CN110472283A - 一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，包括以下步骤：基于ANSYS进行有限元数值模拟分析，获得有限元模型变形分布、表面残余应力分布；进行变形测试获得焊接头的变形分布，进行残余应力测试获得焊接头表面残余应力分布；采用上述的表面残余应力分布和变形分布的实际测试结果对有限元数值模型进行校核，输出与实际测试相符的有限元模型；采用已校核的有限元模型估算整个接头的焊接残余应力状况。基于该方法，利于掌握环形焊接结构的体积残余应力水平与状态，研究结果对结构的焊接工艺改进具有指导意义，对结构安全可靠性分析、完整性评价提供输入。

Description

一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法

技术领域

本发明涉及焊接制造技术领域，具体涉及一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法。

背景技术

在核电多个主设备中，部分设备之间的连接结构、方式为环形焊接结构，焊接过程可能导致结构累积了较高水平焊接残余拉应力，该应力具有导致结构出现应力腐蚀开裂的隐患，严重影响结构的可靠性。因此，为了确保结构的安全可靠性，需研究其焊接残余应力。

现有的技术存在的缺陷：目前国内外研究残余应力的方法分为无损方法和物理方法，物理方法对结构试件有破坏性。为了可以保证结构的完整性，核电领域无损方法使用广泛。然而，目前无损测试方法不仅单次测试成本高，还仅能测得表面深处几个微米的残余应力，无法较准确地测得整个结构体积残余应力水平、分布。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：目前无损测试方法不仅单次测试成本高，还仅能测得表面深处几个微米的残余应力，无法较准确地测得整个结构体积残余应力水平、分布，本发明提供了解决上述问题的一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，包括以下步骤：

步骤1，基于ANSYS进行有限元数值模拟分析，获得有限元模型变形分布、表面残余应力分布；

步骤2，进行变形测试获得焊接头的变形分布，

步骤3，进行残余应力测试获得焊接头表面残余应力分布；

步骤4，采用上述的表面残余应力分布和变形分布的实际测试结果对有限元数值模型进行校核，输出与实际测试相符的有限元模型；

步骤5，采用已校核的有限元模型估算整个接头的焊接残余应力状况。

进一步地，所述残余应力测试采用X射线衍射进行检测。

进一步地，所述残余应力测试采用双线阵探测器侧倾法和摇摆法相结合的方法。

进一步地，所述残余应力测试时，沿接头表面环形设置等间距分布的N个测试区域，N为≥2的正整数；每个测试区域选定包括两侧母材区、两侧热影响区、外侧熔合线以及焊缝在内的若干测量点进行测试。

进一步地，所述残余应力测试，通过获得各测试区域内测量点处残余应力的有效数据的均值，得出各个测试区域的从外筒壁到内侧的环向残余应力散点分布、以及分各测试区域的从外筒壁到内侧的径向残余应力散点分布。

进一步地，所述变形测试采用测量尺直接测量各测试区域的焊接变形前后的表面和根部的厚度，完成表面变形量和根部变形量。

进一步地，所述有限元数值模拟分析操作依次包括以下步骤：选择模型；网格划分；参数选择；选择热源模型；边界条件设置；划定连续分析路径，获得焊后焊缝表面的残余应力分布，通过实测残余应力分布校核，输出与实际测试相符残余应力分布；通过有限元模型计算变形分布状况，通过实测变形分布校核，输出与实际测试相符变形分布；通过已验证的有限元模型来估算整个焊接残余应力状况，定义从接头根部到表面的多条路径，分析接头残余应力变化趋势，获得各路径上的环向、径向残余应力分布。

进一步地，所述选择模型时，基于轴对称结果的环形焊接接头，设定焊接载荷呈轴对称分布，选择半个剖面，在ANSYS软件平台中建立了位于第一象限的二维轴对称几何模型。

进一步地，所述网格划分采用自由划分方法，依次按照焊缝区、内测母材区、外侧母材区划分网格；由焊缝区至远离焊缝区的各侧母材区方向上，网格划分密度由密变稀疏；热单元类型选择4节点的PLANE55，结构单元为PLANE42，单元形状为四边形。

进一步地，在电弧焊的有限元数值模拟中，采用二维改进均匀体热源模型，将焊接线能量以热生成率形式加载到对应时刻的焊道中，以获得温度场和应力场结果。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明采用变形分布、变形测量与ANSYS有限元数值模拟相的研究方法，结合实测结果对有限元数值模拟结果校核的综合性方法，建立一套完整的估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法。基于该方法，利于掌握环形焊接结构的体积残余应力水平与状态，研究结果对结构的焊接工艺改进具有指导意义，对结构安全可靠性分析、完整性评价提供输入。

采用本专利研发的估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，利于掌握核电设备环形结构的残余应力的研究，解决了体积残余应力难以掌握的技术问题，填补了环形结构体积残余应力研究方法的空白。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法流程示意图；

