多焊缝管板结中构焊接工艺与残余应力分析.doc

多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析摘 要近年来，压水式反应堆和沸水堆带有贯穿件的焊接结构中发现了应力腐蚀裂纹，对核电运行造成了潜在的安全隐患，这已经引起了研究人员的重视。材料性能、腐蚀介质和应力状态是造成应力腐蚀裂纹的三个主要因素，尤其是在焊缝区附近产生的焊接残余应力较大，是导致焊接件中出现应力腐蚀裂纹的重要因素。采用数值模拟方法，对异种金属管板焊接结构进行残余应力的预测与评价，对于核反应堆中贯穿件的焊接具有重要意义。为了优化大型多焊缝管板结构的焊接工艺，本文利用焊接热传导、焊接热弹塑性有限元分析理论和 ANSYS 大型有限元分析软件，以同种金属管板结构焊接温度场和残余应力场的数值模拟为基础，提出了适用于有 T 型材的多焊缝管板结构焊接残余应力场数值模拟的有限元模型和热源加载方式、多层焊道的填充等计算方法，并分析了坡口角度、焊接顺序和焊缝相交处堆焊对焊接残余应力的影响。利用此有限元模型和计算方法对有T 型材的低合金高强钢 S690 和 SS316L 不锈钢异种金属多焊缝管板结构的焊接温度场和残余应力场进行了数值模拟，并采用盲孔法对实际焊接件进行了表面残余应力测试，试验验证了有限元模型和计算方法在有 T 型材的多焊缝管板结构焊接残余应力场数值模拟与预测方面的适用性。研究结果表明，对于低合金高强钢管板焊接结构，坡口角度由 40°增加到 50°，在一定程度上改善了 Von-Mises 等效应力、切向和轴向残余应力分布；对径向残余应力分布的恶化作用并不明显。焊接顺序对等效应力以及径向、切向和轴向残余应力峰值有较大影响，两面交替焊优于其他焊接顺序。修正的两面交替焊与两面交替焊的等效应力以及径向、切向和轴向残余应力峰值基本相同。在实际的焊接操作中，大角度坡口可以保证焊透，减少焊接缺陷，而修正的两面交替焊可以减少焊件的翻转次数，提高工作效率。因此，从简化操作工艺，提高焊缝质量的角度出发，50°坡口角度和修正的两面交替焊是比较好的焊接工艺。模拟结果显示，对于有 T 型材的多焊缝管板焊接结构，焊缝相交处的堆焊层明显降哈尔滨工程大学博士学位论文低了环焊缝焊趾处的等效应力和轴向残余应力峰值；对径向和切向残余应力峰值影响较小。堆焊层还明显降低了焊缝相交处的等效应力和轴向残余应力峰值，并在一定程度上降低了切向残余应力峰值；只有径向残余应力峰值有所增加。因此，有 T 型材的多焊缝管板焊接结构，在所有焊缝完成后，在贯穿件与壳板环焊缝和 T 型材与壳板焊缝相交处采用奥氏体焊材堆焊，可以作为焊后释放残余应力的有效方法。为了验证有 T 型材的多焊缝管板焊接结构的有限元模型和计算方法，本文对低合金高强钢S690和SS316L不锈钢异种金属多焊缝管板结构进行了焊接残余应力的分析和测试，计算结果与实际测得的应力值吻合较好。焊接结构件的应力测试值基本反映了有限元模型计算得出的残余应力变化趋势，试验验证了数值模拟中采用的有限元模型和计算方法预测焊接结构残余应力分布的适用性。结合数值模拟与试验验证结果，获得了在坡口角度 50°和修正的两面交替焊的焊接工艺条件下，低合金高强钢 S690 和 SS316L 不锈钢异种金属多焊缝管板结构焊接残余应力场的分布规律。环焊缝在壳板上的热影响区和焊趾处出现压应力区，贯穿件上的残余拉应力较小，测得的最大等效应力在环焊缝熔合区，距离环焊缝与壳板熔合线 2mm 处，为 269MPa。