多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析

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1、多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析摘要近年来，压水式反应堆和沸水堆带有贯穿件的焊接结构中发现了应力腐蚀裂纹，对核电运行造成了潜在的安全隐患，这已经引起了研究人员的重视。材料性能、腐蚀介质和应力状态是造成应力腐蚀裂纹的三个主要因素，尤其是在焊缝区附近产生的焊接残余应力较大，是导致焊接件中出现应力腐蚀裂纹的重要因素。采用数值模拟方法，对异种金属管板焊接结构进行残余应力的预测与评价，对于核反应堆中贯穿件的焊接具有重要意义。为了优化大型多焊缝管板结构的焊接工艺，本文利用焊接热传导、焊接热弹塑性有限元分析理论和ANSYS大型有限元分析软件，以同种金属管板结构焊接温度场和残余应力场的数值模拟为基础，提

2、出了适用于有T型材的多焊缝管板结构焊接残余应力场数值模拟的有限元模型和热源加载方式、多层焊道的填充等计算方法，并分析了坡口角度、焊接顺序和焊缝相交处堆焊对焊接残余应力的影响。利用此有限元模型和计算方法对有T型材的低合金高强钢S690和SS316L不锈钢异种金属多焊缝管板结构的焊接温度场和残余应力场进行了数值模拟，并采用盲孔法对实际焊接件进行了表面残余应力测试，试验验证了有限元模型和计算方法在有T型材的多焊缝管板结构焊接残余应力场数值模拟与预测方面的适用性。研究结果表明，对于低合金高强钢管板焊接结构，坡口角度由40°增加到50°，在一定程度上改善了Von-Mises等效应力、切向和轴向残余应力

3、分布；对径向残余应力分布的恶化作用并不明显。焊接顺序对等效应力以及径向、切向和轴向残余应力峰值有较大影响，两面交替焊优于其他焊接顺序。修正的两面交替焊与两面交替焊的等效应力以及径向、切向和轴向残余应力峰值基本相同。在实际的焊接操作中，大角度坡口可以保证焊透，减少焊接缺陷，而修正的两面交替焊可以减少焊件的翻转次数，提高工作效率。因此，从简化操作工艺，提高焊缝质量的角度出发，50°坡口角度和修正的两面交替焊是比较好的焊接工艺。模拟结果显示，对于有T型材的多焊缝管板焊接结构，焊缝相交处的堆焊层明显降哈尔滨工程大学博士学位论文低了环焊缝焊趾处的等效应力和轴向残余应力峰值；对径向和切向残余应力峰值影响

4、较小。堆焊层还明显降低了焊缝相交处的等效应力和轴向残余应力峰值，并在一定程度上降低了切向残余应力峰值；只有径向残余应力峰值有所增加。因此，有T型材的多焊缝管板焊接结构，在所有焊缝完成后，在贯穿件与壳板环焊缝和T型材与壳板焊缝相交处采用奥氏体焊材堆焊，可以作为焊后释放残余应力的有效方法。为了验证有T型材的多焊缝管板焊接结构的有限元模型和计算方法，本文对低合金高强钢S690和SS316L不锈钢异种金属多焊缝管板结构进行了焊接残余应力的分析和测试，计算结果与实际测得的应力值吻合较好。焊接结构件的应力测试值基本反映了有限元模型计算得出的残余应力变化趋势，试验验证了数值模拟中采用的有限元模型和计算方法

5、预测焊接结构残余应力分布的适用性。结合数值模拟与试验验证结果，获得了在坡口角度50°和修正的两面交替焊的焊接工艺条件下，低合金高强钢S690和SS316L不锈钢异种金属多焊缝管板结构焊接残余应力场的分布规律。环焊缝在壳板上的热影响区和焊趾处出现压应力区，贯穿件上的残余拉应力较小，测得的最大等效应力在环焊缝熔合区，距离环焊缝与壳板熔合线2mm处，为269MPa。关键词：有限元；ANSYS；残余应力；管板结构；焊接多焊缝管板结构焊接工艺与残余应力分析第1章绪论.....................................................................

6、........................................................11.1选题背景及意义..............................................................................................................11.2焊接残余应力场的研究进展..........................................................................................11.2.1焊接残余应力场的试验

7、研究...................................................................................11.2.2焊接残余应力场的数值模拟...................................................................................21.3核反应堆中异种金属管板焊接结构的