吳曄華，陳鵬，劉一搏，侯陽

1.核工業(yè)工程研究設(shè)計有限公司 北京 101300

2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海） 山東威海 264209

3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001

1 序言

國內(nèi)某核電站屏蔽廠房SC結(jié)構(gòu)模塊是由雙層鋼板、鋼筋和混凝土組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，位于CV筒體外側(cè)。SC結(jié)構(gòu)模塊在焊接過程中，具有整體結(jié)構(gòu)尺寸大、焊縫數(shù)量多、變形控制難度大、焊后矯形困難等特點，因此尋找大型構(gòu)件焊接變形的控制方法，并對焊接變形進行預(yù)判顯得尤為重要。當前，計算機數(shù)值模擬輔助軟件在工程實踐中的應(yīng)用正逐漸增加[1，2]。但由于SC結(jié)構(gòu)模塊變形量數(shù)值模擬具有模型尺寸大、形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)細節(jié)多等模擬難點，若直接對整體結(jié)構(gòu)采用熱彈塑性有限元進行計算，所花費的時間會相當長，并且存在收斂難、結(jié)果文件巨大的問題，可能無法獲得模擬結(jié)果。

Sysweld軟件由于內(nèi)部含有“局部-整體”映射算法，因此更適合大型焊接構(gòu)件的變形仿真研究[3，4]?？蓪⒑缚p的殘余應(yīng)力與塑性應(yīng)變從整個焊接構(gòu)件的變形中分離提取，根據(jù)焊接構(gòu)件的不同坡口形式建立局部有限元模型，得到局部模型結(jié)果后提取塑性應(yīng)變與焊縫剛度，再利用宏單元技術(shù)將局部模型結(jié)果映射到整體模型進行焊接裝配，從而容易得到整體的模擬變形結(jié)果[5]。因此，本文采用Sysweld軟件開展對SC結(jié)構(gòu)模塊的多設(shè)備協(xié)同焊接，通過對焊接變形量進行數(shù)值模擬，來指導(dǎo)后續(xù)現(xiàn)場的焊接施工。

圖1 SC兩環(huán)1∶1整體數(shù)學(xué)模型

2 模型構(gòu)建

SC結(jié)構(gòu)模塊模型主要包含24塊板材，取自于整體SC結(jié)構(gòu)模塊的第16環(huán)和第17環(huán)。單板尺寸為12 559mm ×3000mm×20mm，板材由內(nèi)外兩側(cè)構(gòu)成。為了提高模擬計算效率和收斂性，在不影響模擬整體結(jié)果的前提下對模型部分結(jié)構(gòu)進行調(diào)試優(yōu)化，對數(shù)學(xué)模型的真值度要求應(yīng)≥80%，三維模型如圖1所示。

試驗材料為Q355B，由于金屬材料的物理性能會隨著溫度的變化而變化，而在高溫區(qū)的性能參數(shù)會相對匱乏，為了提高模擬的準確性，對已知數(shù)據(jù)點進行整合，材料各項物理性能與溫度關(guān)系如圖2所示[6]。焊接方法為自動熔化極氣體保護焊，焊接材料為ER70S-6、φ1.2mm實芯焊絲。同時焊接參數(shù)采用與現(xiàn)場一致的焊接參數(shù)，見表1。

表1 模擬采用的焊接參數(shù)

圖2 Q355B材料物理性能參數(shù)

圖3 SC結(jié)構(gòu)模塊的焊接位置

3 計算方法

局部模型由橫焊焊縫構(gòu)成，模型從SC結(jié)構(gòu)模塊三維模型中直接提取。因此在整體模型求解之前需要將局部模型模擬結(jié)果通過宏單元技術(shù)提取到數(shù)據(jù)庫中。在Sysweld軟件中采用局部模型標準接口，通過焊接向?qū)В╓elding Advisor）下的“局部-整體”裝配模塊（Local-global）先導(dǎo)入各個局部模型的工程文件，再導(dǎo)出Slice組作為宏單元映射到SC結(jié)構(gòu)模塊模擬件當中，提取局部模型結(jié)果。