关键词：有限元；ANSYS；残余应力；管板结构；焊接多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析第 1 章 绪论.11.1 选题背景及意义.11.2 焊接残余应力场的研究进展.11.2.1 焊接残余应力场的试验研究.11.2.2 焊接残余应力场的数值模拟.21.3 核反应堆中异种金属管板焊接结构的数值模拟.91.3.1 异种金属焊接及其数值模拟.91.3.2 异种金属管板焊接结构及其数值模拟.121.4 本文主要研究内容.17第 2 章 管板结构焊接工艺与残余应力分析.182.1 焊接残余应力的有限元分析.182.1.1 焊接热传导分析.182.1.2 焊接热弹塑性应力分析.212.2 管板焊接结构有限元模型.262.2.1 管板焊接结构.262.2.2 有限元模型的建立.272.3 焊接物理模型的建立.292.3.1 温度场计算模型.302.3.2 热源模型.312.3.3 生死单元.322.3.4 应力场计算模型.332.4 焊接温度场的计算与分析.342.4.1 温度场分布.342.4.2 温度随时间变化曲线.362.5 焊接应力场的计算与分析.372.5.1 单元转换与材料性能定义.372.5.2 位移边界条件.372.5.3 残余应力分析.382.6 焊接工艺对管板焊接结构残余应力分布的影响.402.6.1 坡口角度对焊接残余应力分布的影响.402.6.2 焊接顺序对焊接残余应力分布的影响.422.7 贯穿件几何尺寸改变后管板焊接结构残余应力分布的预测.472.7.1 贯穿件外径改变后焊接残余应力分布的预测.48多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析2.7.2 贯穿件壁厚改变后焊接残余应力分布的预测.502.8 本章小结.54第 3 章 多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析.553.1 多焊缝管板焊接结构有限元模型.553.1.1 多焊缝管板焊接结构.553.1.2 有限元模型的建立.563.2 焊接应力场的计算与分析.593.2.1 残余应力分析.593.2.2 三条焊缝相交处的残余应力分布.613.2.3 环焊缝焊趾处的残余应力分布.623.3 焊接顺序对多焊缝管板焊接结构残余应力分布的影响.663.4 堆焊对多焊缝管板焊接结构残余应力分布的影响.723.4.1 有限元模型的建立.723.4.2 焊接应力场的计算与分析.753.5 本章小结.83第 4 章 异种金属多焊缝管板结构焊接残余应力分析.844.1 异种金属多焊缝管板焊接结构有限元模型.844.1.1 异种金属多焊缝管板焊接结构.844.1.2 有限元模型的建立.864.1.3 材料参数.874.2 焊接温度场的计算与分析.894.2.1 温度场分布.894.2.2 温度随时间变化曲线.904.3 焊接应力场的计算与分析.914.3.1 位移边界条件.914.3.2 残余应力分析.924.4 本章小结.94第 5 章 异种金属多焊缝管板结构焊接残余应力测试.955.1 异种金属多焊缝管板焊接结构件的残余应力测试.955.1.1 异种金属多焊缝管板焊接结构件.955.1.2 残余应力计算.955.1.3 残余应力测试.965.2 残余应力测试结果与计算结果对比.985.2.1 经过环焊缝的残余应力结果对比.985.2.2 经过 T 型材与贯穿件焊缝的残余应力结果对比. 102哈尔滨工程大学博士学位论文5.3 本章小结.104结 论.106参考文献.108攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果.118致 谢.119第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 选题背景及意义焊接一般包括焊接传热过程、化学冶金过程、金属的结晶和相变过程。如果计算机能够用来模拟焊接过程中涉及的各种物理化学现象，如焊接时的热过程、金属的熔化和凝固，冷却时的相变、焊接应力与变形等，我们就可以通过计算机系统来控制和优化这些因素，确定焊接各种结构和材料时的最佳焊接工艺和焊接参数，得到一个高质量的焊接结构。计算机还可以用来分析焊接结构使用过程中的强度和性能等问题1-4。