核電SC結構模塊拼裝焊接變形量仿真研究

吳曄華，陳鵬，劉一搏，侯陽

1.核工業工程研究設計有限公司 北京 101300

2.哈爾濱工業大學（威海） 山東威海 264209

3.哈爾濱工業大學 黑龍江哈爾濱 150001

1 序言

國內某核電站屏蔽廠房SC結構模塊是由雙層鋼板、鋼筋和混凝土組成的復合結構，位于CV筒體外側。SC結構模塊在焊接過程中，具有整體結構尺寸大、焊縫數量多、變形控制難度大、焊后矯形困難等特點，因此尋找大型構件焊接變形的控制方法，并對焊接變形進行預判顯得尤為重要。當前，計算機數值模擬輔助軟件在工程實踐中的應用正逐漸增加[1，2]。但由于SC結構模塊變形量數值模擬具有模型尺寸大、形狀不規則、結構細節多等模擬難點，若直接對整體結構采用熱彈塑性有限元進行計算，所花費的時間會相當長，并且存在收斂難、結果文件巨大的問題，可能無法獲得模擬結果。

Sysweld軟件由于內部含有“局部-整體”映射算法，因此更適合大型焊接構件的變形仿真研究[3，4]。可將焊縫的殘余應力與塑性應變從整個焊接構件的變形中分離提取，根據焊接構件的不同坡口形式建立局部有限元模型，得到局部模型結果后提取塑性應變與焊縫剛度，再利用宏單元技術將局部模型結果映射到整體模型進行焊接裝配，從而容易得到整體的模擬變形結果[5]。因此，本文采用Sysweld軟件開展對SC結構模塊的多設備協同焊接，通過對焊接變形量進行數值模擬，來指導后續現場的焊接施工。

圖1 SC兩環1∶1整體數學模型

2 模型構建

SC結構模塊模型主要包含24塊板材，取自于整體SC結構模塊的第16環和第17環。單板尺寸為12 559mm ×3000mm×20mm，板材由內外兩側構成。為了提高模擬計算效率和收斂性，在不影響模擬整體結果的前提下對模型部分結構進行調試優化，對數學模型的真值度要求應≥80%，三維模型如圖1所示。

試驗材料為Q355B，由于金屬材料的物理性能會隨著溫度的變化而變化，而在高溫區的性能參數會相對匱乏，為了提高模擬的準確性，對已知數據點進行整合，材料各項物理性能與溫度關系如圖2所示[6]。焊接方法為自動熔化極氣體保護焊，焊接材料為ER70S-6、φ1.2mm實芯焊絲。同時焊接參數采用與現場一致的焊接參數，見表1。

表1 模擬采用的焊接參數

圖2 Q355B材料物理性能參數

圖3 SC結構模塊的焊接位置

3 計算方法

局部模型由橫焊焊縫構成，模型從SC結構模塊三維模型中直接提取。因此在整體模型求解之前需要將局部模型模擬結果通過宏單元技術提取到數據庫中。在Sysweld軟件中采用局部模型標準接口，通過焊接向導（Welding Advisor）下的“局部-整體”裝配模塊（Local-global）先導入各個局部模型的工程文件，再導出Slice組作為宏單元映射到SC結構模塊模擬件當中，提取局部模型結果。

為模擬不同拼裝方案對SC結構模塊變形量的影響，對模擬過程中的拼裝順序進行了規劃研究。同時，為了提高局部模型的計算精度，在縱向截面網格上進行細化[7]。通過將兩環結構橫焊焊縫近似等分為八份，模擬不同的焊接拼裝順序，包括分段焊接、同時焊接等。為了控制變形量，每一段板體內外側都采用同時焊接的方式，焊接方向均為從左至右。焊接位置如圖3所示。本文重點對焊接中所采用焊機數量和焊接順序對變形量的影響進行了模擬。

4 結果分析與討論

（1）4臺焊機同時焊接的變形量數值模擬 在鋼板內外兩側同時進行焊接的前提下，4臺焊機焊接SC結構模塊時采用對稱焊接的方式以達到變形量最小，整體結構的變形量可以控制在1.5mm以內。其中，圖4為先焊接混合加密區（⑤位置）時的焊后變形量分布結果，最大變形量約為1.3mm，圖5為最后焊接混合加密區整體的變形結果，最大變形量約為1.2mm。結果表明：焊接順序對焊接變形量存在一定的影響，相比先焊接混合加密區，如將焊接順序改為后焊此區域，整體的焊接變形會減少。這是由于混合加密區除鋼筋加密外，內部還澆筑填充了水泥，使得焊接成形后，焊縫組織強度和力學性能更大，后續焊接對先前形成的變形量的影響更小。

