焊接工藝對(duì)厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響策略

李樹輝

哈電集團(tuán)（秦皇島）重型裝備有限公司 河北秦皇島 066206

隨著我國能源需求的不斷增加，核電站的數(shù)量在不斷的增加，核壓力容器的制造更加復(fù)雜，更加大型化，依靠焊接工藝進(jìn)行核壓力容器組制造，成為當(dāng)前需要深入研究的課題。本文結(jié)合焊接工藝對(duì)核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行分析，期望能夠在減輕殘余壓力影響的方面具有參考作用。

1 焊接工藝

隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，焊接工藝涉及到各個(gè)行各業(yè)，進(jìn)行大型設(shè)備的組裝和制造的時(shí)候，離不開焊接工藝的應(yīng)用。

焊接工藝是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及到傳熱、冶金、力學(xué)、電弧焊等工藝。在核壓力容器的制造中焊接是必不可少的，對(duì)于厚壁核壓力容器進(jìn)行焊接，容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力容易導(dǎo)致焊接過程中缺陷產(chǎn)生，最終影響容器的安全使用。因此在焊接工藝的實(shí)施中，既要注意安全性，也要注意可靠性，以此來保證核壓力容器的質(zhì)量安全可靠。

厚壁核壓力容器對(duì)接焊目前普遍采用SAW方法，為了探求坡口形式對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響，坡口形式選擇I型和雙面U型。一般選用的焊接參數(shù)如下：電流580A,電壓32V,速度400mm/min，焊接溫度150-250℃。

2 焊接殘余應(yīng)力分析的現(xiàn)狀

在焊接熱循環(huán)過程中隨著加熱熱源的移動(dòng)，焊件上溫度隨時(shí)間和空間急劇變化，材料的熱物理性能也隨之變化，同時(shí)還存在熔化和相變時(shí)的潛熱現(xiàn)象，焊接溫度場屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程。

采用有限單元法作為焊接殘余應(yīng)力的研究，是歷年來國內(nèi)外研究領(lǐng)域進(jìn)行的重要工作。這種研究針對(duì)焊接殘余應(yīng)力應(yīng)變過程進(jìn)行分析。早在70年代，日本的學(xué)者就采用有限元模擬的技術(shù)，對(duì)于焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了深入的研究，并得到了大量的研究結(jié)果。復(fù)雜的動(dòng)態(tài)焊接應(yīng)力可以通過建立有限元模型進(jìn)行反應(yīng)，這一分析過程非常簡化，而引入到我國進(jìn)行焊接應(yīng)力力學(xué)方面的研究，雖然起步的較晚，但是獲得的成就也是巨大的[1]。

80年代學(xué)者在進(jìn)行熱彈塑性理論的研究時(shí)，編制出了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，更加快速的進(jìn)行了有限元計(jì)算公式的得出。90年代學(xué)者進(jìn)行了更深入的研究，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使用不同的方法，得到了焊接殘余應(yīng)力的相應(yīng)數(shù)值，這些數(shù)值在實(shí)際工作運(yùn)用中得到了很好的應(yīng)用。現(xiàn)階段對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的研究已經(jīng)取得了長足的發(fā)展。利用數(shù)值分析，對(duì)于材料的熱物理性能導(dǎo)熱系數(shù)密度等等進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于殘余應(yīng)力中存在的一些問題，以及控制中一些難點(diǎn)都能進(jìn)行解決。

將焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力這一復(fù)雜的現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)據(jù)化的分析。熱源分布參數(shù)的數(shù)據(jù)，往往由于缺少資料，在傳統(tǒng)的工藝施工的時(shí)候，不能為實(shí)際施工提供較多的依據(jù)。因此，我國在進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的影響因素研究過程中，已經(jīng)對(duì)多層焊縫焊口焊縫的熱源分布形式加大了研究力度，目前存在的問題還表現(xiàn)在這些獲得的資料在數(shù)值上精準(zhǔn)度不高，對(duì)焊接熱源的熱效應(yīng)選取還存在一定的問題，例如進(jìn)行焊接熔池的處理的時(shí)候，不能過多考慮焊接熔池中液態(tài)金屬的對(duì)流傳熱特點(diǎn)[2]。