近年来，用于压水式反应堆和沸水堆的带有贯穿件的焊接结构中发现了应力腐蚀裂纹，这引起了人们对核电站部件的安全性和结构完整性的重视。材料性能、腐蚀介质和应力状态是造成应力腐蚀裂纹的三个主要因素，而部件表面的残余拉应力大大增加了应力腐蚀开裂的危险性。因此，核电站部件的深入设计和结构完整性评估要求准确预测加工过程中产生的残余应力。尤其是在焊缝区附近产生的焊接残余应力较大，是导致焊接件中出现应力腐蚀裂纹的重要因素5,6。因此，利用有限元分析方法和焊接热弹塑性分析理论对管板焊接结构和带有T型材的管板焊接结构的温度场和残余应力场进行数值模拟，分析焊接残余应力的分布及其主要影响因素，寻求最佳的焊接工艺和规范参数，对核反应堆中贯穿件的焊接具有借鉴意义。1.2 焊接残余应力场的研究进展1.2.1 焊接残余应力场的试验研究从 20 世纪 30 年代开始，人们通过一些简单的试验测量和数据整理，开始了对焊接应力应变的分析和研究。随着理论经验和试验数据的不断积累，逐渐发展完善了焊接应力应变的理论体系，同时提出了多种残余应力的测试方法。利用测试手段掌握焊接结构的残余应力分布，分析其产生和存在的规律性。焊接残余应力的测量方法包括应力释放法和无损测量法。钻小盲孔的残余应力释放法因其简单易行，实用性强，测量精度较高，而得到了广泛应用7-10。目前，利用焊接热弹塑性理论，借助于有限元方法和高速计算机可以计算和预测残余应力的形成和分布，在某些场合可以获得比较理想的结果。但是，由于焊接过程本身哈尔滨工程大学博士学位论文2的复杂性和数值模拟分析自身的局限性，理论计算和实际检测的结果并不能总是符合得很好，因此，残余应力的实测是非常必要的。另一方面，为了获得安全可靠、经济适用的焊接结构，通过多次试验，或根据过去的经验可以提出满足要求的焊接工艺。但是对于新材料或者新的焊接结构，则没有足够的试验数据或经验可以借鉴，如果只依靠试验方法进行焊接结构设计和工艺优化，要花费很长时间，成本也很高。利用数值模拟方法，可以通过少量验证试验证明其方法在进行焊接结构的残余应力预测和评价上的适用性，焊接工艺方法和参数的优化就可以由计算机完成，从而节约了大量的成本11。1.2.2 焊接残余应力场的数值模拟在焊接工程中经常遇到的焊接传热过程、焊接结构的应力和变形、焊接过程中的氢扩散等问题，通常可以归结为求解某些特定的微分方程组。但是，要想求得这些方程的解析解，必须进行许多简化的假定，在十分简单的情况下进行。而数值分析则可以处理各种复杂的边界条件和非线性问题，因此目前大多采用数值解法。其中，有限元法几乎适用于求解所有的连续介质和场的问题，在很多工程领域中得到了广泛的应用1-4。20世纪70年代，日本的上田幸雄等将有限元法用于焊接数值模拟中，提出了焊接热弹塑性分析理论，考虑了与温度有关的材料力学性能，使分析复杂的焊接动态应力应变过程成为可能1,12,13。随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法已经广泛地用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力与变形分析、焊接结构的断裂力学分析等研究中。焊接过程温度场的数值模拟与仿真及焊接过程应力、应变场的数值模拟与仿真是其中非常重要的研究内容1-3。1.2.2.1 焊接温度场的数值模拟焊接残余应力和变形产生的根本原因是焊接过程中高度集中的瞬时热输入而导致的不均匀温度场。热应力和相变引起的体积变化均产生了弹塑性形变，不均匀的永久塑性形变最终产生了焊接残余应力和残余变形。影响温度场的因素很多，如：焊接热源、焊接速度、焊接材料尺寸、边界条件、材料热物理性能等，因此在计算温度场时应综合考虑以上因素14。焊接温度场的准确测定和数值分析，是进行焊接动态冶金分析和热弹塑性动态应力、应变分析的基础。关于焊接热过程的解析，雷卡林等建立了焊接传热学的理论基础。