多焊縫管板結(jié)構(gòu)焊接工藝與殘余應(yīng)力分析

1、多焊縫管板結(jié)構(gòu)焊接工藝與殘余應(yīng)力分析摘要近年來，壓水式反應(yīng)堆和沸水堆帶有貫穿件的焊接結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)是造成應(yīng)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(yīng)力較大，是導(dǎo)致焊接件中出現(xiàn)應(yīng)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(jié)構(gòu)進(jìn)行殘余應(yīng)力的預(yù)測與評價，對于核反應(yīng)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(jié)構(gòu)的焊接工藝，本文利用焊接熱傳導(dǎo)、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(jié)構(gòu)焊接溫度場和殘余應(yīng)力場的數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，提出了適用于有T型材的多焊縫管板結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)的焊接溫

3、度場和殘余應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并采用盲孔法對實際焊接件進(jìn)行了表面殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力場數(shù)值模擬與預(yù)測方面的適用性。研究結(jié)果表明，對于低合金高強鋼管板焊接結(jié)構(gòu)，坡口角度由40增加到50，在一定程度上改善了VonMises等效應(yīng)力、切向和軸向殘余應(yīng)力分布；對徑向殘余應(yīng)力分布的惡化作用并不明顯。焊接順序?qū)Φ刃?yīng)力以及徑向、切向和軸向殘余應(yīng)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(yīng)力以及徑向、切向和軸向殘余應(yīng)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(zhuǎn)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(jié)果顯示，對于有T型材的多焊縫管板焊接結(jié)構(gòu)，焊縫相交處的堆焊層明顯降哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文低了環(huán)焊縫焊趾處的等效應(yīng)力和軸向殘余應(yīng)力峰值；對

5、徑向和切向殘余應(yīng)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(yīng)力和軸向殘余應(yīng)力峰值，并在一定程度上降低了切向殘余應(yīng)力峰值；只有徑向殘余應(yīng)力峰值有所增加。因此，有T型材的多焊縫管板焊接結(jié)構(gòu)，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(yīng)力的有效方法。為了驗證有T型材的多焊縫管板焊接結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

6、進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力的分析和測試，計算結(jié)果與實際測得的應(yīng)力值吻合較好。焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力測試值基本反映了有限元模型計算得出的殘余應(yīng)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(yù)測焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力分布的適用性。結(jié)合數(shù)值模擬與試驗驗證結(jié)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(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)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(yīng)力區(qū)，貫穿

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

8、...............613.2.3環(huán)焊縫焊趾處的殘余應(yīng)力分布.............................................................................623.3焊接順序?qū)Χ嗪缚p管板焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力分布的影響............................................663.4堆焊對多焊縫管板焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力分布的影響..........

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

10、.....................................753.5本章小結(jié)........................................................................................................................83第4章異種金屬多焊縫管板結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力分析..............................

11、...........................844.1異種金屬多焊縫管板焊接結(jié)構(gòu)有限元模型................................................................844.1.1異種金屬多焊縫管板焊接結(jié)構(gòu).............................................................................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(yīng)力場的計算與分析...............................................................................

15、.............914.3.1位移邊界條件.........................................................................................................914.3.2殘余應(yīng)力分析............................................................................

16、.............................924.4本章小結(jié)........................................................................................................................94第5章異種金屬多焊縫管板結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力測試......................................

17、...................955.1異種金屬多焊縫管板焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力測試....................................................955.1.1異種金屬多焊縫管板焊接結(jié)構(gòu)件.........................................................................955.1.2殘余應(yīng)力計算................

18、.........................................................................................955.1.3殘余應(yīng)力測試.........................................................................................................965.2殘余應(yīng)力測試結(jié)果

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

20、..............................102哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)位論文5.3本章小結(jié)......................................................................................................................104結(jié)論............................................

21、.........................................................................................106參考文獻(xiàn)............................................................................................................................

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