核電站雙腹吊車梁焊接工藝仿真數(shù)值模擬研究

李敏 曹杰 周玉東 劉學良

摘? 要：“華龍一號”核電站雙腹吊車中存在較多的尺寸大，厚度大的焊接結構，焊接之后會出現(xiàn)變形較大，焊后變矯正工藝難以實施；同時焊接過程中的焊接殘余應力，會降低焊接接頭的質(zhì)量，甚至導致焊接接頭出現(xiàn)的早期的失效，產(chǎn)生應力腐蝕裂紋。因此，考慮引入焊接數(shù)值模擬軟件對焊接變形和焊接殘余應力進行提前預測，優(yōu)化焊接工藝，改善預制構件的焊接質(zhì)量，提高核電建造的數(shù)字化、智能化建設。

關鍵詞：焊接仿真技術；雙腹吊車梁；仿真方法；熱源模型

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）07-0105-07

Abstract： In the double-belly crane of “Hualong One” nuclear power plant， there are many welding structures with large size and thickness， which will cause large deformation after welding， and it is difficult to implement the deformation correction process after welding. At the same time， welding residual stress in the welding process will reduce the quality of welding joints， and even lead to early failure of welding joints， resulting in stress corrosion cracks. Therefore， it is considered to introduce welding numerical simulation software to predict welding deformation and welding residual stress in advance， optimize the welding process， improve the welding quality of prefabricated components， and improve the digital and intelligent construction of nuclear power plant construction.

Keywords： welding simulation technology; double-belly crane beam; simulation method; heat source model

0? 引? 言

焊接仿真技術的發(fā)展，受限于計算機硬件的發(fā)展，隨著計算機技術的發(fā)展，計算機仿真數(shù)值模擬方法為焊接科學技術的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件[1]。在20世紀30年代，才由蘇聯(lián)的雷卡林，系統(tǒng)的研究了焊接傳熱問題，建立焊接傳熱學的理論基礎，將焊接熱源簡化為點、線、面熱源進行仿真[2]。發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)有很多的軟件可以實現(xiàn)三維的焊接仿真了。比如：Ansys、MSC.MARC、Sysweld等軟件，其中Sysweld是專業(yè)的焊接CAE軟件，是源于核電領域的經(jīng)典焊接模擬軟件，可以模擬核電站鋼結構焊接過程中的焊縫周邊的溫度變化、原子擴散和沉積、熔池形成與凝固、組織演變、焊接過程控制、應力應變和鋼結構的變形等現(xiàn)象；也可用于淬火、回火的分析和研究；也可用于材料相變、體積變化、成分偏析、殘余應力和應變計算等表面淬火、化學熱處理、和焊接裝配研究等[3-5]。內(nèi)含有三種常見的熱源模型：雙橢球熱源模型，3D高斯熱源模型、2D高斯熱源模型，本文采用雙橢球熱源模型對雙腹吊車梁進行焊接仿真模擬。

雙腹吊車梁成型是典型的大型鋼構件，特點為翼緣截面小、腹板截面大、腹板板材厚度小、雙腹板間距窄、全熔透焊縫等級要求高、成型尺寸精度高，焊接后易產(chǎn)生焊接變形。為促進鋼結構預制產(chǎn)品的質(zhì)量，在進行焊接工作時，應用焊接有限元Sysweld軟件進行建模提前獲取其變形情況，進而優(yōu)化焊接順序，達到車間生產(chǎn)過程中降低成本的目的[6-10]。

1? 仿真模擬過程

仿真模擬的過程主要分三個層級進行研究：1）應用Visual-mesh對雙腹吊車梁進行三維建模，通過Visual-Mesh網(wǎng)格工具建立零件的有限元網(wǎng)格模型，對模型進行前處理操作。2）應用Visual-Weld創(chuàng)建熱源模型，施加焊接工藝參數(shù)，經(jīng)Sysweld求解器計算后得到焊接溫度場變化與殘余應力和應變分布結果，獲取模型變形情況，優(yōu)化焊接順序。通過Visual-Mesh網(wǎng)格工具建立零件的有限元網(wǎng)格模型。3）應用Visual-Viewer后處理雙腹吊車梁焊接模擬結果，分析并優(yōu)化焊接工藝，分析仿真結果。