这些研究必须假定热源瞬时集中于一点、一线或一面，焊件的尺寸无限大，并且不考虑材料的热物理性能随温度的变化，才能求解热传导的微分方程。而实际上焊接过程不仅第 1 章 绪论3涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等非常复杂的现象，同时还存在着因为温度剧烈变化和高温引起的材料热物理性能的变化而导致的传热过程严重非线性。因为这些假定不符合焊接的实际情况，造成许多情况下得到的数学解析解与实际测定产生较大的偏差，尤其是在焊接熔池附近的高温区误差更大，而研究者最为关注的也正是焊缝及附近热影响区的组织与性能1-3,15。在焊接温度场的计算中，需要考虑许多复杂因素，如焊接热源的施加，冷却过程中的相变伴随相变潜热的产生，随温度变化的材料热物理性能和边界换热系数，焊接工艺方法的边界条件处理以及不同的焊接接头形式等。因此，焊接过程中温度场的计算是非线性瞬态传热问题，其中焊接热源是实现焊接过程的基本条件1-3。在二维（X-Y面）焊接温度场的有限元计算中应用较多。例如电弧、束流和火焰焊接时，采用热流密度为高斯函数的表面热源，如图1.1所示，可以获得比较准确的温度场计算结果，进而能够得到较好的应力、应变场的数值模拟结果。高斯热源模型适用于电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况，如手工电弧焊、钨极氩弧焊等常用的焊接方法，但由于忽略了Z方向的热流，没有考虑电弧穿透的影响而受到限制4,15-18。蔡志鹏等认为在较高的焊接速度下，电弧热流作用区可近似为带状。在高斯热源模型的基础上提出了分段移动高斯热源模型。将一条焊缝分成若干段，每一段焊缝划作为一个时间步，在段内的节点上同时施加高斯热源，然后按照焊接顺序依次加热各段，如图1.2所示。这种热源模型减少了模拟点状热源在段内移动所需要的时间步，从而减少了计算量19-22。当采用双椭球热源模型进行模拟时，由于热源体积很小，为了获得比较满意的焊接温度场，在焊接热源附近温度梯度大的区域划分的网格要比较致密，控制焊缝单元网格的长度，并划分很多时间步减小步长进行计算，这会使计算时间大幅延长14。为了解决这个问题，王煜等在双椭球热源模型的基础上提出了分段移动双椭球热源模型，如图1.4所示。与分段移动高斯热源模型类似，在较高的焊接速度下，在焊缝上施加的移动热源可以近似看做为段状热源。将较长的焊缝划分成若干段，在每一段内的节点上同时作用双椭球形热源。在垂直于焊接方向的截面上热流密度为双椭球形热源分布函数，而沿焊接方向上的热流密度则为均匀分布，所以焊接方向上可以用比较大的尺寸进行网格划分。每一段焊缝可以划分为较少的时间步，每步采用较大的步长进行计算。按照焊接顺序将此等效段状热源依次施加到各段上，模拟出焊接热源的移动。由于划分的时间步较少，用较大的尺寸划分网格，减少了计算量，缩短了计算时间14,28,29。双椭球热源模型考虑了熔滴过渡形成的内热源，模拟的熔池形状与实际的焊缝熔合线在熔池内部较为吻合，但是在熔池表面温度较低。为了求得准确的计算结果，可以采用组合热源。组合热源模型是将表面热源与体热源二者相结合，使模拟的热源模型能够兼顾能量在熔池表面和内部的分布，更加接近焊接过程的实际情况30-33。通常将焊件的热输入分为两部分，一部分为电弧热量，采用高斯型热源分布函数作为表面热源进行模拟；另一部分为熔滴热量，采用双椭球型热源分布函数作为内热源进行模拟。一般选择电弧热量占总热量的40%，熔滴热量占总热量的60%4,34-36。焊接冷却过程中相变潜热的释放，将对瞬态温度分布产生影响，减小焊件的冷却速度。因此，在分析焊接热传导问题时应考虑相变的影响。其中，液固相变起主要作用，而固态相变影响较小。对于结晶温度范围较宽的合金，目前多采用等价比热容法处理液固相变潜热。单位质量金属在相变温度范围内变化单位温度所引起的热量变化可以理解成比热容，实际上这个比热容包括两部分即材料的真正比热容和潜热引起的比热容增加，称此比热容为等价比热容或有效比热容(亦称当量比热容)37。