多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析.docx
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多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析
多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析
摘要
近年来，压水式反应堆和沸水堆带有贯穿件的焊接结构中发现了应力腐蚀裂纹，对
核电运行造成了潜在的安全隐患，这已经引起了研究人员的重视。
材料性能、腐蚀介质
和应力状态是造成应力腐蚀裂纹的三个主要因素，尤其是在焊缝区附近产生的焊接残余
应力较大，是导致焊接件中出现应力腐蚀裂纹的重要因素。
采用数值模拟方法，对异种
金属管板焊接结构进行残余应力的预测与评价，对于核反应堆中贯穿件的焊接具有重要
意义。
为了优化大型多焊缝管板结构的焊接工艺，本文利用焊接热传导、焊接热弹塑性有
限元分析理论和ANSYS大型有限元分析软件，以同种金属管板结构焊接温度场和残余
应力场的数值模拟为基础，提出了适用于有T型材的多焊缝管板结构焊接残余应力场数
值模拟的有限元模型和热源加载方式、多层焊道的填充等计算方法，并分析了坡口角度、
焊接顺序和焊缝相交处堆焊对焊接残余应力的影响。
利用此有限元模型和计算方法对有
T型材的低合金高强钢S690和SS316L不锈钢异种金属多焊缝管板结构的焊接温度场和
残余应力场进行了数值模拟，并采用盲孔法对实际焊接件进行了表面残余应力测试，试
验验证了有限元模型和计算方法在有T型材的多焊缝管板结构焊接残余应力场数值模
拟与预测方面的适用性。
研究结果表明，对于低合金高强钢管板焊接结构，坡口角度由40°增加到50°，
在一定程度上改善了Von-Mises等效应力、切向和轴向残余应力分布；对径向残余应力
分布的恶化作用并不明显。
焊接顺序对等效应力以及径向、切向和轴向残余应力峰值有
较大影响，两面交替焊优于其他焊接顺序。
修正的两面交替焊与两面交替焊的等效应力
以及径向、切向和轴向残余应力峰值基本相同。
在实际的焊接操作中，大角度坡口可以
保证焊透，减少焊接缺陷，而修正的两面交替焊可以减少焊件的翻转次数，提高工作效
率。
因此，从简化操作工艺，提高焊缝质量的角度出发，50°坡口角度和修正的两面交
替焊是比较好的焊接工艺。
模拟结果显示，对于有T型材的多焊缝管板焊接结构，焊缝相交处的堆焊层明显降哈尔滨工程大学博士学位论文
低了环焊缝焊趾处的等效应力和轴向残余应力峰值；对径向和切向残余应力峰值影响较
小。
堆焊层还明显降低了焊缝相交处的等效应力和轴向残余应力峰值，并在一定程度上
降低了切向残余应力峰值；只有径向残余应力峰值有所增加。
因此，有T型材的多焊缝
管板焊接结构，在所有焊缝完成后，在贯穿件与壳板环焊缝和T型材与壳板焊缝相交处
采用奥氏体焊材堆焊，可以作为焊后释放残余应力的有效方法。
为了验证有T型材的多焊缝管板焊接结构的有限元模型和计算方法，本文对低合金
高强钢S690和SS316L不锈钢异种金属多焊缝管板结构进行了焊接残余应力的分析和测
试，计算结果与实际测得的应力值吻合较好。
焊接结构件的应力测试值基本反映了有限
元模型计算得出的残余应力变化趋势，试验验证了数值模拟中采用的有限元模型和计算
方法预测焊接结构残余应力分布的适用性。
结合数值模拟与试验验证结果，获得了在坡
口角度50°和修正的两面交替焊的焊接工艺条件下，低合金高强钢S690和SS316L不
锈钢异种金属多焊缝管板结构焊接残余应力场的分布规律。
环焊缝在壳板上的热影响区
和焊趾处出现压应力区，贯穿件上的残余拉应力较小，测得的最大等效应力在环焊缝熔
合区，距离环焊缝与壳板熔合线2mm处，为269MPa。
关键词：
有限元；ANSYS；残余应力；管板结构；焊接多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析
第1章绪论.............................................................................................................................1
1.1选题背景及意义..............................................................................................................1
1.2焊接残余应力场的研究进展..........................................................................................1
1.2.1焊接残余应力场的试验研究...................................................................................1
1.2.2焊接残余应力场的数值模拟...................................................................................2
1.3核反应堆中异种金属管板焊接结构的数值模拟..........................................................9
1.3.1异种金属焊接及其数值模拟...................................................................................9
1.3.2异种金属管板焊接结构及其数值模拟.................................................................12
1.4本文主要研究内容........................................................................................................17
第2章管板结构焊接工艺与残余应力分析.........................................................................18
2.1焊接残余应力的有限元分析........................................................................................18
2.1.1焊接热传导分析.....................................................................................................18
2.1.2焊接热弹塑性应力分析.........................................................................................21
2.2管板焊接结构有限元模型............................................................................................26
2.2.1管板焊接结构.........................................................................................................26
2.2.2有限元模型的建立.................................................................................................27
2.3焊接物理模型的建立....................................................................................................29
2.3.1温度场计算模型.....................................................................................................30
2.3.2热源模型.................................................................................................................31
2.3.3生死单元.................................................................................................................32
2.3.4应力场计算模型.....................................................................................................33
2.4焊接温度场的计算与分析............................................................................................34
2.4.1温度场分布.............................................................................................................34
2.4.2温度随时间变化曲线.............................................................................................36
2.5焊接应力场的计算与分析............................................................................................37
2.5.1单元转换与材料性能定义.....................................................................................37
2.5.2位移边界条件.........................................................................................................37
2.5.3残余应力分析.........................................................................................................38
2.6焊接工艺对管板焊接结构残余应力分布的影响........................................................40
2.6.1坡口角度对焊接残余应力分布的影响.................................................................40
2.6.2焊接顺序对焊接残余应力分布的影响.................................................................42
