核電站雙腹吊車梁焊接工藝仿真數(shù)值模擬研究

李敏 曹杰 周玉東 劉學(xué)良

摘? 要：“華龍一號(hào)”核電站雙腹吊車中存在較多的尺寸大，厚度大的焊接結(jié)構(gòu)，焊接之后會(huì)出現(xiàn)變形較大，焊后變矯正工藝難以實(shí)施；同時(shí)焊接過(guò)程中的焊接殘余應(yīng)力，會(huì)降低焊接接頭的質(zhì)量，甚至導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)的早期的失效，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。因此，考慮引入焊接數(shù)值模擬軟件對(duì)焊接變形和焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，優(yōu)化焊接工藝，改善預(yù)制構(gòu)件的焊接質(zhì)量，提高核電建造的數(shù)字化、智能化建設(shè)。

關(guān)鍵詞：焊接仿真技術(shù)；雙腹吊車梁；仿真方法；熱源模型

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）07-0105-07

Abstract： In the double-belly crane of “Hualong One” nuclear power plant， there are many welding structures with large size and thickness， which will cause large deformation after welding， and it is difficult to implement the deformation correction process after welding. At the same time， welding residual stress in the welding process will reduce the quality of welding joints， and even lead to early failure of welding joints， resulting in stress corrosion cracks. Therefore， it is considered to introduce welding numerical simulation software to predict welding deformation and welding residual stress in advance， optimize the welding process， improve the welding quality of prefabricated components， and improve the digital and intelligent construction of nuclear power plant construction.

Keywords： welding simulation technology; double-belly crane beam; simulation method; heat source model

0? 引? 言

焊接仿真技術(shù)的發(fā)展，受限于計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真數(shù)值模擬方法為焊接科學(xué)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件[1]。在20世紀(jì)30年代，才由蘇聯(lián)的雷卡林，系統(tǒng)的研究了焊接傳熱問(wèn)題，建立焊接傳熱學(xué)的理論基礎(chǔ)，將焊接熱源簡(jiǎn)化為點(diǎn)、線、面熱源進(jìn)行仿真[2]。發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)有很多的軟件可以實(shí)現(xiàn)三維的焊接仿真了。比如：Ansys、MSC.MARC、Sysweld等軟件，其中Sysweld是專業(yè)的焊接CAE軟件，是源于核電領(lǐng)域的經(jīng)典焊接模擬軟件，可以模擬核電站鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中的焊縫周邊的溫度變化、原子擴(kuò)散和沉積、熔池形成與凝固、組織演變、焊接過(guò)程控制、應(yīng)力應(yīng)變和鋼結(jié)構(gòu)的變形等現(xiàn)象；也可用于淬火、回火的分析和研究；也可用于材料相變、體積變化、成分偏析、殘余應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算等表面淬火、化學(xué)熱處理、和焊接裝配研究等[3-5]。內(nèi)含有三種常見(jiàn)的熱源模型：雙橢球熱源模型，3D高斯熱源模型、2D高斯熱源模型，本文采用雙橢球熱源模型對(duì)雙腹吊車梁進(jìn)行焊接仿真模擬。

雙腹吊車梁成型是典型的大型鋼構(gòu)件，特點(diǎn)為翼緣截面小、腹板截面大、腹板板材厚度小、雙腹板間距窄、全熔透焊縫等級(jí)要求高、成型尺寸精度高，焊接后易產(chǎn)生焊接變形。為促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制產(chǎn)品的質(zhì)量，在進(jìn)行焊接工作時(shí)，應(yīng)用焊接有限元Sysweld軟件進(jìn)行建模提前獲取其變形情況，進(jìn)而優(yōu)化焊接順序，達(dá)到車間生產(chǎn)過(guò)程中降低成本的目的[6-10]。