关于相变与温度场的耦合问题，国外研究较多。2000年，Ronda等用统一的方法推导了相变规律和相变塑性，建立了相容的TMM模型(thermo-mechano-metallurgicalmodel)，并形成了系统理论。这个模型研究了温度变化以及应力应变变化对相变的影响。并用此模型分析了厚板对接3道焊和16道焊的温度场、相变规律和残余应力38-44。关于焊接热传导的数值分析，目前尚存在的一些主要问题是1-4,13,45：(1) 计算中缺乏材料的高温热物理性能参数。许多材料的高温，尤其是接近熔点的热物理性能没有相应数据，某些材料只有室温状态下的性能参数，这给非线性计算带来困难，也造成了计算结果与实际条件的偏差。(2) 热源分布参数的确定。电弧的有效加热半径及热量分布形式与焊接方法和规范有关，还需要进一步的研究。(3) 电弧有效利用系数的选取。必须根据实际焊接情况正确选取。(4) 焊接熔池的处理。基于固体热传导微分方程式，进行焊接冶金分析以及焊接力学行为的分析，能够保证足够的精度，不需考虑焊接熔池内部液态金属的对流传热特点。但是，如果要进行焊接熔池行为的动态数值模拟时，就必须分析研究焊接熔池中的流体哈尔滨工程大学博士学位论文6动力学状态。与此同时，焊接有限元模拟的领域也已经拓展到了熔池反应、凝固、固态相变、焊接接头的性能等各个方面1-3。1.2.2.2 焊接残余应力场的数值模拟焊接应力与应变的数值分析研究包括：焊接动态应力应变过程、相变应力、焊接残余应力与残余变形、消除应力处理、焊接裂纹及其力学指标、拘束度与拘束应力、高精度焊接变形的预测等14。20世纪70年代，上田幸雄等在焊接热弹塑性分析理论的基础上进行深入研究，创建了一门新的学科“焊接计算力学”。他们还发展了固有应变理论，进行焊接残余应力的预测46。Rybicki等分析了304不锈钢管道对接接头的残余应力分布，建立了轴对称的热弹塑性有限元模型，并与试验结果进行了比较，如图1.5所示。他们还分析了不锈钢管道多层多道焊的残余应力产生机制，其计算结果与试验结果吻合较好46,47。图1.5 管道环焊缝内表面残余应力46,47Fig. 1.5 Segmented moving double ellipsoid heatL. E. Lindgren等采用壳单元对平板对接焊缝和薄壁管道环焊缝的残余应力进行了研究。计算结果与试验数据吻合较好，说明壳单元适用于分析薄壁结构焊接残余应力。计算结果还表明，除起焊端外，残余应力基本上呈轴对称分布；切向残余压应力区从焊缝中心沿着轴线逐渐减小，这是由相变引起的体积变化造成的46,48。Y.Dong等采用壳单元对奥氏体不锈钢管道环焊缝的残余应力分布以及管道壁厚对环焊缝残余应力的影响进行了研究，建立了管道对接接头的三维有限元模型。结果表明，切向残余应力在内外表面均为拉应力；而轴向残余应力在近缝区内表面为拉应力，外表面为压应力；薄壁管道焊后产生较小的轴向残余应力和较大的切向残余应力46,49。第 1 章 绪论7T. Inoue等对于焊接过程中温度变化引起的相变进行了研究，分析了温度、相变和热应力三者之间的耦合效应，如图1.6所示。并提出了考虑耦合效应的本构方程一般形式。对于热弹塑性问题所涉及到材料物理性能x可以由公式（1-1）计算得出我国在20世纪80年代初开始进行焊接数值模拟的研究工作。1996年汪建华等采用三维热弹塑性有限元法编制了三维瞬态焊接温度场的有限元计算机程序，并对焊接过程中的动态应力应变及焊后残余应力和变形进行了数值模拟，探讨了提高焊接过程三维热弹塑性有限元分析精度和收敛性的途径，包括焊接温度场的准确计算、热源模型的选取、网格划分和时间步长的正确选取、从弹性阶段过渡到塑性阶段时引入加权系数、高温时材料性能匹配等14,54-61。2000年魏艳红等对不锈钢焊接凝固裂纹的驱动力即熔池尾部应变场进行了模拟，得哈尔滨工程大学博士学位论文