热循环曲线法在焊接工艺优化中的应用

2015-01-23周红梅

产业与科技论坛 2015年23期

□周红梅

反应堆压力容器支座采用焊接结构，由不同板厚、不同形状的板材采用多层多道焊方法连接而成，在焊接过程中由于热胀冷缩，不可避免地会产生焊接变形和残余应力［1］，工厂为了避免焊接变形导致的结构不连续性和产品质量的不稳定性，在焊后均要对支座结构进行矫形或者机加工来保证尺寸精度，该过程耗时长且花费大量资金。目前，现场测试是获取焊接结构的残余变形和残余应力的主要方法［2］，但是这只能获得少数测试点上的数据;另一种普遍采用的技术手段是使用数值模拟的方式来预测焊接残余变形和残余应力［3］。国内外对多层多道焊处理最常用的方法有固有应变法、生死单元法、改变填充单元的材料特性法［4～5］。本文在生死单元的基础上，提出了一种热循环曲线的方法，对两种不同的焊接工艺分别进行了焊接变形和焊接残余应力的分析。

一、热源模型

在对反应堆压力容器支座进行组装前，需要对焊接工艺进行确认。在这里采用两块110mm* 300mm* 50mm 板材作为研究对象，两种不同的焊接工艺参数如表1 所示。

表1 焊接工艺参数

(一)热源模型的建立。在进行焊接热弹塑性有限元分析的过程中，一般采用的是“熔池边界准则”，即使模拟出来的熔化区域边界线和实验得到的熔合线相符，如果满足该条件，即可认为得到的能量分布密度是合理的。在目前所采用的热源模型中使用最多的是Goldak 热源模型［6］，其数学表达式如下式所示:

通过采用Goldak 热源模型对两种不同焊接工艺进行温度场仿真计算，所得到的计算结果如下所示:

图1 工艺1 对应的熔池截面图

图2 工艺1 对应的瞬态温度场云图

(二)热源模型简化。在这里，采用一定长度焊缝的平均热循环曲线方法代替移动热源的方法来对热源进行简化。在对局部接头进行完温度场计算之后，将熔池区域的所有节点上的温度进行提取并做平均化处理，就可得到两种不同工艺下的热循环曲线。

图3 两种不同工艺对应的热循环曲线

二、材料物理性能参数

支座结构由SA-572 Gr．50 结构钢焊接而成，考虑到该材料与Q345 材料的成分和性能都比较接近，因此在该次模拟中使用的材料数据库为SYSWELD 软件自带的Q345 数据。

材料数据库中的物理性能参数包括热学性能参数和力学性能参数两大类。热学性能参数主要包括比热容、热导率、对流系数、线膨胀系数等;力学性能参数主要有弹性模量、泊松比、屈服强度、热应变、屈服强度等。

三、网格模型及约束

该焊接接头由两块不同厚度的板材通过多层多道焊连接而成，焊接过程中为了控制焊接变形施加了连接板。由于该结构产生的焊接变形主要是角变形，因此在这里将其简化成平面应变问题进行求解。在网格处理过程中采用面单元对网格进行划分，根据焊缝区域模型网格细化、远离焊缝区域网格可以适当粗大的网格划分基本原则进行。网格划分过程中，首先对焊缝区域网格进行划分，其次对远离焊缝的区域进行网格划分，总共生成面单元的数量为8710，焊缝区由110 道焊缝构成，划分好的网格如图5 所示。

图4 结构尺寸

图5 网格模型

四、计算结果及分析

经过计算，工艺1 下等效残余应力和纵向残余应力计算结果如图6 所示。

图6 工艺1 对应的Von-Mises 应力

通过上面冯米塞斯残余应力分布云图，可以看见最大残余应力区域位于Y 方向(厚度方向)离焊根25 ～30mm 的位置，该区域的应力集中系数较高，同时焊根处几何突变位置也产生了较大的应力集中。最大的等效残余应力达到了614MP。同时，通过分析纵向应力分布云图，可以看见焊缝区主要呈现压应力分布，随着距离焊缝中心距离的增加，压应力逐渐变为拉应力，其中最大拉应力为661MP，最大压应力为202MP。

图7 工艺1 对应的纵向残余应力

两种不同焊接工艺下的残余应力对比结果如表2 所示。

表2 不同工艺下纵向残余应力数值对比

工艺1 下产生的焊接变形如图8 所示(该结果为去掉连接板之后的结果)。

图8 工艺1 对应的整体位移

通过上面的计算结果可以看到，虽然有连接板的固定作用，但是由于焊接过程中产生的压缩塑性变形，在连接板去掉之后仍然产生的2．4mm 的焊接变形，变形趋势主要为+Y 方向。两种不同工艺下的焊接变形数据如表3 所示。

图9 工艺1 对应的Y 向位移

五、结语

通过分析两种不同焊接工艺产生的焊后残余应力和焊接变形，可以得出如下结论:一是热循环曲线法可以很好地对多层多道焊进行仿真计算，计算结果能够为焊接工艺设计提供数据支持。二是工艺2 由于线能量输入较大，产生的残余应力大于工艺1 产生的残余应力;工艺2 焊后产生的焊接变形大于工艺1 产生的焊接变形。综合比较两种不同的焊接工艺，推荐使用焊接工艺1 进行焊接。