□ 馬小明 □ 賈明輝

華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院 廣州 510640

1 研究背景

筆者對(duì)某項(xiàng)目蒸汽發(fā)生器管子管板內(nèi)角環(huán)焊殘余應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬研究,建立三維有限元模型,運(yùn)用生死單元法實(shí)現(xiàn)帶狀溫度熱源的逐步加載和計(jì)算,獲得管子管板內(nèi)角環(huán)焊接頭處殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，同時(shí)分析相鄰管子先后焊接對(duì)焊縫區(qū)殘余應(yīng)力的影響。在不同的熱處理溫度下進(jìn)行管子管板的焊后熱處理,獲得不同熱處理溫度下焊接接頭處殘余應(yīng)力的變化情況,從而選擇合適的焊后熱處理溫度。

2 幾何結(jié)構(gòu)和材料

管子管板整體結(jié)構(gòu)由堆焊層、管板、內(nèi)角環(huán)焊焊縫、換熱管四部分組成，尺寸如圖1所示。其中，管板材料為16MND5鋼板,堆焊層和管子材料為Inconel690鎳基合金,堆焊層厚度為5 mm,管板厚度為35 mm,管子尺寸為φ19.1 mm×1.1 mm,兩個(gè)管子的中心距為34.3 mm,管板尺寸為83.6 mm×49.3 mm×35 mm。

▲圖1 管子管板整體結(jié)構(gòu)尺寸

3 有限元模型

在ANSYS軟件中,使用生死單元法模擬焊接,首先建立包含填充焊縫材料的完整三維模型,然后將焊縫單元定義為死單元狀態(tài),最后通過(guò)熱源移動(dòng)逐一激活焊縫各個(gè)部分進(jìn)行焊接模擬。核電蒸汽發(fā)生器管板上管子數(shù)量較多,管子與管子間距較小,考慮到管子管板焊接時(shí)可能會(huì)對(duì)相鄰管子的焊接區(qū)域產(chǎn)生影響,筆者采用含有兩根管子的管板作為模擬研究對(duì)象,模擬件三維圖如圖2所示。

三維模型建立完成后,應(yīng)用ANSYS軟件中的網(wǎng)格劃分功能對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,單元類(lèi)型為Soild70,焊縫區(qū)域的單元比遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的單元密集。有限元模型網(wǎng)格劃分后包含39 726個(gè)節(jié)點(diǎn)和34 130個(gè)單元,如圖3所示。

▲圖2 模擬件三維圖▲圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分

4 材料屬性

焊接是一種非線(xiàn)性高溫瞬態(tài)過(guò)程,焊接過(guò)程中材料的物理性能參數(shù)隨溫度而變化。筆者先進(jìn)行焊接溫度場(chǎng)模擬,然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)模擬,相關(guān)聯(lián)的物理性能參數(shù)有彈性模量、比熱容、熱導(dǎo)率、線(xiàn)膨脹系數(shù)、密度等。模擬件各組成部分材料的物理性能參數(shù)可由文獻(xiàn)[7-8]獲得,材料部分物理性能參數(shù)隨溫度變化曲線(xiàn)如圖4所示。

5 熱源模型

由于高斯熱源和雙橢球熱源模型需要確定較多的工藝參數(shù),因此在計(jì)算過(guò)程中需要反復(fù)嘗試和計(jì)算工藝參數(shù)。為了節(jié)省模擬時(shí)間,筆者采用條形移動(dòng)溫度熱源計(jì)算模擬件的焊接溫度場(chǎng)[9]，即將焊縫區(qū)域劃分為若干段,對(duì)每段焊縫區(qū)域的單元加載至1 400 ℃熔融溫度，并保持一段時(shí)間,時(shí)間由焊縫長(zhǎng)度和焊接速度共同決定。當(dāng)條形溫度熱源將某段焊接區(qū)域單元加載至熔融溫度一段時(shí)間后,使用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言*DO循環(huán)語(yǔ)句將條形溫度熱源移動(dòng)到下一個(gè)焊縫區(qū)域進(jìn)行加載。熱源加載如圖5所示。條形溫度熱源使整個(gè)焊接區(qū)的單元經(jīng)歷與實(shí)際焊接過(guò)程相同的熱循環(huán),因此計(jì)算結(jié)果誤差較小。

▲圖4 材料物理性能參數(shù)隨溫度變化曲線(xiàn)

6 邊界條件

溫度場(chǎng)模擬計(jì)算時(shí),忽略輻射散熱,只考慮對(duì)流換熱邊界條件，對(duì)模擬件暴露在空氣中的節(jié)點(diǎn)均施加對(duì)流換熱邊界條件。采用空氣自然對(duì)流,對(duì)流換熱系數(shù)為20 W/(m2·℃),環(huán)境溫度為25 ℃。殘余應(yīng)力場(chǎng)模擬時(shí),對(duì)管板外表面及管的底部添加X(jué)、Y、Z方向位移約束,防止熱源加載時(shí)模型發(fā)生旋轉(zhuǎn)或剛性運(yùn)動(dòng)。

▲圖5 熱源加載

7 計(jì)算過(guò)程

應(yīng)用順序耦合法進(jìn)行模擬計(jì)算。首先通過(guò)帶狀溫度熱源對(duì)焊縫區(qū)域單元逐步加載,得到模擬件的溫度場(chǎng)結(jié)果。然后應(yīng)用ETCHG,TTS命令將溫度場(chǎng)模型轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型施加所得到的溫度場(chǎng)結(jié)果,通過(guò)穩(wěn)態(tài)分析得到模擬件的殘余應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果。焊接完成后,模擬件自然冷卻3 500 s,此時(shí)模擬件的溫度接近于環(huán)境溫度。