為模擬不同拼裝方案對SC結(jié)構(gòu)模塊變形量的影響，對模擬過程中的拼裝順序進行了規(guī)劃研究。同時，為了提高局部模型的計算精度，在縱向截面網(wǎng)格上進行細化[7]。通過將兩環(huán)結(jié)構(gòu)橫焊焊縫近似等分為八份，模擬不同的焊接拼裝順序，包括分段焊接、同時焊接等。為了控制變形量，每一段板體內(nèi)外側(cè)都采用同時焊接的方式，焊接方向均為從左至右。焊接位置如圖3所示。本文重點對焊接中所采用焊機數(shù)量和焊接順序?qū)ψ冃瘟康挠绊戇M行了模擬。

4 結(jié)果分析與討論

（1）4臺焊機同時焊接的變形量數(shù)值模擬 在鋼板內(nèi)外兩側(cè)同時進行焊接的前提下，4臺焊機焊接SC結(jié)構(gòu)模塊時采用對稱焊接的方式以達到變形量最小，整體結(jié)構(gòu)的變形量可以控制在1.5mm以內(nèi)。其中，圖4為先焊接混合加密區(qū)（⑤位置）時的焊后變形量分布結(jié)果，最大變形量約為1.3mm，圖5為最后焊接混合加密區(qū)整體的變形結(jié)果，最大變形量約為1.2mm。結(jié)果表明：焊接順序?qū)附幼冃瘟看嬖谝欢ǖ挠绊?，相比先焊接混合加密區(qū)，如將焊接順序改為后焊此區(qū)域，整體的焊接變形會減少。這是由于混合加密區(qū)除鋼筋加密外，內(nèi)部還澆筑填充了水泥，使得焊接成形后，焊縫組織強度和力學(xué)性能更大，后續(xù)焊接對先前形成的變形量的影響更小。

圖4 焊接變形量分布結(jié)果

（2）6臺焊機同時焊接的變形量數(shù)值模擬 當現(xiàn)場采用6臺焊機進行焊接時，鋼板內(nèi)外兩側(cè)依然采用同時焊接的方式，但由于無法采用完全對稱焊接的方式進行焊接，因此將焊接順序分成三種情況進行考慮。其中圖6為先焊接混合加密區(qū)（⑤位置）時的焊后變形量分布結(jié)果，最大變形量分布在③、④位置對稱方向的板材上。這是由于在對①、⑤、⑦位置和②、⑥、⑧位置間隔進行焊接后，后焊的③、④位置為非對稱相鄰焊接，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的焊接變形明顯增加，最大變形接近4.5mm。因此后續(xù)在圖7、圖8中，兩塊單板采取對稱焊接方式，整體結(jié)構(gòu)的變形量明顯減小。當④、⑧兩個位置對稱焊接的次序安排在①、③、⑥和②、⑤、⑦中間時，整體結(jié)構(gòu)的變形量最小，變形分布也更加均勻，最大變形量可以控制在1mm左右。這也證明了當單板對稱施焊的位置不同時，整體結(jié)構(gòu)的焊接變形也會隨之改變。

（3）8臺焊機同時焊接的變形量數(shù)值模擬 當采用8臺焊機對SC結(jié)構(gòu)模塊進行對稱施焊后，焊接的變形量分布結(jié)果如圖9～圖11所示，其中圖9、圖10為先焊接混合加密區(qū)（⑤位置）時的焊后變形量分布結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用相鄰對稱焊接時，焊接變形量的計算結(jié)果最小。此外，通過圖11對焊接混合加密區(qū)整體的變形結(jié)果進行分析，可以發(fā)現(xiàn)混合加密區(qū)的變形量較小，這是由于混合加密區(qū)自身的剛度大、強度高，加之結(jié)構(gòu)內(nèi)外同時施焊，因此焊接順序?qū)φw結(jié)構(gòu)變形影響不大。8臺焊機對稱焊接時整體結(jié)構(gòu)的變形量可以控制在1mm左右，為焊接時兩環(huán)結(jié)構(gòu)的整體變形量最小，因此通過合理地增加焊機數(shù)量和焊接拼裝順序可以降低兩環(huán)結(jié)構(gòu)的整體焊接變形。