1? 仿真模擬過(guò)程

仿真模擬的過(guò)程主要分三個(gè)層級(jí)進(jìn)行研究：1）應(yīng)用Visual-mesh對(duì)雙腹吊車梁進(jìn)行三維建模，通過(guò)Visual-Mesh網(wǎng)格工具建立零件的有限元網(wǎng)格模型，對(duì)模型進(jìn)行前處理操作。2）應(yīng)用Visual-Weld創(chuàng)建熱源模型，施加焊接工藝參數(shù)，經(jīng)Sysweld求解器計(jì)算后得到焊接溫度場(chǎng)變化與殘余應(yīng)力和應(yīng)變分布結(jié)果，獲取模型變形情況，優(yōu)化焊接順序。通過(guò)Visual-Mesh網(wǎng)格工具建立零件的有限元網(wǎng)格模型。3）應(yīng)用Visual-Viewer后處理雙腹吊車梁焊接模擬結(jié)果，分析并優(yōu)化焊接工藝，分析仿真結(jié)果。

1.1? 建立計(jì)算模型

雙腹吊車梁上翼緣板材料為Q345B，δ=25 mm，下翼緣板材料為Q345B-Z15，δ=50 mm，中間雙腹板材料為Q345B，δ=16 mm。上下翼緣板與雙腹板之間為雙邊全熔透焊縫。其結(jié)構(gòu)尺寸詳圖如圖1所示。

根據(jù)圖1的幾何尺寸，腹板與翼緣開(kāi)V形坡口，根部間隙2～3 mm，可以在模型里建立幾何模型也可以直接導(dǎo)入CAD文件，因受計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的影響，計(jì)算模型按2 500 mm的長(zhǎng)度進(jìn)行模擬。模型如圖2、圖3所示。

將CAD線條賦予面，形成三維的體，然后建立焊縫的截面，焊縫拉伸成體，分別賦予不同的材質(zhì)，分組，這樣才能對(duì)所計(jì)算的位置進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.2? 網(wǎng)格劃分

利用Visual-Mesh工具中熱處理有專門(mén)的網(wǎng)格劃分技術(shù)，將雙腹吊車梁模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成焊接需要的六面體網(wǎng)格，滿足熱處理對(duì)于表面層網(wǎng)格的要求，網(wǎng)格邊長(zhǎng)單位可以精確到毫米級(jí)別。網(wǎng)格劃分時(shí)，在遠(yuǎn)離焊縫位置的地方，溫度變化較小，網(wǎng)格劃分時(shí)可以采用大較大的網(wǎng)格，在距離焊縫較近的位置，溫度梯度變化劇烈，網(wǎng)格劃分時(shí)采用較小的網(wǎng)格，如圖4所示。

1.3? 工藝參數(shù)

網(wǎng)格劃分之后輸入材質(zhì)、溫度、軌跡等相關(guān)信息輸入。雙腹吊車梁為一次成型焊接，焊接坡口加設(shè)鋼襯墊（鋼襯墊材質(zhì)與母材同材質(zhì)），為使得鋼襯墊與母材熔合，采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行打底焊接，埋弧焊進(jìn)行填充和蓋面焊接。其工藝參數(shù)如表1所示。

焊接順序：焊接時(shí)，先用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊打底。腹板的四條全熔透全部打底焊接后進(jìn)行填充蓋面焊接。采用埋弧焊填充、蓋面，多次翻轉(zhuǎn)對(duì)稱焊接。焊接采用直通焊，每層焊接順序相反。

1.4? 建立熱源模型

焊接熱源模型是指實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程數(shù)值模擬的基本條件。焊接熱源具有局部集中、瞬時(shí)和快速移動(dòng)的特點(diǎn)，比一般情況下熱過(guò)程復(fù)雜，因此需要專門(mén)創(chuàng)建熱源模型定義熱輸入，如圖5所示。熱源模型是將外界能量輸入等效為有限元空間的焊接熱源數(shù)學(xué)模型施加于焊縫，用方程定義熱源內(nèi)任意一點(diǎn)的空間位置及熱流分布。Sysweld軟件中自帶有雙橢球熱源（用于弧焊）、二維高斯熱源（用于表面加熱、堆焊）、三維高斯熱源（用于高能束流焊），以上三種為用途較為廣泛的熱源。本文中主要應(yīng)用到雙橢球熱源進(jìn)行仿真模擬，電弧在沿著焊接方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電弧的熱流密度分布不是對(duì)稱的，一般而言，前部的加熱區(qū)域要比后部的加熱區(qū)域小，電弧的熱流密度在前后方向加熱區(qū)域不是關(guān)于中心線對(duì)稱的單個(gè)半橢球體，而是雙橢球體，如圖6所示。

