焊接工藝對厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響

摘 要：隨著社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展，我國能源需求的缺口越來越大，為了緩解能源供求之間的矛盾，國家加大了對核能的開發(fā)和利用。作為一種相對清潔、安全、廉價的新型能源，核能的戰(zhàn)略位置日益彰顯出來。但是核反應(yīng)堆具有強烈的輻射性，這就對反應(yīng)堆壓力容器提出了較高的要求。在制造核壓力容器時應(yīng)該采用優(yōu)質(zhì)材料，并對制造質(zhì)量和使用期間質(zhì)量進行嚴格把關(guān)。但是隨著能源需求的不斷增加，核電站數(shù)量和反應(yīng)堆單堆的容量不斷提高，大型化、復(fù)雜化的核壓力容器制造越來越多地依靠焊接工藝。文章將深入探討焊接工藝對厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響，以期為厚壁核壓力容器焊接制造過程中殘余應(yīng)力的消除和變形控制提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：殘余應(yīng)力；焊接工藝；有限元；坡口形式；熱處理

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代科學技術(shù)的進步，焊接工藝的應(yīng)用日益廣泛，涉及到方方面面，航空航天、海洋工程、核動力工程等領(lǐng)域都是焊接工藝所廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域。焊接工藝是一個涉及電弧物理、傳熱、冶金和力學的復(fù)雜過程，是將金屬材料連接成構(gòu)件的最重要方法。在核壓力容器的制造過程中，更是發(fā)揮著不可替代的作用。為了加強能源安全，減少核輻射對自然界和人類社會的危害，必須保證核壓力容器的質(zhì)量。因此，研究焊接工藝對厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響，掌握焊接過程中構(gòu)件的殘余應(yīng)力和大小分布規(guī)律，保證焊接接頭的安全可靠性，以此來確保核壓力容器的質(zhì)量安全，是現(xiàn)在亟待解決的重要課題。

1 焊接殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀

1.1 焊接殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀

首先以有限元法為基礎(chǔ)，對焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變過程進行分析的是在20世紀70年代，日本大阪大學的上田幸雄教授等人，此后，有限元模擬技術(shù)得到了迅速發(fā)展，通過建立有限元模型使得復(fù)雜的動態(tài)焊接應(yīng)力分析過程得以簡化。我國雖然在計算機分析焊接力學方面起步較晚，但是發(fā)展速度不慢，已經(jīng)取得了相當大的成就。1983年陳楚等系統(tǒng)地分析了熱彈塑性理論，推導(dǎo)出了有限元計算公式，并編制了相應(yīng)的計算機程序，進入90年代，國內(nèi)學者做了更加廣泛深入的研究。現(xiàn)階段，以保證焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性為目的，使用不同方法消除焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值計算也發(fā)展起來。但是，這仍然不能滿足實際工作需求，對于該課題的研究仍然任重道遠。

1.2 現(xiàn)有研究存在的問題

雖然現(xiàn)階段對焊接殘余應(yīng)力的研究取得了長足的發(fā)展，但是仍然不能滿足實際工程的需要。要用數(shù)值分析的方法使得復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力得以控制尚存在很多問題，主要表現(xiàn)在：首先，材料的熱物理性能存在數(shù)據(jù)不足的問題，比如比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等這些都是非常重要的數(shù)據(jù)。其次，在熱源分布參數(shù)的數(shù)據(jù)方面也存在資料匱乏的問題，對于開坡口焊縫、多層焊縫等的熱源分布形式也須進一步研究。第三，存在不足的問題還表現(xiàn)在對焊接熱源的熱效率選取上，這方面資料分散，出入較大。最后，對于焊接熔池的處理也存在問題，典型的就是沒有考慮焊接熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的對流傳熱特點。此外，我國目前雖然對復(fù)雜核壓力容器焊接殘余應(yīng)力進行了分析，但是仍然處于初級階段。只有進一步認識焊接數(shù)值模擬技術(shù)的意義和作用，正確認識和掌握焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，才能精確計算焊接殘余應(yīng)力，為實際工作提供理論支持。

