熱循環曲線法在焊接工藝優化中的應用

□周紅梅

反應堆壓力容器支座采用焊接結構，由不同板厚、不同形狀的板材采用多層多道焊方法連接而成，在焊接過程中由于熱脹冷縮，不可避免地會產生焊接變形和殘余應力［1］，工廠為了避免焊接變形導致的結構不連續性和產品質量的不穩定性，在焊后均要對支座結構進行矯形或者機加工來保證尺寸精度，該過程耗時長且花費大量資金。目前，現場測試是獲取焊接結構的殘余變形和殘余應力的主要方法［2］，但是這只能獲得少數測試點上的數據;另一種普遍采用的技術手段是使用數值模擬的方式來預測焊接殘余變形和殘余應力［3］。國內外對多層多道焊處理最常用的方法有固有應變法、生死單元法、改變填充單元的材料特性法［4～5］。本文在生死單元的基礎上，提出了一種熱循環曲線的方法，對兩種不同的焊接工藝分別進行了焊接變形和焊接殘余應力的分析。

一、熱源模型

在對反應堆壓力容器支座進行組裝前，需要對焊接工藝進行確認。在這里采用兩塊110mm* 300mm* 50mm 板材作為研究對象，兩種不同的焊接工藝參數如表1 所示。

表1 焊接工藝參數

(一)熱源模型的建立。在進行焊接熱彈塑性有限元分析的過程中，一般采用的是“熔池邊界準則”，即使模擬出來的熔化區域邊界線和實驗得到的熔合線相符，如果滿足該條件，即可認為得到的能量分布密度是合理的。在目前所采用的熱源模型中使用最多的是Goldak 熱源模型［6］，其數學表達式如下式所示:

通過采用Goldak 熱源模型對兩種不同焊接工藝進行溫度場仿真計算，所得到的計算結果如下所示:

圖1 工藝1 對應的熔池截面圖

圖2 工藝1 對應的瞬態溫度場云圖

(二)熱源模型簡化。在這里，采用一定長度焊縫的平均熱循環曲線方法代替移動熱源的方法來對熱源進行簡化。在對局部接頭進行完溫度場計算之后，將熔池區域的所有節點上的溫度進行提取并做平均化處理，就可得到兩種不同工藝下的熱循環曲線。

圖3 兩種不同工藝對應的熱循環曲線

二、材料物理性能參數

支座結構由SA-572 Gr．50 結構鋼焊接而成，考慮到該材料與Q345 材料的成分和性能都比較接近，因此在該次模擬中使用的材料數據庫為SYSWELD 軟件自帶的Q345 數據。

材料數據庫中的物理性能參數包括熱學性能參數和力學性能參數兩大類。熱學性能參數主要包括比熱容、熱導率、對流系數、線膨脹系數等;力學性能參數主要有彈性模量、泊松比、屈服強度、熱應變、屈服強度等。

三、網格模型及約束

該焊接接頭由兩塊不同厚度的板材通過多層多道焊連接而成，焊接過程中為了控制焊接變形施加了連接板。由于該結構產生的焊接變形主要是角變形，因此在這里將其簡化成平面應變問題進行求解。在網格處理過程中采用面單元對網格進行劃分，根據焊縫區域模型網格細化、遠離焊縫區域網格可以適當粗大的網格劃分基本原則進行。網格劃分過程中，首先對焊縫區域網格進行劃分，其次對遠離焊縫的區域進行網格劃分，總共生成面單元的數量為8710，焊縫區由110 道焊縫構成，劃分好的網格如圖5 所示。

圖4 結構尺寸

圖5 網格模型

四、計算結果及分析

經過計算，工藝1 下等效殘余應力和縱向殘余應力計算結果如圖6 所示。

圖6 工藝1 對應的Von-Mises 應力

通過上面馮米塞斯殘余應力分布云圖，可以看見最大殘余應力區域位于Y 方向(厚度方向)離焊根25 ～30mm 的位置，該區域的應力集中系數較高，同時焊根處幾何突變位置也產生了較大的應力集中。最大的等效殘余應力達到了614MP。同時，通過分析縱向應力分布云圖，可以看見焊縫區主要呈現壓應力分布，隨著距離焊縫中心距離的增加，壓應力逐漸變為拉應力，其中最大拉應力為661MP，最大壓應力為202MP。

圖7 工藝1 對應的縱向殘余應力

兩種不同焊接工藝下的殘余應力對比結果如表2 所示。

表2 不同工藝下縱向殘余應力數值對比

工藝1 下產生的焊接變形如圖8 所示(該結果為去掉連接板之后的結果)。

圖8 工藝1 對應的整體位移

通過上面的計算結果可以看到，雖然有連接板的固定作用，但是由于焊接過程中產生的壓縮塑性變形，在連接板去掉之后仍然產生的2．4mm 的焊接變形，變形趨勢主要為+Y 方向。兩種不同工藝下的焊接變形數據如表3 所示。

圖9 工藝1 對應的Y 向位移

五、結語

通過分析兩種不同焊接工藝產生的焊后殘余應力和焊接變形，可以得出如下結論:一是熱循環曲線法可以很好地對多層多道焊進行仿真計算，計算結果能夠為焊接工藝設計提供數據支持。二是工藝2 由于線能量輸入較大，產生的殘余應力大于工藝1 產生的殘余應力;工藝2 焊后產生的焊接變形大于工藝1 產生的焊接變形。綜合比較兩種不同的焊接工藝，推薦使用焊接工藝1 進行焊接。

表3 不同工藝下焊接變形對比

［1］奧凱爾勃洛姆．HO;雷原譯．焊接應力與變形［M］．北京:中國工業出版社，1958

［2］宋天民著．焊接殘余應力的產生和消除［M］．北京:中國石化出版社，2010

［3］D．拉達伊著;熊第京等譯．焊接熱效應［M］．北京:機械工業出版社，1997

［4］陳立功，建華，純珍．基于固有應變法簡體對接多道焊焊接變形的預測焊［J］．焊接學報，2007，28(1):77 ～80

［5］柏林，陸皓． 基于固有應變法的大型圓筒焊接變形預測［J］．造船術，2005，5:35 ～37

［6］John Goldak． A new finite model for welding heat source［J］．Metallurgical Transactions，1984，15B(2):299 ～301