雙橢球前后兩部分熱源分布計(jì)算公式為：

在軟件內(nèi)通過(guò)調(diào)整熱源模型的尺寸參數(shù)進(jìn)行熱源校核，保證仿真精度。分別輸入焊接軌跡線、熔池、能量參數(shù)。

1.4.1? 定義焊接軌跡線

焊接軌跡線用來(lái)描述焊槍運(yùn)行軌跡，在這一步驟中，需要定義軌跡線、焊槍行進(jìn)的方向，定義填充材料，劃分焊接組（熱量直接加載的區(qū)域），定義參考線（專門(mén)用于確定焊槍角度，參考線與焊接線處處平行，穿過(guò)參考線和焊接線定義的平面的方向就是焊槍角度的方向。焊接線是在網(wǎng)格上，參考線可以懸空），起始點(diǎn)、終止點(diǎn)、起始網(wǎng)格如圖7所示。

1.4.2? 定義熔池參數(shù)

按照實(shí)際操作輸入焊接速度，根據(jù)試件的金相試驗(yàn)得到的數(shù)值，輸入熔池的長(zhǎng)、寬、深。對(duì)應(yīng)不同的焊接工藝，輸入不同的參數(shù)就可以分別進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖8所示。

1.4.3? 定義能量輸入

式（1）中Qf表示前半橢球的能量，式（2）中Qr表示后半橢球的能量，空間中任意一點(diǎn)（x，y，z）的能量Qf或者Qr都是用乘以前半橢球或者后半橢球的方程來(lái)表示的，那么在軟件中輸入整體的能量（Q=UI/V），再明確能量比Qf /Qr為1.2，那么Qf和Qr的具體值就知道是多少了，熱效率根據(jù)弧焊或者氣體保護(hù)焊的具體工藝輸。長(zhǎng)度比af /ar是0.5，根據(jù)總的熔池長(zhǎng)度就可以求得具體值，如圖9所示。

1.4.4? 定義冷卻條件

定義冷卻條件主要是設(shè)置零件的散熱區(qū)域和散熱時(shí)間，如圖10所示。提取3D網(wǎng)格的2D表面，定義與空氣的換熱面。定義環(huán)境溫度為20度，這樣換熱面就隨時(shí)可以跟空氣進(jìn)行換熱。軟件求解時(shí)，時(shí)間步用于控制計(jì)算速度，焊接過(guò)程中，溫度變化是非線性變化，時(shí)間步會(huì)很小，計(jì)算速度回很慢，以提高計(jì)算精度。

1.4.5? 定義夾持條件

通過(guò)該步驟設(shè)置約束加載的類型，位移方向還原實(shí)際的夾持條件，在該步驟中可以仿真模擬矯正胎具的位置及約束條件、夾持時(shí)間，如圖11所示。

1.4.6? 定義接觸

接觸分為熱接觸（溫度傳遞）和機(jī)械接觸（力的傳遞），根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，本次模擬中不需要設(shè)置。

1.5? 有限元計(jì)算

設(shè)置求解的相關(guān)參數(shù)之后提交計(jì)算。在該步驟中需要設(shè)置零件的初始溫度、計(jì)算文件的輸出大小、定義求解參數(shù)、收斂性、計(jì)算速度后提交計(jì)算，生成求解文件，如圖12所示。

得到計(jì)算文件，1_V_POST 1000文件包含有溫度、相變、硬度等于溫度相關(guān)的結(jié)果；1_V_POST 2000應(yīng)力應(yīng)變變形機(jī)械的結(jié)果。主要觀察溫度場(chǎng)的變化和應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果。

1.5.1? 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析

圖13展示了在不同的時(shí)間的溫度情況，隨著熱源向前移動(dòng)，各個(gè)位置的溫度也隨之變化，在圖13上可以清晰地看到熔池形狀近似橢圓形，焊接熱源位置處溫度變化大，遠(yuǎn)離熱源的位置溫度相對(duì)穩(wěn)定。

