多焊縫管板結構焊接工藝與殘余應力分析

1、多焊縫管板結構焊接工藝與殘余應力分析摘要近年來，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

2、管板結構的焊接工藝，本文利用焊接熱傳導、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

3、度場和殘余應力場進行了數(shù)值模擬，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VonMises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。焊接順序對等效應力以及徑向、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

4、序。修正的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哈爾濱工程大學博士學位論文低了環(huán)焊縫焊趾處的等效應力和軸向殘余應力峰值；對

5、徑向和切向殘余應力峰值影響較小。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

6、進行了焊接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

7、件上的殘余拉應力較小，測得的最大等效應力在環(huán)焊縫熔3.2.1殘余應力分析.........................................................................................................593.2.2三條焊縫相交處的殘余應力分布..........................................................

8、...............613.2.3環(huán)焊縫焊趾處的殘余應力分布.............................................................................623.3焊接順序對多焊縫管板焊接結構殘余應力分布的影響............................................663.4堆焊對多焊縫管板焊接結構殘余應力分布的影響..........

9、..........................................723.4.1有限元模型的建立.................................................................................................723.4.2焊接應力場的計算與分析................................................

10、.....................................753.5本章小結........................................................................................................................83第4章異種金屬多焊縫管板結構焊接殘余應力分析..............................

11、...........................844.1異種金屬多焊縫管板焊接結構有限元模型................................................................844.1.1異種金屬多焊縫管板焊接結構.............................................................................844.1.2有限

12、元模型的建立.................................................................................................864.1.3材料參數(shù)..........................................................................................................

13、.......874.2焊接溫度場的計算與分析............................................................................................894.2.1溫度場分布.............................................................................................

14、................894.2.2溫度隨時間變化曲線.............................................................................................904.3焊接應力場的計算與分析...............................................................................

15、.............914.3.1位移邊界條件.........................................................................................................914.3.2殘余應力分析............................................................................

16、.............................924.4本章小結........................................................................................................................94第5章異種金屬多焊縫管板結構焊接殘余應力測試......................................

17、...................955.1異種金屬多焊縫管板焊接結構件的殘余應力測試....................................................955.1.1異種金屬多焊縫管板焊接結構件.........................................................................955.1.2殘余應力計算................

18、.........................................................................................955.1.3殘余應力測試.........................................................................................................965.2殘余應力測試結果

19、與計算結果對比............................................................................985.2.1經(jīng)過環(huán)焊縫的殘余應力結果對比.........................................................................985.2.2經(jīng)過T型材與貫穿件焊縫的殘余應力結果對比................

20、..............................102哈爾濱工程大學博士學位論文5.3本章小結......................................................................................................................104結論............................................

21、.........................................................................................106參考文獻............................................................................................................................

22、.....108攻讀博士學位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果.............................................................118致謝.............................................................................................................................