因此在核應(yīng)力容器焊接殘余應(yīng)力的研究上還需要更進(jìn)一步的進(jìn)行，因此任重道遠(yuǎn)。因此今后需要對(duì)于焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，焊接數(shù)值模擬技術(shù)焊接殘余應(yīng)力影響等繼續(xù)加大理論支持。當(dāng)前對(duì)于焊接應(yīng)力和變形的分析，囊括了溫度場模擬焊接應(yīng)力、屈服準(zhǔn)則、流動(dòng)準(zhǔn)則，熱彈塑性基本理論強(qiáng)化準(zhǔn)則等等。對(duì)于應(yīng)力的計(jì)算，采用理論和實(shí)踐相結(jié)合的方法，運(yùn)用了ANSYS軟件模擬了焊接過程。

3 焊接工藝對(duì)厚壁核容器焊接殘余應(yīng)力影響

焊接過程是一個(gè)非線性瞬態(tài)熱作用過程，焊接溫度場的分布對(duì)焊接變形和殘余應(yīng)力的分布規(guī)律具有極大影響，對(duì)溫度場的準(zhǔn)確計(jì)算可以說是焊接冶金分析、焊接應(yīng)力及變形分析和對(duì)焊接過程進(jìn)行控制的前提。

由于在焊接殘余應(yīng)力的溫度場的實(shí)驗(yàn)中，可以看到焊接工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響是非常重要的。因此在進(jìn)行焊接的過程中，對(duì)于產(chǎn)生的不良影響要加以注意。將溫度場設(shè)置在1300度、1400度等不同數(shù)值的時(shí)候，可以看到焊接后的殘余應(yīng)力發(fā)生了等效變化，不同的狀態(tài)決定了不同的焊接工藝參數(shù)。當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到360MPA和370MPA的時(shí)候，應(yīng)力值是最大的。采用不同的焊接工藝參數(shù)，會(huì)對(duì)焊后殘余應(yīng)力大小有不同的影響。坡口形式對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的影響在通過有限元計(jì)算后的結(jié)果表明，坡口形式造成的影響會(huì)對(duì)厚壁核壓力容器焊接產(chǎn)生合理的坡口尺寸具有實(shí)際操作的指導(dǎo)作用。

當(dāng)采用雙U型坡口相比于I型坡口有利于降低等效殘余應(yīng)力。無論何種坡口形式，焊接完成后焊接等效殘余應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在焊縫中心附近，隨著遠(yuǎn)離焊縫應(yīng)力值逐漸降低。

采用焊后熱處理工藝對(duì)焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行影響。為了保證焊接結(jié)構(gòu)安全可靠，可采用熱處理消除殘余應(yīng)力。例如焊接坡口在30毫米寬的時(shí)候，熱處理之前應(yīng)力值為400mp，經(jīng)過熱處理之后，焊縫中心的應(yīng)力相對(duì)減小。經(jīng)過一個(gè)小時(shí)到四個(gè)小時(shí)的冷卻之后，分別達(dá)到了320mpA和300MPA，表明等效應(yīng)力相對(duì)較低，在經(jīng)過五個(gè)小時(shí)之后，數(shù)值更低，達(dá)到了200mp。由此可見，為了充分降低焊接殘余應(yīng)力，可以采用熱處理的方法，重新分布焊接殘余應(yīng)力[4]。

4 結(jié)語

對(duì)能源的需求是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷擴(kuò)大的。核能的開發(fā)潛力和前景是非常廣闊和巨大的。通過核能的開發(fā)和利用，可以為社會(huì)提供源源不斷的能源，但是能源的安全問題也是值得注意的，應(yīng)該在焊接工藝等施工工藝中采取有效的控制手段，并且對(duì)工藝應(yīng)用加以不斷的完善。例如在焊接工藝對(duì)厚壁核壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響上進(jìn)行不斷的研究，才能真正改善核壓力容器的質(zhì)量，為我國能源工業(yè)的發(fā)展提供安全可靠的技術(shù)支持。