稳压器安全端接管表面堆焊工艺参数虚拟研究

林方强，王 建，赵永明，罗绪珍，李红军，叶义海

（1.中国核动力研究设计院核燃料元件及材料研究所，四川 成都 610213；2.秦山核电有限公司，浙江嘉兴314330）

0 前言

随着有限元分析技术的不断发展和计算机处理能力的不断增强，运用有限元技术进行焊接数值模拟研究已广泛应用于汽车制造、航天航空和核电维修等工程科研领域。有限元分析技术不仅可以模拟焊接试验过程，研究焊接温度场和应力场的变化，还能研究焊接工艺参数、焊接环境参量等对焊接应力、焊接温度场的影响，进行焊接工艺设计与优化[1]。“少量实物焊接试验和大量有限元计算结合”的焊接工艺研究模式，可以弥补传统焊接工艺研究模式费时费力、结果不全面、无前瞻性等缺陷。

基于某核电厂稳压器安全端接管，运用ANSYS软件建立接管表面堆焊的数值模型，研究焊接电流、焊接速度对焊接应力的影响，进而指导焊接工艺设计。

1 有限元模型

以ANSYS程序APDL命令流的方式，建立了稳压器安全端接管表面堆焊的二维轴对称有限元数值模型。模型网格划分示意如图1所示，模型包括由不锈钢、碳钢、Inconel600合金组成的原安全端接管异种金属焊缝和Inconel690合金堆焊层。具体模型网格划分、材料参数及边界条件见文献[2]。

图1 表面堆焊有限元模型Fig.1 Finite elementmodel of weld overlay

对应二维轴对称模型，需要将三维均匀体热源模型简化为二维体热源模型。为使二维模型尽可能真实地反映三维模型的情况，温度场的计算应反映热源在三维工件上的移动。移动热源对垂直于焊缝研究平面的作用按时间顺序分为预热、直接加热、与周围材料热传导、冷却4个阶段。为了更好地反映研究平面受移动热源作用的几个变化阶段，建立了二维改进均匀体热源模型，考虑热源移动效应[3]

式中 Q为热生成率；η为电弧热效率；U为焊接电压；I为焊接电流；v为焊接速度；Vp为焊缝单元的体积；d为高斯参数，等于热源作用体积在焊接方向上的半长，即熔池表面在焊接方向上尺寸的半长；t为热源加热时间；tc为热源中心移至研究平面的时间。

首先，计算获得熔池长度L和热源加热时间t0，取tc=t0/2；然后，均匀获取热源加载时间内10个时刻对应的热生成率hgen（i），加载到焊缝单元上。考虑到多道焊过程，将t0归一化：加载时间为1s，各个时刻热生成率为hgen（i）×t0。使用二维改进均匀体热源模型，焊缝截面在加热阶段受到载荷的相对强度如图2所示。

图2 二维改进均匀体热源相对强度Fig.2 Relative value of 2D modified symmetrical body heat-source

2 焊接电流虚拟研究

结合实际堆焊试验，进行了不同焊接电流的虚拟对比试验，焊接工艺参数如表1所示。表1中第1组是实际堆焊试验使用的焊接工艺参数，保持焊接电压、焊接速度不变，改变焊接电流（±10A、±20A），模拟分析前两道焊缝的加热和冷却过程，获得焊接过程的温度场和应力场。

表1 焊接工艺参数Table 1 Welding process parameter

数值模型中定义多道焊接过程，每道焊缝加载热源时间1 s，冷却时间400 s，前两道焊缝焊接时间总计802 s。模型局部单元网格如图3所示，节点Node 3和Node 1470分别处于第2道焊缝单元和第2道焊缝覆盖下的原管道单元内。第2道焊缝焊接过程中，以Node 3和Node 1470的轴向、环向应力变化为例，分析焊接电流对焊接应力和应力叠加效果的影响。

图3 模型局部单元网格Fig.3 Local cell grid of finite elementmodel

第2道焊缝热源加载及前期冷却过程中（401～407 s），焊缝内节点Node 3轴向应力和环向应力变化曲线如图4、图5所示，图中1～5与表1中序号相对应。由图4和图5可知，在焊接过程中轴向和环向应力变化趋势一致，不同焊接电流引起的大小差异也一致，整体上环向应力数值大于轴向应力。

图4 焊缝节点Node 3轴向应力曲线（401～407 s，不同电流）Fig.4 Axial stress curves of Node 3 under different welding current(401～407 s)

焊接热源加载过程中，焊接电流越大，焊缝金属处于熔融状态，节点应力值为零的时间越长，累积的相变潜热越多。相变潜热影响焊缝冷却速度，进而影响焊接应力的变化。冷却过程中，焊缝内节点应力逐渐稳定为拉应力，由序号1、2、3三组焊接电流对比模拟实验可知，当焊接电流为130～150A时，冷却过程在焊缝内产生残余拉应力基本相等；由序号1、4、5三组对比模拟实验可知，当焊接电流超过150 A时，随着焊接电流的增加，焊缝内残余拉应力变小。

图5 焊缝节点Node 3环向应力曲线（401～407 s，不同电流）Fig.5 Hoop stress curves of Node 3 under different welding current（401～407 s）