經(jīng)對8臺焊機下不同焊接順序焊后變形量分布及變形趨勢結(jié)果進行分析，發(fā)現(xiàn)當先對①、⑤、⑦位置和②、⑥、⑧位置間隔進行焊接，最后焊接③、④位置時的焊接變形量最大。這是由于③、④位置為非對稱相鄰焊接，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的焊接變形明顯變大，最大變形接近4.5mm，且最大變形量分布在③、④位置對稱方向的板材上。而另兩種對稱焊接方式下焊接變形量＜1.5mm。

圖5 焊接變形量分布結(jié)果

圖6 焊接變形量分布結(jié)果

圖7 焊接變形量分布結(jié)果

圖8 焊接變形量分布結(jié)果

圖9 焊接變形量分布結(jié)果

圖10 焊接變形量分布結(jié)果

圖11 焊接變形量分布結(jié)果

（4）拼裝方案數(shù)值模擬結(jié)果分析 通過對采用4臺、6臺、8臺焊機同時焊接的變形量進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在八等份且以對稱焊接為原則的前提下，同時焊接的焊機越多，焊接變形量越小。其中，8臺焊機均勻分布同時對稱焊接時得到的變形量最小，整體變形量在1mm左右。因此，在當焊機數(shù)量一定時，可給出以下的SC立焊拼裝方案。

現(xiàn)場SC結(jié)構(gòu)子模塊為內(nèi)外環(huán)雙層結(jié)構(gòu)，為防止焊接產(chǎn)生過大的焊接變形量，焊接時采取內(nèi)外側(cè)分段式對稱同時焊接的方法。縱焊縫坡口焊接平均分為4段，兩側(cè)共有2個焊工進行焊接，內(nèi)外側(cè)從上至下分別編號為01、02、03、04與05、06、07、08，內(nèi)外側(cè)先后分別對02、03、04、01號段和06、07、08、05號段立向上進行同時焊接，在此焊接順序下焊接變形量最小。

5 工程驗證

通過建立與某核電現(xiàn)場SC結(jié)構(gòu)模擬件1∶1的焊接工藝與變形量數(shù)學(xué)模型，當使用的立焊焊接順序為②→③→④→①時，通過數(shù)值模擬計算得出最大焊接變形量在距離焊縫最遠端，最大的焊接變形量僅為3.4mm左右，遠小于項目設(shè)計要求的6mm，且模型模擬值與實際變形量值偏差在15%內(nèi)，說明本文提供的計算方法切實可行。綜上所述，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用分析，通過合理的安排焊接順序，現(xiàn)場采用自動焊焊接所產(chǎn)生的熱輸入和熱變形可控制在合理范圍之內(nèi)，且數(shù)值模擬結(jié)果具有代表意義和指導(dǎo)作用。

6 結(jié)束語

通過對SC結(jié)構(gòu)模塊進行三維模型構(gòu)建，并對整體結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)細節(jié)進行分析，真實地還原實際部件的結(jié)構(gòu)信息，同時對兩環(huán)的SC結(jié)構(gòu)不同的拼裝方案下整體結(jié)構(gòu)的變形量進行數(shù)值模擬，結(jié)論如下：

1）在采用對稱焊的基礎(chǔ)上，不同數(shù)量焊機的焊接變形量均可控制在1.5mm之內(nèi)，而非對稱相鄰焊接時最大變形量接近4.5mm。說明相比設(shè)備數(shù)量，焊接方式對變形量的影響更大。因此，建議現(xiàn)場在施工時盡量采用對稱焊接方式，且投入較多的設(shè)備以減小焊接變形。

2）模型模擬值與實際變形量值偏差在15%內(nèi)，較為準確地反應(yīng)了結(jié)構(gòu)形式、焊接順序、設(shè)備數(shù)量對焊接變形量的影響，其模擬結(jié)果、規(guī)律，對核電現(xiàn)場實際焊接變形預(yù)測具有一定的指導(dǎo)意義。