在焊后熱處理的數(shù)值模擬中,加熱整個(gè)管板,加熱時(shí)間為1 000 s,空氣冷卻至室溫。研究表明，管子管板焊縫區(qū)域的最適宜熱處理溫度為607 ℃±13 ℃[10]。以此為參考,依次取100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃熱處理溫度進(jìn)行模擬計(jì)算。

8 結(jié)果分析

將兩個(gè)管子分別記為1號(hào)管與2號(hào)管,先焊1號(hào)管,后焊2號(hào)管。通過(guò)ANSYS軟件中路徑操作命令PATH和PPATH定義路徑P1,A點(diǎn)位于管板中心,AB段位于堆焊層上表面,BC段位于焊縫上表面,B點(diǎn)和C點(diǎn)為上下焊趾點(diǎn),CD段位于管子內(nèi)表面。然后通過(guò)PDEF命令將殘余應(yīng)力數(shù)值模擬結(jié)果映射到路徑P1上,分析2號(hào)管焊后熱處理前后殘余應(yīng)力沿P1路徑的分布規(guī)律及2號(hào)管焊接前后對(duì)P1路徑殘余應(yīng)力的影響。X、Y、Z方向依次對(duì)應(yīng)管子管板的徑向、環(huán)向和軸向,應(yīng)力分析路徑如圖6所示。

8.1 焊接殘余應(yīng)力

P1路徑殘余應(yīng)力分布如圖7所示。2號(hào)管內(nèi)角環(huán)焊完成后,沿P1路徑,徑向和環(huán)向殘余應(yīng)力在焊縫熔合區(qū)域出現(xiàn)99 MPa和84 MPa的拉應(yīng)力最大值。隨著遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，殘余應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力,最后趨于零。在堆焊層上表面，軸向殘余應(yīng)力趨于零。由于AB段上的節(jié)點(diǎn)在管板表面對(duì)軸向方向應(yīng)力影響很小,因此沿管板厚度方向的殘余應(yīng)力趨于零。在管子內(nèi)表面,軸向殘余應(yīng)力在距下焊趾5.3 mm處存在28.6 MPa的拉應(yīng)力最大值,之后變?yōu)閴簯?yīng)力，最后趨于零。模擬計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[3,11]中的測(cè)試結(jié)果一致。

▲圖6 應(yīng)力分析路徑▲圖7 P1路徑殘余應(yīng)力分布

8.2 相鄰管子焊接殘余應(yīng)力

為了研究相鄰管子內(nèi)角環(huán)焊對(duì)殘余應(yīng)力的影響規(guī)律,對(duì)2號(hào)管焊接前后對(duì)P1路徑殘余應(yīng)力變化的影響規(guī)律進(jìn)行分析。2號(hào)管焊接前后P1路徑殘余應(yīng)力對(duì)比如圖8所示。2號(hào)管焊接后P1路徑的徑向、環(huán)向、軸向殘余應(yīng)力比焊接前有所減小,因?yàn)?號(hào)管焊接時(shí)的溫度場(chǎng)對(duì)P1路徑有影響,相當(dāng)于P1路徑區(qū)域在2號(hào)管焊接后受到了一次熱處理,所以使殘余應(yīng)力減小。

8.3 焊后熱處理后殘余應(yīng)力

鑒于熱處理工藝能減小焊接殘余應(yīng)力,2號(hào)管焊接完成后對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行焊后熱處理,研究100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃六種不同熱處理溫度對(duì)P1路徑等效殘余應(yīng)力的影響。

不同熱處理溫度下P1路徑等效殘余應(yīng)力分布如圖9所示。在熱處理之后,P1路徑上等效殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本上與熱處理前相同,焊接區(qū)域附近的殘余應(yīng)力都顯著減小,不同位置的殘余應(yīng)力減小幅度不一。熱處理前P1路徑最大等效殘余應(yīng)力為114.4 MPa,不同熱處理溫度下最大等效殘余應(yīng)力見(jiàn)表1。由表1可知,經(jīng)過(guò)600 ℃焊后熱處理，焊接區(qū)域的等效殘余應(yīng)力減小幅度最大,最大降幅為58.4 MPa。

▲圖8 2號(hào)管焊接前后P1路徑殘余應(yīng)力對(duì)比

因此,可選用600 ℃熱處理溫度對(duì)管子管板進(jìn)行焊后熱處理,這樣能夠有效降低焊縫區(qū)域附近的殘余應(yīng)力水平,降低管板焊接區(qū)域應(yīng)力腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

▲圖9 不同熱處理溫度下P1路徑等效殘余應(yīng)力分布

表1 不同熱處理溫度下最大等效殘余應(yīng)力

9 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)蒸汽發(fā)生器管子管板內(nèi)角環(huán)焊殘余應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬研究，管子管板焊縫熔合區(qū)域存在最大徑向和環(huán)向殘余應(yīng)力,管子內(nèi)表面焊趾附近區(qū)域存在最大軸向殘余應(yīng)力。相鄰管子先后進(jìn)行焊接時(shí),在后焊管子溫度場(chǎng)的作用下，先焊管子焊縫區(qū)域的殘余應(yīng)力會(huì)減小,相當(dāng)于先焊管子焊縫區(qū)域進(jìn)行了一次熱處理。焊后熱處理后,焊縫附近的等效殘余應(yīng)力明顯減小,不同位置的等效殘余應(yīng)力減小幅度不同。焊后熱處理溫度為600 ℃時(shí),焊縫區(qū)域的等效殘余應(yīng)力減小最為顯著。