2.7贯穿件几何尺寸改变后管板焊接结构残余应力分布的预测....................................47
2.7.1贯穿件外径改变后焊接残余应力分布的预测.....................................................48多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析
2.7.2贯穿件壁厚改变后焊接残余应力分布的预测.....................................................50
2.8本章小结........................................................................................................................54
第3章多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析.............................................................55
3.1多焊缝管板焊接结构有限元模型................................................................................55
3.1.1多焊缝管板焊接结构.............................................................................................55
3.1.2有限元模型的建立.................................................................................................56
3.2焊接应力场的计算与分析............................................................................................59
3.2.1残余应力分析.........................................................................................................59
3.2.2三条焊缝相交处的残余应力分布.........................................................................61
3.2.3环焊缝焊趾处的残余应力分布.............................................................................62
3.3焊接顺序对多焊缝管板焊接结构残余应力分布的影响............................................66
3.4堆焊对多焊缝管板焊接结构残余应力分布的影响....................................................72
3.4.1有限元模型的建立.................................................................................................72
3.4.2焊接应力场的计算与分析.....................................................................................75
3.5本章小结........................................................................................................................83
第4章异种金属多焊缝管板结构焊接残余应力分析.........................................................84
4.1异种金属多焊缝管板焊接结构有限元模型................................................................84
4.1.1异种金属多焊缝管板焊接结构.............................................................................84
4.1.2有限元模型的建立.................................................................................................86
4.1.3材料参数.................................................................................................................87
4.2焊接温度场的计算与分析............................................................................................89
4.2.1温度场分布.............................................................................................................89
4.2.2温度随时间变化曲线.............................................................................................90
4.3焊接应力场的计算与分析............................................................................................91
4.3.1位移边界条件.........................................................................................................91
4.3.2残余应力分析.........................................................................................................92
4.4本章小结........................................................................................................................94
第5章异种金属多焊缝管板结构焊接残余应力测试.........................................................95
5.1异种金属多焊缝管板焊接结构件的残余应力测试....................................................95
5.1.1异种金属多焊缝管板焊接结构件.........................................................................95
5.1.2残余应力计算.........................................................................................................95
5.1.3残余应力测试.........................................................................................................96
5.2残余应力测试结果与计算结果对比............................................................................98
5.2.1经过环焊缝的残余应力结果对比.........................................................................98
5.2.2经过T型材与贯穿件焊缝的残余应力结果对比..............................................102哈尔滨工程大学博士学位论文
5.3本章小结......................................................................................................................104
结论.....................................................................................................................................106
参考文献.................................................................................................................................108
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果.............................................................118
致谢.....................................................................................................................................119第1章绪论
1
第1章绪论
1.1选题背景及意义
焊接一般包括焊接传热过程、化学冶金过程、金属的结晶和相变过程。
如果计算机
能够用来模拟焊接过程中涉及的各种物理化学现象，如焊接时的热过程、金属的熔化和
凝固，冷却时的相变、焊接应力与变形等，我们就可以通过计算机系统来控制和优化这
些因素，确定焊接各种结构和材料时的最佳焊接工艺和焊接参数，得到一个高质量的焊
接结构。
计算机还可以用来分析焊接结构使用过程中的强度和性能等问题
[1-4]
。
近年来，用于压水式反应堆和沸水堆的带有贯穿件的焊接结构中发现了应力腐蚀裂
纹，这引起了人们对核电站部件的安全性和结构完整性的重视。
材料性能、腐蚀介质和
应力状态是造成应力腐蚀裂纹的三个主要因素，而部件表面的残余拉应力大大增加了应
力腐蚀开裂的危险性。
因此，核电站部件的深入设计和结构完整性评估要求准确预测加
工过程中产生的残余应力。
尤其是在焊缝区附近产生的焊接残余应力较大，是导致焊接
件中出现应力腐蚀裂纹的重要因素
[5,6]
。
因此，利用有限元分析方法和焊接热
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