于焊接熱源的移動(dòng)溫度發(fā)生的6次變化不太明顯，只能看到由于熱量傳遞而導(dǎo)致此處溫度升高和降低的過程，溫度變化較為平緩，同樣在焊接熱源撤走后溫度迅速降低至室溫。由此說明，隨著熱源中心的改變，整個(gè)焊接接頭的溫度分布極為不均勻，前一道冷卻凝固的焊縫金屬會(huì)對(duì)后面正在形成的焊縫金屬形成較大的拘束作用，從而導(dǎo)致焊縫附近形成焊接殘余應(yīng)力。

2.2 殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

三種不同速度焊后的軸向、環(huán)向、厚度方向以及等效殘余應(yīng)力分布曲線分別如圖6～圖9所示。

圖6 軸向殘余應(yīng)力分布曲線

圖7 環(huán)向殘余應(yīng)力分布曲線

圖8 厚度方向殘余應(yīng)力分布曲線

圖9 等效殘余應(yīng)力分布曲線

由圖6可知，焊后軸向應(yīng)力表現(xiàn)為焊縫左側(cè)大接管上的應(yīng)力均高于焊縫右側(cè)筒體上的應(yīng)力，焊縫左右兩側(cè)熔合線上的應(yīng)力高于焊縫中心的應(yīng)力，并且由熔合線向左右兩端，應(yīng)力值逐漸減小，在距離焊縫中心600 mm處軸向殘余應(yīng)力逐漸消失。其中焊接速度420 mm/min焊后左側(cè)熔合線上軸向應(yīng)力值最大，為372.33 MPa；而450 mm/min和400 mm/min焊后的應(yīng)力水平及變化基本相同。

由圖7可知，420 mm/min焊后的環(huán)向應(yīng)力值較大，最大值為-55.69 MPa，其次為400 mm/min和450 mm/min。三種工藝焊后均表現(xiàn)為焊縫中心的應(yīng)力最大，由焊縫中心向左右兩端應(yīng)力逐漸減小，大接管與筒體上應(yīng)力水平基本相同。左側(cè)大接管上整體為拉應(yīng)力，在距離焊縫中心600 mm處應(yīng)力逐漸減小并消失；而右側(cè)筒體上整體為壓應(yīng)力，在距離焊縫中心約400 mm處，壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力并逐漸消失。

由圖8可知，三種工藝焊后厚度方向上的殘余應(yīng)力峰值均在左側(cè)熔合線上，沿熔合線向兩端應(yīng)力值逐漸減小，且距離焊縫中心約400 mm處左側(cè)大接管上應(yīng)力逐漸由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力。420 mm/min焊后熔合線上應(yīng)力最大值為446.26 MPa，且厚度方向整體應(yīng)力均高于其他兩種工藝，450 mm/min和400mm/min應(yīng)力分布基本相同，距離焊縫中心200mm以內(nèi)450 mm/min焊后的應(yīng)力水平略高。

由圖9可以看出，不同的速度焊后等效殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì)相同，均為焊縫中心的應(yīng)力值最大，隨著距焊縫中心距離的增加，應(yīng)力值逐漸變小。450mm/min、420 mm/min和400 mm/min焊后最大應(yīng)力值分別為367.26 MPa、360.17 MPa和359.78 MPa。其中450 mm/min和400 mm/min焊后等效應(yīng)力變化趨勢(shì)基本吻合，而420 mm/min焊后的應(yīng)力曲線略高于其他兩種。由此說明，對(duì)厚壁核壓力容器上馬鞍形環(huán)焊縫采用400 mm/min焊接速度，焊后整體殘余應(yīng)力水平較低。

3 結(jié)論

（1）通過溫度場(chǎng)的計(jì)算可知，核壓力容器上馬鞍形焊縫中心及熔合線處的溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同，均發(fā)生了6次顯著的溫度變化，而距離焊縫中心400mm處溫度隨熱源移動(dòng)的變化不明顯。隨著熱源中心的改變，整個(gè)焊接接頭的溫度分布極不均勻。

（2）三種不同的焊接速度條件下，焊后接頭上均表現(xiàn)出焊縫中心的各向應(yīng)力值最大，隨著距離焊縫中心距離的增加應(yīng)力逐漸變小，在距離焊縫中心600 mm處應(yīng)力逐漸消失。其中420 mm/min焊后的各向應(yīng)力水平均高于其他兩種工藝，綜合考慮各向應(yīng)力的分布情況，400 mm/min焊后整體殘余應(yīng)力水平較低。

[1]方才順，王小彬，何西扣，等.淬火冷卻速度和回火參數(shù)對(duì)核壓力容器SA508-3鋼強(qiáng)韌性的影響[J].金屬熱處理，2015，40（12）：117-121.

[2]遲露鑫，麻永林，邢淑清，等.核壓力容器SA508-3鋼高溫性能試驗(yàn)分析[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2011，43（2）：202-206.

[3]李承亮，張明乾.壓水堆核電站反應(yīng)堆壓力容器材料概述[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008，22（9）：65-68.

[4]Iwadate T，Tanaka Y，Takemate H.Prediction of Fracture Toughness KIC Transition Curves of Pressure Vessel Steel from Charpy V-Notch Impact[J].Test Results The Japan Steel Works LTD，1992，47：62-64.

[5]張美麗.厚壁壓力容器焊接殘余應(yīng)力及變形的數(shù)值研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2010.

[6]張敏，陳陸陽，李繼紅，等.焊接工藝對(duì)厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程，2011，34（2）：16-19.

[7]Zhu X K，Chao Y J.Effect of temperature-dependent material properties on welding simulation[J].Computers and Structures，2002，80（11）：967-976.

[8]Goldak J，Chakravarti A，Bibby M.A new finite model for welding heat source[J].Metallurgual Transactions，1984，15B（2）：299-305.

[9]Teng T L，Lin C C.Effect of welding conditions on residual stresses due to butt welds[J].International of Pressure Vessels and Piping，1998，75（12）：857-864.

[10]張美麗.熱處理對(duì)核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響[J].商洛學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，27（2）：36-39.

Influence of welding speed on welding residual stress of the thick-wall nuclear pressure vessel

ZHANG Meili
（Shaanxi KeyLaboratoryofComprehensiveUtilization of TailingsResources（ShangluoUniversity），Shangluo 726000，China）

Based on the ANSYS finite element analysis,technology of Hot-Structure coupling and death cell is applied to simulate the influence of different welding speed on the residual stress in the saddle-shaped weld on nuclear pressure vessel.Through analysis of the postweld stress field and temperature field，it is found that residual stress is maximum in the weld center，and the residual stress reduces when the distance from the weld center increases.Wherein，when welding speed is 450 mm/min and 400 mm/min respectively，the postweld equivalent stress variation trends basically coincide，and when welding speed is 420 mm/min，the postweld stress are slightly higher than the other two.

finite element；pressure vessel；welding speed；residual stress

TG404

A

1001-2303（2017）09-0090-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.19

本文參考文獻(xiàn)引用格式：張美麗.焊接速度對(duì)核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（09）：90-94.

2017-09-08

商洛學(xué)院科研基金項(xiàng)目（13SKY-FWDF005）

張美麗（1985—），女，講師，主要從事焊接結(jié)構(gòu)失效分析及多孔材料制備工藝的研究工作。E-mail：283233650@qq.com。