在熱源方向上分別沿著熔池的前后及左右方向上取點(diǎn)，得到熱循環(huán)曲線如圖14所示。當(dāng)熱源移動(dòng)到選取的點(diǎn)的位置時(shí)，熔池中心溫度最高，變化劇烈，距離熔池中心較遠(yuǎn)的點(diǎn)的溫度變化較為平穩(wěn)；當(dāng)焊接結(jié)束后，各點(diǎn)的溫度逐漸趨向平穩(wěn)，最終降到焊接構(gòu)件的平均值。

1.5.2? 應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析

從焊接過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D、位移云圖可以看出腹板收縮變形，主要集中在腹板兩端坡口全熔透焊接時(shí)，沿著腹板寬度方向縱向收縮變形，此種變形引起的應(yīng)力較大，在對(duì)其進(jìn)行機(jī)械矯正和熱矯正時(shí)容易引發(fā)波浪變形和扭曲變形，如圖15、圖16所示。

數(shù)值模擬得可以得到焊接過(guò)程中每秒的變形情況，發(fā)現(xiàn)變形位置主要是腹板兩端坡口處，沿著腹板寬度方向縱向收縮變形。根據(jù)得到計(jì)算結(jié)果，對(duì)變形較大位置進(jìn)行矯正，因設(shè)置專用矯正胎具，在實(shí)體試驗(yàn)中對(duì)變形進(jìn)行矯正，矯正胎具實(shí)物圖如圖17所示。

2? 模擬結(jié)果與實(shí)體試驗(yàn)對(duì)比

數(shù)值模擬得到的溫度值為229.4度，實(shí)體試驗(yàn)測(cè)得的溫度為219.5度，如圖18所示。溫度接近，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確。

根據(jù)矯正胎具在模型中施加約束，得到新的計(jì)算結(jié)果，經(jīng)過(guò)平整度檢查發(fā)現(xiàn)變形得到了很好的控制，與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果符合如圖19、圖20所示。

如圖21所示，對(duì)焊縫數(shù)值仿真模擬的結(jié)果與實(shí)體試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)相吻合，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確。

3? 結(jié)? 論

1）利用Sysweld軟件對(duì)雙腹吊車梁進(jìn)行有限元分析，結(jié)合網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行有限元單元網(wǎng)格劃分；根據(jù)焊接特點(diǎn)，以雙橢球熱源函數(shù)作為熱源輸入，合理設(shè)計(jì)熱流密度分布及熱源在工件上的計(jì)算區(qū)域，建立移動(dòng)電弧作用下的三維焊接熱過(guò)程的有限元數(shù)值分析熱源模型，計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)體試驗(yàn)較吻合。

2）對(duì)雙腹吊車梁的腹板與翼緣連接處進(jìn)行焊接仿真模擬，溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的三維動(dòng)態(tài)模擬體現(xiàn)了各個(gè)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的溫度、應(yīng)力應(yīng)變、位移的變化情況，可以定量分析工件上焊接溫度場(chǎng)分布以及熔池形狀的動(dòng)態(tài)演變；通過(guò)改變焊接工藝參數(shù)，計(jì)算并分析焊接速度、熱輸入、焊接順序等焊接工藝參數(shù)的變化對(duì)焊接溫度場(chǎng)及熔池形狀的影響。

3）通過(guò)焊接數(shù)值模擬的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接工藝試驗(yàn)，能夠有效提高其工作效率，減少人工投入成本及試驗(yàn)材料投入成本60%以上，長(zhǎng)期發(fā)展后，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4）傳統(tǒng)工藝中為保證雙腹吊車梁構(gòu)件尺寸滿足技術(shù)條件要求，在進(jìn)行腹板矯正時(shí)設(shè)計(jì)一種專用矯正胎具。因雙腹吊車梁為簡(jiǎn)單腹翼板焊接結(jié)構(gòu)，構(gòu)件剛性差，在變形矯正之前需要焊接1：1模擬件，驗(yàn)證其矯正方法是否有效。使用Sysweld軟件，通過(guò)在軟件中增加加持條件，仿真模擬矯正胎具的作用，可以省去試驗(yàn)的成本與人工成本，提高鋼結(jié)構(gòu)制作的經(jīng)濟(jì)性和工作效率。

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作者簡(jiǎn)介：李敏（1988—），女，漢族，山東泰安人，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要研究方向：核電鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接模擬、BIM應(yīng)用等。