1.1? 建立計算模型

雙腹吊車梁上翼緣板材料為Q345B，δ=25 mm，下翼緣板材料為Q345B-Z15，δ=50 mm，中間雙腹板材料為Q345B，δ=16 mm。上下翼緣板與雙腹板之間為雙邊全熔透焊縫。其結構尺寸詳圖如圖1所示。

根據(jù)圖1的幾何尺寸，腹板與翼緣開V形坡口，根部間隙2～3 mm，可以在模型里建立幾何模型也可以直接導入CAD文件，因受計算機計算速度的影響，計算模型按2 500 mm的長度進行模擬。模型如圖2、圖3所示。

將CAD線條賦予面，形成三維的體，然后建立焊縫的截面，焊縫拉伸成體，分別賦予不同的材質(zhì)，分組，這樣才能對所計算的位置進行網(wǎng)格劃分。

1.2? 網(wǎng)格劃分

利用Visual-Mesh工具中熱處理有專門的網(wǎng)格劃分技術，將雙腹吊車梁模型進行網(wǎng)格劃分，生成焊接需要的六面體網(wǎng)格，滿足熱處理對于表面層網(wǎng)格的要求，網(wǎng)格邊長單位可以精確到毫米級別。網(wǎng)格劃分時，在遠離焊縫位置的地方，溫度變化較小，網(wǎng)格劃分時可以采用大較大的網(wǎng)格，在距離焊縫較近的位置，溫度梯度變化劇烈，網(wǎng)格劃分時采用較小的網(wǎng)格，如圖4所示。

1.3? 工藝參數(shù)

網(wǎng)格劃分之后輸入材質(zhì)、溫度、軌跡等相關信息輸入。雙腹吊車梁為一次成型焊接，焊接坡口加設鋼襯墊（鋼襯墊材質(zhì)與母材同材質(zhì)），為使得鋼襯墊與母材熔合，采用二氧化碳氣體保護焊進行打底焊接，埋弧焊進行填充和蓋面焊接。其工藝參數(shù)如表1所示。

焊接順序：焊接時，先用二氧化碳氣體保護焊打底。腹板的四條全熔透全部打底焊接后進行填充蓋面焊接。采用埋弧焊填充、蓋面，多次翻轉(zhuǎn)對稱焊接。焊接采用直通焊，每層焊接順序相反。

1.4? 建立熱源模型

焊接熱源模型是指實現(xiàn)焊接過程數(shù)值模擬的基本條件。焊接熱源具有局部集中、瞬時和快速移動的特點，比一般情況下熱過程復雜，因此需要專門創(chuàng)建熱源模型定義熱輸入，如圖5所示。熱源模型是將外界能量輸入等效為有限元空間的焊接熱源數(shù)學模型施加于焊縫，用方程定義熱源內(nèi)任意一點的空間位置及熱流分布。Sysweld軟件中自帶有雙橢球熱源（用于弧焊）、二維高斯熱源（用于表面加熱、堆焊）、三維高斯熱源（用于高能束流焊），以上三種為用途較為廣泛的熱源。本文中主要應用到雙橢球熱源進行仿真模擬，電弧在沿著焊接方向運動時，電弧的熱流密度分布不是對稱的，一般而言，前部的加熱區(qū)域要比后部的加熱區(qū)域小，電弧的熱流密度在前后方向加熱區(qū)域不是關于中心線對稱的單個半橢球體，而是雙橢球體，如圖6所示。

雙橢球前后兩部分熱源分布計算公式為：

在軟件內(nèi)通過調(diào)整熱源模型的尺寸參數(shù)進行熱源校核，保證仿真精度。分別輸入焊接軌跡線、熔池、能量參數(shù)。

1.4.1? 定義焊接軌跡線

焊接軌跡線用來描述焊槍運行軌跡，在這一步驟中，需要定義軌跡線、焊槍行進的方向，定義填充材料，劃分焊接組（熱量直接加載的區(qū)域），定義參考線（專門用于確定焊槍角度，參考線與焊接線處處平行，穿過參考線和焊接線定義的平面的方向就是焊槍角度的方向。焊接線是在網(wǎng)格上，參考線可以懸空），起始點、終止點、起始網(wǎng)格如圖7所示。