图2为焊缝结构示意图；其中(a)为焊缝剖面结构示意图，(b)为径向截面尺寸结构示意图，(c)为轴向截面尺寸结构示意图；

图3为本发明的测试区域标注结构示意图；

图4为本发明的测试点设置结构示意图；

图5为本发明的四个区域环向残余应力分布图；

图6为本发明的四个区域径向残余应力分布图；

图7为本发明的有限元模型图；其中(a)为二维有限元模型，(b)为(a)相对应的三维模型；

图8为本发明的二维改进均匀热源模型结构示意图；

图9为本发明的边界条件的设置状况示意图；其中，(a)为复合换热系数，(b)为位移约束设置；

图10为本发明的最外层残余应力分析路径模型图；

图11为焊后路径R1上的环向残余应力分布图；

图12为焊后路径R1上的径向残余应力分布图；

图13为环向残余应力模拟与实测对比图；

图14为径向残余应力模拟与实测对比图；

图15为模拟焊接后变形分布图；

图16为三条从根部到表面分析路径模型图；

图17为R2、R3、R4三条路径环向残余应力分布图；

图18为R2、R3、R4三条路径径向残余应力分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，如图1所示。本实施例应用于核电设备321不锈钢/Inconel690异种金属焊接的环形焊接结构的体积残余应力估算，焊缝填充材料为镍基690类焊丝ERNiCrFe-7A，焊缝的结构如图2所示。

焊缝及其附近为一环形结构，外径达323mm，内径为215mm，坡口角度20°，深度达30mm。了防止角变形或自动焊时发生烧穿现象，采用第一层手工TIG打底焊，其余各层全自动TIG焊相结合的方式。具体焊接工艺参数如表1所示。焊接顺序为从上往下看沿顺时针方向，共计34层112道。

表1焊接工艺参数

估算环形焊接结构体积残余应力的具体操作步骤如下所示：

一、残余应力测试

1、测试区域与测试点设置

在接头表面每隔90°划分一个测试区域，标记为1～4四个测试区域，其中3号临近区域为起收弧位置，每个测试区域选定包括母材区、两侧热影响区、Inconel690侧熔合线以及焊缝在内的8个测量点进行测试。测试区域分布如图3所示，测试点分布如图4所示。

2、测试方法

测试方法采用双线阵探测器侧倾法和摇摆法相结合的方法。双线阵探测器侧倾法为主要测试方法，对正常尺寸晶粒测试，效率较高，准确度良好；摇摆法客观上增加了材料中参加衍射的晶粒数，是解决粗晶材料应力测试的近似处理方法，摆角Δψ或Δψ0不超过6°。在侧倾法测试效果不佳时，或无法观察到衍射峰，在侧倾法基础上增设摇摆法，对该位置重新测试。每次测试观察到明显衍射峰，每个点位测得三次有效数据为止。

(1)分别绘出1、2、3、4区域的从外筒壁到内侧的环向(XSTRESS3000中的0°方向测试结果)残余应力散点分布，并根据每组数据的平均值绘出趋势线，如图5所示，其中，方块型点表示均值，三角形点表示散点，连续线表示趋势线。

(2)分别绘出1、2、3、4区域的从外筒壁到内侧的径向(XSTRESS3000中的90°方向测试结果)残余应力散点分布，并且根据每组数据的平均值绘出趋势线，如图6所示，其中，方块型点表示均值，三角形点表示散点，连续线表示趋势线。

二、变形测试

焊接造成接头整体发生了径向收缩变形，由焊前的圆柱状变成焊后的圆台状。表面变形较大，根部变形较小。

通过游标卡尺测得1～4区域的焊接变形前后的表面和根部的厚度，两者做差获得焊接变形量，变形测量有关数据如表2所示。

表2焊接变形及变形量实测数据

经计算得，焊后表面变形较大，根部变形较小，整体上皆呈收缩变形，表面的平均变形量为-5.275mm(负号代表收缩)，根部的平均变形量为-0.250mm。

三、采用ANSYS15.0建立焊接有限元数值模型

1、选择模型：

考虑到接头结构是轴对称的，并且焊接载荷呈近似轴对称分布，为节约计算资源，提高计算效率，选择图2(a)的右半个剖面，在ANSYS软件平台中建立了位于第一象限的二维轴对称几何模型。

2、网格划分：

网格划分重点考虑单元类型、单元形状和网格密度三个关键点。二维有限元模型如图7(a)所示，与其相对应的三维模型如图7(b)所示。在本模型中热单元类型选择4节点的PLANE55，对应的结构单元为PLANE42；网格划分采用自由划分方法，单元形状为四边形。依次按照焊缝区、左侧奥氏体不锈钢区、右侧镍基合金区划分网格。为了准确反映焊缝处的温度和应力梯度，在焊缝处及紧邻焊缝的两端母材区网格划分细密一点，远离焊缝的母材区网格划得较稀疏，最终得到每道焊缝网格数量5～10个。焊缝区共计分布着34层112道焊缝，整个几何模型包含2853个网格单元和3025个节点。

