多焊縫管板結構焊接工藝與殘余應力分析.pdf

1、近年來,壓水式反應堆和沸水堆帶有貫穿件的焊接結構中發(fā)現(xiàn)了應力腐蝕裂紋,對核電運行造成了潛在的安全隱患,這已經(jīng)引起了研究人員的重視。材料性能、腐蝕介質(zhì)和應力狀態(tài)是造成應力腐蝕裂紋的三個主要因素,尤其是在焊縫區(qū)附近產(chǎn)生的焊接殘余應力較大,是導致焊接件中出現(xiàn)應力腐蝕裂紋的重要因素。采用數(shù)值模擬方法,對異種金屬管板焊接結構進行殘余應力的預測與評價,對于核反應堆中貫穿件的焊接具有重要意義。
　　為了優(yōu)化大型多焊縫管板結構的焊接工藝,本文利用

2、焊接熱傳導、焊接熱彈塑性有限元分析理論和ANSYS大型有限元分析軟件,以同種金屬管板結構焊接溫度場和殘余應力場的數(shù)值模擬為基礎,提出了適用于有T型材的多焊縫管板結構焊接殘余應力場數(shù)值模擬的有限元模型和熱源加載方式、多層焊道的填充等計算方法,并分析了坡口角度、焊接順序和焊縫相交處堆焊對焊接殘余應力的影響。利用此有限元模型和計算方法對有T型材的低合金高強鋼S690和SS316L不銹鋼異種金屬多焊縫管板結構的焊接溫度場和殘余應力場進行了數(shù)值模

3、擬,并采用盲孔法對實際焊接件進行了表面殘余應力測試,試驗驗證了有限元模型和計算方法在有T型材的多焊縫管板結構焊接殘余應力場數(shù)值模擬與預測方面的適用性。
　　研究結果表明,對于低合金高強鋼管板焊接結構,坡口角度由40°增加到50°,在一定程度上改善了Von-Mises等效應力、切向和軸向殘余應力分布;對徑向殘余應力分布的惡化作用并不明顯。焊接順序?qū)Φ刃σ约皬较?、切向和軸向殘余應力峰值有較大影響,兩面交替焊優(yōu)于其他焊接順序。修正的

4、兩面交替焊與兩面交替焊的等效應力以及徑向、切向和軸向殘余應力峰值基本相同。在實際的焊接操作中,大角度坡口可以保證焊透,減少焊接缺陷,而修正的兩面交替焊可以減少焊件的翻轉次數(shù),提高工作效率。因此,從簡化操作工藝,提高焊縫質(zhì)量的角度出發(fā),50°坡口角度和修正的兩面交替焊是比較好的焊接工藝。
　　模擬結果顯示,對于有T型材的多焊縫管板焊接結構,焊縫相交處的堆焊層明顯降低了環(huán)焊縫焊趾處的等效應力和軸向殘余應力峰值;對徑向和切向殘余應力峰值

5、影響較小。堆焊層還明顯降低了焊縫相交處的等效應力和軸向殘余應力峰值,并在一定程度上降低了切向殘余應力峰值;只有徑向殘余應力峰值有所增加。因此,有T型材的多焊縫管板焊接結構,在所有焊縫完成后,在貫穿件與殼板環(huán)焊縫和T型材與殼板焊縫相交處采用奧氏體焊材堆焊,可以作為焊后釋放殘余應力的有效方法。
　　為了驗證有T型材的多焊縫管板焊接結構的有限元模型和計算方法,本文對低合金高強鋼S690和SS316L不銹鋼異種金屬多焊縫管板結構進行了焊接

6、殘余應力的分析和測試,計算結果與實際測得的應力值吻合較好。焊接結構件的應力測試值基本反映了有限元模型計算得出的殘余應力變化趨勢,試驗驗證了數(shù)值模擬中采用的有限元模型和計算方法預測焊接結構殘余應力分布的適用性。結合數(shù)值模擬與試驗驗證結果,獲得了在坡口角度50°和修正的兩面交替焊的焊接工藝條件下,低合金高強鋼S690和SS316L不銹鋼異種金屬多焊縫管板結構焊接殘余應力場的分布規(guī)律。環(huán)焊縫在殼板上的熱影響區(qū)和焊趾處出現(xiàn)壓應力區(qū),貫穿件上的殘