焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响策略

李树辉

哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司 河北秦皇岛 066206

随着我国能源需求的不断增加，核电站的数量在不断的增加，核压力容器的制造更加复杂，更加大型化，依靠焊接工艺进行核压力容器组制造，成为当前需要深入研究的课题。本文结合焊接工艺对核压力容器焊接残余应力的影响进行分析，期望能够在减轻残余压力影响的方面具有参考作用。

1 焊接工艺

随着科学技术和现代工业的发展，焊接工艺涉及到各个行各业，进行大型设备的组装和制造的时候，离不开焊接工艺的应用。

焊接工艺是一个复杂的过程，涉及到传热、冶金、力学、电弧焊等工艺。在核压力容器的制造中焊接是必不可少的，对于厚壁核压力容器进行焊接，容易产生残余应力，残余应力容易导致焊接过程中缺陷产生，最终影响容器的安全使用。因此在焊接工艺的实施中，既要注意安全性，也要注意可靠性，以此来保证核压力容器的质量安全可靠。

厚壁核压力容器对接焊目前普遍采用SAW方法，为了探求坡口形式对焊接残余应力的影响，坡口形式选择I型和双面U型。一般选用的焊接参数如下：电流580A,电压32V,速度400mm/min，焊接温度150-250℃。

2 焊接残余应力分析的现状

在焊接热循环过程中随着加热热源的移动，焊件上温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随之变化，同时还存在熔化和相变时的潜热现象，焊接温度场属于典型的非线性瞬态热传导过程。

采用有限单元法作为焊接残余应力的研究，是历年来国内外研究领域进行的重要工作。这种研究针对焊接残余应力应变过程进行分析。早在70年代，日本的学者就采用有限元模拟的技术，对于焊接残余应力进行了深入的研究，并得到了大量的研究结果。复杂的动态焊接应力可以通过建立有限元模型进行反应，这一分析过程非常简化，而引入到我国进行焊接应力力学方面的研究，虽然起步的较晚，但是获得的成就也是巨大的[1]。

80年代学者在进行热弹塑性理论的研究时，编制出了相应的计算机程序，更加快速的进行了有限元计算公式的得出。90年代学者进行了更深入的研究，对于焊接结构的稳定性，使用不同的方法，得到了焊接残余应力的相应数值，这些数值在实际工作运用中得到了很好的应用。现阶段对于焊接残余应力的研究已经取得了长足的发展。利用数值分析，对于材料的热物理性能导热系数密度等等进行计算，对于残余应力中存在的一些问题，以及控制中一些难点都能进行解决。

将焊接结构的残余应力这一复杂的现象进行了数据化的分析。热源分布参数的数据，往往由于缺少资料，在传统的工艺施工的时候，不能为实际施工提供较多的依据。因此，我国在进行焊接残余应力的影响因素研究过程中，已经对多层焊缝焊口焊缝的热源分布形式加大了研究力度，目前存在的问题还表现在这些获得的资料在数值上精准度不高，对焊接热源的热效应选取还存在一定的问题，例如进行焊接熔池的处理的时候，不能过多考虑焊接熔池中液态金属的对流传热特点[2]。

因此在核应力容器焊接残余应力的研究上还需要更进一步的进行，因此任重道远。因此今后需要对于焊接现象的本质，焊接数值模拟技术焊接残余应力影响等继续加大理论支持。当前对于焊接应力和变形的分析，囊括了温度场模拟焊接应力、屈服准则、流动准则，热弹塑性基本理论强化准则等等。对于应力的计算，采用理论和实践相结合的方法，运用了ANSYS软件模拟了焊接过程。

3 焊接工艺对厚壁核容器焊接残余应力影响

焊接过程是一个非线性瞬态热作用过程，焊接温度场的分布对焊接变形和残余应力的分布规律具有极大影响，对温度场的准确计算可以说是焊接冶金分析、焊接应力及变形分析和对焊接过程进行控制的前提。

由于在焊接残余应力的温度场的实验中，可以看到焊接工艺参数对残余应力的影响是非常重要的。因此在进行焊接的过程中，对于产生的不良影响要加以注意。将温度场设置在1300度、1400度等不同数值的时候，可以看到焊接后的残余应力发生了等效变化，不同的状态决定了不同的焊接工艺参数。当应力值达到360MPA和370MPA的时候，应力值是最大的。采用不同的焊接工艺参数，会对焊后残余应力大小有不同的影响。坡口形式对于焊接残余应力的影响在通过有限元计算后的结果表明，坡口形式造成的影响会对厚壁核压力容器焊接产生合理的坡口尺寸具有实际操作的指导作用。

当采用双U型坡口相比于I型坡口有利于降低等效残余应力。无论何种坡口形式，焊接完成后焊接等效残余应力峰值均出现在焊缝中心附近，随着远离焊缝应力值逐渐降低。

采用焊后热处理工艺对焊接残余应力进行影响。为了保证焊接结构安全可靠，可采用热处理消除残余应力。例如焊接坡口在30毫米宽的时候，热处理之前应力值为400mp，经过热处理之后，焊缝中心的应力相对减小。经过一个小时到四个小时的冷却之后，分别达到了320mpA和300MPA，表明等效应力相对较低，在经过五个小时之后，数值更低，达到了200mp。由此可见，为了充分降低焊接残余应力，可以采用热处理的方法，重新分布焊接残余应力[4]。

4 结语

对能源的需求是随着社会经济的发展不断扩大的。核能的开发潜力和前景是非常广阔和巨大的。通过核能的开发和利用，可以为社会提供源源不断的能源，但是能源的安全问题也是值得注意的，应该在焊接工艺等施工工艺中采取有效的控制手段，并且对工艺应用加以不断的完善。例如在焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响上进行不断的研究，才能真正改善核压力容器的质量，为我国能源工业的发展提供安全可靠的技术支持。