圖4 焊接變形量分布結果

（2）6臺焊機同時焊接的變形量數值模擬 當現場采用6臺焊機進行焊接時，鋼板內外兩側依然采用同時焊接的方式，但由于無法采用完全對稱焊接的方式進行焊接，因此將焊接順序分成三種情況進行考慮。其中圖6為先焊接混合加密區（⑤位置）時的焊后變形量分布結果，最大變形量分布在③、④位置對稱方向的板材上。這是由于在對①、⑤、⑦位置和②、⑥、⑧位置間隔進行焊接后，后焊的③、④位置為非對稱相鄰焊接，導致整體結構的焊接變形明顯增加，最大變形接近4.5mm。因此后續在圖7、圖8中，兩塊單板采取對稱焊接方式，整體結構的變形量明顯減小。當④、⑧兩個位置對稱焊接的次序安排在①、③、⑥和②、⑤、⑦中間時，整體結構的變形量最小，變形分布也更加均勻，最大變形量可以控制在1mm左右。這也證明了當單板對稱施焊的位置不同時，整體結構的焊接變形也會隨之改變。

（3）8臺焊機同時焊接的變形量數值模擬 當采用8臺焊機對SC結構模塊進行對稱施焊后，焊接的變形量分布結果如圖9～圖11所示，其中圖9、圖10為先焊接混合加密區（⑤位置）時的焊后變形量分布結果，發現采用相鄰對稱焊接時，焊接變形量的計算結果最小。此外，通過圖11對焊接混合加密區整體的變形結果進行分析，可以發現混合加密區的變形量較小，這是由于混合加密區自身的剛度大、強度高，加之結構內外同時施焊，因此焊接順序對整體結構變形影響不大。8臺焊機對稱焊接時整體結構的變形量可以控制在1mm左右，為焊接時兩環結構的整體變形量最小，因此通過合理地增加焊機數量和焊接拼裝順序可以降低兩環結構的整體焊接變形。

經對8臺焊機下不同焊接順序焊后變形量分布及變形趨勢結果進行分析，發現當先對①、⑤、⑦位置和②、⑥、⑧位置間隔進行焊接，最后焊接③、④位置時的焊接變形量最大。這是由于③、④位置為非對稱相鄰焊接，導致整體結構的焊接變形明顯變大，最大變形接近4.5mm，且最大變形量分布在③、④位置對稱方向的板材上。而另兩種對稱焊接方式下焊接變形量＜1.5mm。

圖5 焊接變形量分布結果

圖6 焊接變形量分布結果

圖7 焊接變形量分布結果

圖8 焊接變形量分布結果

圖9 焊接變形量分布結果

圖10 焊接變形量分布結果

圖11 焊接變形量分布結果

（4）拼裝方案數值模擬結果分析 通過對采用4臺、6臺、8臺焊機同時焊接的變形量進行對比分析，發現在八等份且以對稱焊接為原則的前提下，同時焊接的焊機越多，焊接變形量越小。其中，8臺焊機均勻分布同時對稱焊接時得到的變形量最小，整體變形量在1mm左右。因此，在當焊機數量一定時，可給出以下的SC立焊拼裝方案。

現場SC結構子模塊為內外環雙層結構，為防止焊接產生過大的焊接變形量，焊接時采取內外側分段式對稱同時焊接的方法。縱焊縫坡口焊接平均分為4段，兩側共有2個焊工進行焊接，內外側從上至下分別編號為01、02、03、04與05、06、07、08，內外側先后分別對02、03、04、01號段和06、07、08、05號段立向上進行同時焊接，在此焊接順序下焊接變形量最小。

5 工程驗證

通過建立與某核電現場SC結構模擬件1∶1的焊接工藝與變形量數學模型，當使用的立焊焊接順序為②→③→④→①時，通過數值模擬計算得出最大焊接變形量在距離焊縫最遠端，最大的焊接變形量僅為3.4mm左右，遠小于項目設計要求的6mm，且模型模擬值與實際變形量值偏差在15%內，說明本文提供的計算方法切實可行。綜上所述，經現場應用分析，通過合理的安排焊接順序，現場采用自動焊焊接所產生的熱輸入和熱變形可控制在合理范圍之內，且數值模擬結果具有代表意義和指導作用。

6 結束語

通過對SC結構模塊進行三維模型構建，并對整體結構尺寸和結構細節進行分析，真實地還原實際部件的結構信息，同時對兩環的SC結構不同的拼裝方案下整體結構的變形量進行數值模擬，結論如下：

1）在采用對稱焊的基礎上，不同數量焊機的焊接變形量均可控制在1.5mm之內，而非對稱相鄰焊接時最大變形量接近4.5mm。說明相比設備數量，焊接方式對變形量的影響更大。因此，建議現場在施工時盡量采用對稱焊接方式，且投入較多的設備以減小焊接變形。

2）模型模擬值與實際變形量值偏差在15%內，較為準確地反應了結構形式、焊接順序、設備數量對焊接變形量的影響，其模擬結果、規律，對核電現場實際焊接變形預測具有一定的指導意義。