实验中应关注表面堆焊对原管道内残余应力的影响。原管道内的焊接应力随着焊缝内应力变化而变化，最终逐渐稳定为压应力。节点Node1470轴向应力曲线如图6、图7所示，比较不同焊接电流下管道内部压应力可知，焊接电流越大，管道内部因焊后冷却产生的压应力越大。多道焊时焊接电流发生变化，焊接应力也产生一致性变化。由于应力叠加效应，原管道内的焊接残余压应力随着电流的增加而增加。

图6 节点Node 1470轴向应力曲线（401～407 s，不同电流）Fig.6 Axial stress curves of Node 1470 under different welding current(401～407 s)

焊接热过程是产生焊接残余应力的决定性因素。焊接电流越大，焊接热输入就越多，得到的焊接热循环最高温度越高，高温相变停留时间越长，焊接温度场的温度分布越不均匀，焊接应力越大[4]。多道焊过程的叠加效果又进一步增强焊接电流的影响，导致焊接残余应力也越大。其他条件不变时，焊接电流越大，原管道内得到的残余压应力越大，越有利于改善管道应力状态[5]。

图7 节点Node 1470环向应力曲线（401～407 s，不同电流）Fig.7 Hoop stress curves of Node 1470 under different welding current（401～407 s）

3 焊接速度虚拟研究

对焊接速度进行相同的虚拟焊接对比分析实验，以表1中的实验1为基准，保持焊接电流、焊接电压不变，改变焊接速度，参数设置如表2所示，使用有限元数值模型模拟前两道焊缝的加热和冷却过程，得到焊接过程的温度场和应力场。

表2 焊接速度对比参数设置Table 2 Definition ofwelding speed

不同焊接速度下节点Node3和Node1470在时段401～407s内的轴向和环向应力曲线如图8、图9所示，图中1～5与表2中序号相对应。由图8～图11可知，在焊接热源加载过程中，焊接速度越大，焊缝高温相变停留短，零应力状态时间越短。焊后冷却，焊缝内形成拉应力，焊缝覆盖下深处母材区域形成压应力。在401～407 s时段焊缝单元内形成的应力大致分为3个层次：焊接速度160mm/min得到最大拉应力，焊接速度140～150mm/min的焊缝拉应力次之，焊接速度120～130mm/min的拉应力最小。原管道内部形成的残余压应力则随着焊接速度的增加而减小。

图8 焊缝节点Node 3轴向应力曲线（401～407 s，不同速度）Fig.8 Axial stress curves of Node 3 under different welding speed（401～407 s）

图9 焊缝节点Node 3环向应力曲线（401～407 s，不同速度）Fig.9 Hoop stress curves of Node 3 under different welding speed（401～407 s）

图10 节点Node1470轴向应力曲线（401～407 s，不同速度）Fig.10 Axial stress curves of Node 1470 under different welding speed（401～407 s）

图11 节点Node 1470环向应力曲线（401～407 s，不同速度）Fig.11 Hoop stress curves of Node 1470 under different welding speed（401～407 s）

本试验使用了二维均匀体热源模型，并定义热源加载时间为1 s，忽略焊接速度变化引起加载时间的变化。因此，焊接速度主要通过影响焊接热输入大小，进而影响焊接残余应力变化。焊接速度越小，焊接线能量越大，焊接温度场的温度分布越不均匀，得到的管道残余压应力越大，即Overlay堆焊修复中焊接速度与管道内残余压应力负相关。

当其他条件不变时，焊接速度越小，原管道内得到的残余压应力越大，越有利于改善管道应力状态。但焊接速度越小，堆焊修复所需时间越长，影响效率；焊接速度小还会引起焊缝区域长时间的高温停留，对焊缝及附近区域组织结构产生不利影响。因此，选择焊接速度需要考虑到焊后材料的理化性能，并保证足够的焊接效率。

4 结论

（1）在虚拟焊接分析研究的范围内，焊接电流越大，原管道内得到的焊接压应力越大；焊接速度越大，原管道内得到的焊接压应力越小。

（2）根据虚拟焊接工艺参数研究，优化安全端接管表面堆焊修复工艺：在保证焊件理化性能和一定焊接效率的前提下，选择尽可能大的焊接电流和尽可能小的焊接速度，可以得到最佳的管道应力。

[1]林燕，董俊慧，刘军．焊接残余应力数值模拟研究技术的现状与发展[J]．焊接技术，2003，32（6）：5-7.

[2]林方强，王建，罗绪珍，等．核电管道安全端异种金属焊接接头表面堆焊的有限元分析[J]．电焊机，2016，46（7）：129-133.

[3]张建勋，刘川．焊接应力变形有限元计算及其工程应用[M]．北京：科学出版社，2015：34-35．

[4]周振丰．焊接冶金学[M]．北京：机械工业出版社，1995:67-85.

[5]JangWook Lee．The Full StructuralWeld Overlay Procedure of PZR Nozzles for KORIUnit1[C]．Transactions of the Korean Nuclear Society Autumn Meeting，Gyeongju，2009.