焊接工藝對(duì)厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響

摘 要：隨著社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)能源需求的缺口越來(lái)越大，為了緩解能源供求之間的矛盾，國(guó)家加大了對(duì)核能的開發(fā)和利用。作為一種相對(duì)清潔、安全、廉價(jià)的新型能源，核能的戰(zhàn)略位置日益彰顯出來(lái)。但是核反應(yīng)堆具有強(qiáng)烈的輻射性，這就對(duì)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(shí)應(yīng)該采用優(yōu)質(zhì)材料，并對(duì)制造質(zhì)量和使用期間質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)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(lái)越多地依靠焊接工藝。文章將深入探討焊接工藝對(duì)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(guò)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(xué)技術(shù)的進(jìn)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(dòng)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(gè)涉及電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過(guò)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(guò)程中，更是發(fā)揮著不可替代的作用。為了加強(qiáng)能源安全，減少核輻射對(duì)自然界和人類社會(huì)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(duì)厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響，掌握焊接過(guò)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(lái)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(duì)焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程進(jìn)行分析的是在20世紀(jì)70年代，日本大阪大學(xué)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(guò)建立有限元模型使得復(fù)雜的動(dòng)態(tài)焊接應(yīng)力分析過(guò)程得以簡(jiǎn)化。我國(guó)雖然在計(jì)算機(jī)分析焊接力學(xué)方面起步較晚，但是發(fā)展速度不慢，已經(jīng)取得了相當(dāng)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(jì)算公式，并編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，進(jìn)入90年代，國(guó)內(nèi)學(xué)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(jì)算也發(fā)展起來(lái)。但是，這仍然不能滿足實(shí)際工作需求，對(duì)于該課題的研究仍然任重道遠(yuǎn)。

1.2 現(xiàn)有研究存在的問(wèn)題

雖然現(xiàn)階段對(duì)焊接殘余應(yīng)力的研究取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是仍然不能滿足實(shí)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題，對(duì)于開坡口焊縫、多層焊縫等的熱源分布形式也須進(jìn)一步研究。第三，存在不足的問(wèn)題還表現(xiàn)在對(duì)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(duì)于焊接熔池的處理也存在問(wèn)題，典型的就是沒(méi)有考慮焊接熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的對(duì)流傳熱特點(diǎn)。此外，我國(guó)目前雖然對(duì)復(fù)雜核壓力容器焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析，但是仍然處于初級(jí)階段。只有進(jìn)一步認(rèn)識(shí)焊接數(shù)值模擬技術(shù)的意義和作用，正確認(rèn)識(shí)和掌握焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，才能精確計(jì)算焊接殘余應(yīng)力，為實(shí)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(chǎng)是模擬焊接應(yīng)力、應(yīng)變的基礎(chǔ)，而屈服準(zhǔn)則、流動(dòng)準(zhǔn)則、強(qiáng)化準(zhǔn)則和熱彈塑性基本理論則是進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變的主要計(jì)算依據(jù)。在采用ANSYS軟件對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬時(shí)，這些理論和依據(jù)作為判斷材料是否屈服、如何流動(dòng)、如何強(qiáng)化的依據(jù)，也為材料發(fā)生彈性和塑性變形時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。屈服準(zhǔn)則對(duì)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(guò)對(duì)單值的等效應(yīng)力的計(jì)算，并與屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較來(lái)確定材料的屈服時(shí)間。流動(dòng)準(zhǔn)則從幾何方面解釋成與屈服面的法向與塑性應(yīng)變?cè)隽肯蛄康姆较蛞恢隆Ｒ肱宄跏记?zhǔn)則是怎樣隨著塑性應(yīng)變的增加而發(fā)展的就應(yīng)該運(yùn)用強(qiáng)化準(zhǔn)則。想要了解整個(gè)焊接過(guò)程動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變的變化過(guò)程和最終的殘余應(yīng)力和變形的狀態(tài)就應(yīng)該正確運(yùn)用熱彈塑性基本原理來(lái)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。

2 焊接工藝對(duì)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(duì)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(chǎng)。而焊接殘余應(yīng)力又是導(dǎo)致裂紋的重要因素。針對(duì)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(shì)會(huì)呈現(xiàn)出相同的狀態(tài)。在焊縫中心應(yīng)力最大，越是遠(yuǎn)離焊縫中心，應(yīng)力會(huì)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(jiàn)，采用不同的焊接工藝參數(shù)，會(huì)對(duì)焊后殘余應(yīng)力產(chǎn)生一定的影響。

2.2 坡口形式對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響

在對(duì)厚壁核壓力容器進(jìn)行焊接的過(guò)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(duì)其造成影響的因素之一。所以在實(shí)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(duì)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(guò)運(yùn)用有限元計(jì)算后的結(jié)果來(lái)表明對(duì)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(yuǎn)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(duì)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(duì)較小的是30mm寬。

2.3 焊后熱處理工藝對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響

對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行消除是為了實(shí)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(guò)對(duì)30mm寬的I型坡口在6道焊接完成后進(jìn)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(guò)試驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，在未進(jìn)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(duì)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(duì)較高的是1小時(shí)和5小時(shí)后，分別為344.72MPa和336.51MPa。等效應(yīng)力相對(duì)較低的是2小時(shí)、3小時(shí)和4小時(shí)后，數(shù)值分別為263.10MPa、267.66MPa和265.17MPa。由此可見(jiàn)，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?zé)崽幚?個(gè)小時(shí)更有利于消除殘余應(yīng)力。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求量越來(lái)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(shí)，能源安全問(wèn)題也不斷提上日程。核壓力容器的日趨復(fù)雜化不斷對(duì)能源安全問(wèn)題提出新的挑戰(zhàn)，其中焊接工藝是其中一項(xiàng)重要的關(guān)乎質(zhì)量的控制手段，必須不斷完善，文章對(duì)焊接工藝對(duì)厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行探討，希望能夠?yàn)楦纳坪藟毫θ萜髻|(zhì)量措施的實(shí)施提供借鑒意義。

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