1.3 焊接應(yīng)力和變形的分析理論

溫度場是模擬焊接應(yīng)力、應(yīng)變的基礎(chǔ)，而屈服準則、流動準則、強化準則和熱彈塑性基本理論則是進行應(yīng)力、應(yīng)變的主要計算依據(jù)。在采用ANSYS軟件對焊接過程進行模擬時，這些理論和依據(jù)作為判斷材料是否屈服、如何流動、如何強化的依據(jù)，也為材料發(fā)生彈性和塑性變形時應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的計算提供了理論基礎(chǔ)。屈服準則對材料開始塑性變形的應(yīng)力狀態(tài)做出了明確規(guī)定，它通過對單值的等效應(yīng)力的計算，并與屈服強度進行比較來確定材料的屈服時間。流動準則從幾何方面解釋成與屈服面的法向與塑性應(yīng)變增量向量的方向一致。要想弄清楚初始屈服準則是怎樣隨著塑性應(yīng)變的增加而發(fā)展的就應(yīng)該運用強化準則。想要了解整個焊接過程動態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變的變化過程和最終的殘余應(yīng)力和變形的狀態(tài)就應(yīng)該正確運用熱彈塑性基本原理來進行科學計算。

2 焊接工藝對厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響

2.1 焊接工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力的影響

形成焊接殘余應(yīng)力的根本原因是存在不均勻的溫度場。而焊接殘余應(yīng)力又是導(dǎo)致裂紋的重要因素。針對于1300℃、1400℃、1460℃不同的焊接工藝參數(shù)，其焊接后的等效殘余應(yīng)力的變化趨勢會呈現(xiàn)出相同的狀態(tài)。在焊縫中心應(yīng)力最大，越是遠離焊縫中心，應(yīng)力會隨著距離的增加而逐漸減小。其中，尤其以1300℃和1460℃焊后應(yīng)力變化曲線基本趨于相同，其應(yīng)力值分別為359.78MPa和360.17MPa，而1400℃的曲線要略高于其他兩種，其應(yīng)力值也最大，為367.17MPa。由此可見，采用不同的焊接工藝參數(shù)，會對焊后殘余應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響。

2.2 坡口形式對焊接殘余應(yīng)力的影響

在對厚壁核壓力容器進行焊接的過程中，能夠影響焊接殘余應(yīng)力的因素有很多，坡口形式也是對其造成影響的因素之一。所以在實際操作中，選擇合理的坡口形式和坡口尺寸是必要且重要的。針對于30mm寬I型坡口、38mm寬I型坡口和30mm寬雙U型坡口這三種不同的坡口形式，通過運用有限元計算后的結(jié)果來表明對焊接殘余應(yīng)力的影響。在焊接完成之后，在焊縫中心的等效應(yīng)力值均不同，38mm寬的I型坡口在焊后的殘余應(yīng)力最大，應(yīng)力值為452.75MPa，30mm寬的I型坡口的次之，值為413.97MPa，30mm寬的雙U型坡口的應(yīng)力最小，值為367.26MPa。三者相同的是，在焊縫中心的應(yīng)力最高，隨著遠離焊縫中心，應(yīng)力逐漸減小。因此，在焊縫具有相同寬度的前提下，焊后應(yīng)力相對較低的是雙U型坡口；如果焊縫具有相同的坡口形式，焊后殘余應(yīng)力相對較小的是30mm寬。

2.3 焊后熱處理工藝對焊接殘余應(yīng)力的影響

對焊接殘余應(yīng)力進行消除是為了實現(xiàn)保證焊接結(jié)構(gòu)安全可靠的目的。其中熱處理就是最常用的方法之一。通過對30mm寬的I型坡口在6道焊接完成后進行熱處理，610℃的回火溫度，在爐中分別保溫1-5h，然后冷卻，消除殘余應(yīng)力。經(jīng)過試驗不難發(fā)現(xiàn)，在未進行熱處理前焊縫處的等效應(yīng)力值最大，在熱處理后焊縫中心的應(yīng)力相對減小。在焊縫中心，熱處理之前應(yīng)力峰值為413.97MPa，熱處理后等效應(yīng)力相對較高的是1小時和5小時后，分別為344.72MPa和336.51MPa。等效應(yīng)力相對較低的是2小時、3小時和4小時后，數(shù)值分別為263.10MPa、267.66MPa和265.17MPa。由此可見，熱處理可以充分有效降低焊接殘余應(yīng)力，致使焊接殘余應(yīng)力的重新分布，且610℃的整體高溫熱處理2個小時更有利于消除殘余應(yīng)力。

3 結(jié)束語

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，對能源的需求量越來越大，能源供給面臨的壓力與日俱增。核能的開發(fā)潛力巨大，前景廣闊，應(yīng)該大力開發(fā)，投入使用。但是與此同時，能源安全問題也不斷提上日程。核壓力容器的日趨復(fù)雜化不斷對能源安全問題提出新的挑戰(zhàn)，其中焊接工藝是其中一項重要的關(guān)乎質(zhì)量的控制手段，必須不斷完善，文章對焊接工藝對厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響進行探討，希望能夠為改善核壓力容器質(zhì)量措施的實施提供借鑒意義。

參考文獻

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