1.4.2? 定義熔池參數(shù)

按照實際操作輸入焊接速度，根據(jù)試件的金相試驗得到的數(shù)值，輸入熔池的長、寬、深。對應不同的焊接工藝，輸入不同的參數(shù)就可以分別進行數(shù)值模擬，如圖8所示。

1.4.3? 定義能量輸入

式（1）中Qf表示前半橢球的能量，式（2）中Qr表示后半橢球的能量，空間中任意一點（x，y，z）的能量Qf或者Qr都是用乘以前半橢球或者后半橢球的方程來表示的，那么在軟件中輸入整體的能量（Q=UI/V），再明確能量比Qf /Qr為1.2，那么Qf和Qr的具體值就知道是多少了，熱效率根據(jù)弧焊或者氣體保護焊的具體工藝輸。長度比af /ar是0.5，根據(jù)總的熔池長度就可以求得具體值，如圖9所示。

1.4.4? 定義冷卻條件

定義冷卻條件主要是設置零件的散熱區(qū)域和散熱時間，如圖10所示。提取3D網(wǎng)格的2D表面，定義與空氣的換熱面。定義環(huán)境溫度為20度，這樣換熱面就隨時可以跟空氣進行換熱。軟件求解時，時間步用于控制計算速度，焊接過程中，溫度變化是非線性變化，時間步會很小，計算速度回很慢，以提高計算精度。

1.4.5? 定義夾持條件

通過該步驟設置約束加載的類型，位移方向還原實際的夾持條件，在該步驟中可以仿真模擬矯正胎具的位置及約束條件、夾持時間，如圖11所示。

1.4.6? 定義接觸

接觸分為熱接觸（溫度傳遞）和機械接觸（力的傳遞），根據(jù)需要進行設置，本次模擬中不需要設置。

1.5? 有限元計算

設置求解的相關參數(shù)之后提交計算。在該步驟中需要設置零件的初始溫度、計算文件的輸出大小、定義求解參數(shù)、收斂性、計算速度后提交計算，生成求解文件，如圖12所示。

得到計算文件，1_V_POST 1000文件包含有溫度、相變、硬度等于溫度相關的結果；1_V_POST 2000應力應變變形機械的結果。主要觀察溫度場的變化和應力場的結果。

1.5.1? 溫度場模擬結果分析

圖13展示了在不同的時間的溫度情況，隨著熱源向前移動，各個位置的溫度也隨之變化，在圖13上可以清晰地看到熔池形狀近似橢圓形，焊接熱源位置處溫度變化大，遠離熱源的位置溫度相對穩(wěn)定。

在熱源方向上分別沿著熔池的前后及左右方向上取點，得到熱循環(huán)曲線如圖14所示。當熱源移動到選取的點的位置時，熔池中心溫度最高，變化劇烈，距離熔池中心較遠的點的溫度變化較為平穩(wěn)；當焊接結束后，各點的溫度逐漸趨向平穩(wěn)，最終降到焊接構件的平均值。

1.5.2? 應力場模擬結果分析

從焊接過程中的應力、應變云圖、位移云圖可以看出腹板收縮變形，主要集中在腹板兩端坡口全熔透焊接時，沿著腹板寬度方向縱向收縮變形，此種變形引起的應力較大，在對其進行機械矯正和熱矯正時容易引發(fā)波浪變形和扭曲變形，如圖15、圖16所示。

數(shù)值模擬得可以得到焊接過程中每秒的變形情況，發(fā)現(xiàn)變形位置主要是腹板兩端坡口處，沿著腹板寬度方向縱向收縮變形。根據(jù)得到計算結果，對變形較大位置進行矯正，因設置專用矯正胎具，在實體試驗中對變形進行矯正，矯正胎具實物圖如圖17所示。

2? 模擬結果與實體試驗對比

數(shù)值模擬得到的溫度值為229.4度，實體試驗測得的溫度為219.5度，如圖18所示。溫度接近，說明數(shù)值模擬結果準確。

根據(jù)矯正胎具在模型中施加約束，得到新的計算結果，經(jīng)過平整度檢查發(fā)現(xiàn)變形得到了很好的控制，與數(shù)值計算的結果符合如圖19、圖20所示。

如圖21所示，對焊縫數(shù)值仿真模擬的結果與實體試驗得到的數(shù)據(jù)相吻合，說明數(shù)值模擬結果準確。

3? 結? 論

1）利用Sysweld軟件對雙腹吊車梁進行有限元分析，結合網(wǎng)格自適應技術對模型進行有限元單元網(wǎng)格劃分；根據(jù)焊接特點，以雙橢球熱源函數(shù)作為熱源輸入，合理設計熱流密度分布及熱源在工件上的計算區(qū)域，建立移動電弧作用下的三維焊接熱過程的有限元數(shù)值分析熱源模型，計算得到的結果與實體試驗較吻合。

2）對雙腹吊車梁的腹板與翼緣連接處進行焊接仿真模擬，溫度場和應力場的三維動態(tài)模擬體現(xiàn)了各個點在各個時間點上的溫度、應力應變、位移的變化情況，可以定量分析工件上焊接溫度場分布以及熔池形狀的動態(tài)演變；通過改變焊接工藝參數(shù)，計算并分析焊接速度、熱輸入、焊接順序等焊接工藝參數(shù)的變化對焊接溫度場及熔池形狀的影響。

3）通過焊接數(shù)值模擬的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的焊接工藝試驗，能夠有效提高其工作效率，減少人工投入成本及試驗材料投入成本60%以上，長期發(fā)展后，具有良好的經(jīng)濟效益。

4）傳統(tǒng)工藝中為保證雙腹吊車梁構件尺寸滿足技術條件要求，在進行腹板矯正時設計一種專用矯正胎具。因雙腹吊車梁為簡單腹翼板焊接結構，構件剛性差，在變形矯正之前需要焊接1：1模擬件，驗證其矯正方法是否有效。使用Sysweld軟件，通過在軟件中增加加持條件，仿真模擬矯正胎具的作用，可以省去試驗的成本與人工成本，提高鋼結構制作的經(jīng)濟性和工作效率。

參考文獻：

[1] 武傳松，孫俊生，高進強.焊接過程計算機模擬的新進展 [C]//第十次全國焊接會議.哈爾濱：黑龍江人民出版社，2001：210-221.

[2] 吳言高，李午申，鄒宏軍，等.焊接數(shù)值模擬技術發(fā)展現(xiàn)狀 [J].焊接學報，2002（3）：89-92+0.

[3] 張堅，吳文妮，趙龍志.激光熔覆研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J].熱加工工藝，2013，42（6）：131-134+139.

[4] 周鑫.激光選區(qū)熔化微尺度熔池特性與凝固微觀組織 [D].北京：清華大學，2016.

[5] 吳滿鵬，羅震，李洋，等.雙面激光打底焊根部熔合模擬及組織演變分析 [J].焊接學報，2022，43（8）：19-24+114.

[6] 鄧克劍，曹杰，武志華，等.防沖板箱型鋼結構自動化焊接設備研制 [J].機械工程師，2021（11）：93-95+99.

[7] 朱敏，鄭喬，吳巍，等.坡口形式對雙金屬復合板多層多道焊接頭殘余應力演變的影響 [J].機械工程學報，2022，58（10）：51-58.

[8] 雷凱，田孟良，段磊釗，等.某型航空發(fā)動機火焰筒整流罩TIG焊數(shù)值模擬研究 [J].熱加工工藝，2022，51（19）：139-144.

[9] RAMOS H M E，TAVARES S M O，DE CASTRO P M S T. Numerical modelling of welded t-joint configurations using sysweld [J].Science and Technology of Materials，2018，30：6-15.

[10] JAN?O R，éCSI L，éLESZT?S P. Fsw numerical simulation of aluminium plates by sysweld-part ii [J].Journal of Mechanical Engineering，2016，66（2）：29-36.

作者簡介：李敏（1988—），女，漢族，山東泰安人，高級工程師，碩士研究生，主要研究方向：核電鋼結構設計、焊接模擬、BIM應用等。