3、计算结果：

1、参数选择：

焊接过程中，试件的温度变化范围很大，不同温度下材料的热物理性能参数也不同。在ANSYS软件中设置材料热物理性能参数时，通常录入一定温度范围内典型温度值的材料热物理性能参量值，其他温度的参量值由插值法和外推法近似获取。本实施例中涉及三种材料：奥氏体不锈钢321(0Cr18Ni10Ti)、Inconel690合金和ERNiCrFe-7A焊丝，其中ERNiCrFe-7A焊丝为690类镍基合金，其材料特性参数可以依照Inconel690选取。

(1)进行温度场分析需要确定的参数有对流换热系数、导热系数、比热容、密度以及初始温度；

(2)应力场分析需要确定的参数有弹性模量、泊松比、热膨胀系数和屈服极限等；

(3)假定材料塑性服从随动强化的米塞斯屈服准则，选择经典的双线性随动强化来设置材料的屈服应力和切变模量；

(4)在材料属性设置中，选择国际单位制，其他单位由基础物理量推导。

2、热源模型

在电弧焊的有限元数值模拟中，采用二维改进均匀体热源模型，将焊接线能量以热生成率形式加载到对应时刻的焊道中，就能得到较为准确的温度场和应力场结果。在温度场计算时，不仅实现热源在焊道间的移动情况，而且按时间的先后顺序完成预热、直接加热、周围材料传热、冷却4个阶段，与实际焊接基本一致。在整个加热过程，热源模型强度服从高斯函数变化，如图8所示。

3、边界条件的设置

焊接过程中，边界条件包括温度场计算的焊件表面边界的热交换、应力场计算中的工装、夹具等对焊件的位移约束。

综合321不锈钢与Inconel690合金随温度变化的对流换热系数和黑度系数，得出了随温度变化的复合换热系数，如图9(a)所示，将其施加在自由表面上。有限元模型的位移约束要达到与实际焊接相一致的约束情况，设置两方面的约束：在远离焊缝区的Inconel690合金侧节点添加x方向位移约束(在图9(b)左图三角示出)，在模型底部节点添加y方向位移约束(在图9(b)右图三角示出)。

4、残余应力分布

首先进行温度场计算，计算完毕后转换单元类型进入应力场计算。定义如图10所示的连续分析路径R1研究焊后焊缝表面的残余应力分布。该路径为模型的表面与XRD实测部位保持一致。

分析路径R1的应力分布状况如图11、图12所示。分析计算结果：数值模拟计算所得新型结构表面径向残余应力整体上为拉应力状态，曲线呈现出中间高两边低的抛物状；环向残余应力在焊缝区显示为拉应力状态，在焊缝中央附近出现最大值；镍基合金母材区呈现明显的压应力状态，奥氏体不锈钢母材区为拉应力状态。

从ANSYS的后处理模块中读取R1路径环向和径向残余应力值，将数值结果与实测残余应力区间估计上下限结果在同一坐标轴上表示，如图13、图14所示。横坐标表示焊接接头表面上任一点距离镍基合金母材最外侧的垂直距离，纵坐标表示残余应力值。

观察图13、图14可知，有限元模型计算结果与实测结果无论是从径向残余应力还是环向残余应力上分析，表面的残余应力分布与趋势相同，数值基本介于残余应力区间估计上下区间中，数值偏差相对较小。

5、变形分布

图15呈现了模型计算变形分布状况。观察可知，焊缝两侧母材向焊缝靠拢，即收缩变形，与实际焊接结果状态一致。

模型焊接变形量等于焊接接头最右端和最左端的变形差。有限元模型焊接接头焊后表面变形量约为-5.964mm(负号代表收缩)，实际焊后表面平均变形-5.275mm；有限元模型焊后根部变形量为约-0.633mm，实际焊接根部变形-0.250mm。有限元模型焊缝表面、根部变形量与实际焊接变形量具有相同数量级，相对误差在允许范围内，因此该模型可以较好地体现焊接变形状况。

综上所述，通过生死单元技术实现了焊接模拟的全过程，输入条件、焊接工艺、焊接顺序都与实际焊接相同。模拟焊接完毕后最终表面的应力分布结果与XRD测试结果一致，模拟焊接的变形与实际情况相当，多方面验证了该有限元模型的合理性，校核验证完毕。

四、估算整个焊接残余应力状况

通过已验证的有限元模型来估算整个焊接残余应力状况。整个焊接接头的焊后残余拉应力峰值在最外层焊道附近，环向压应力峰值在镍基合金侧母材区，径向压应力峰值在接头根部附近。为了较准确的分析焊缝从根部到表面整体的残余应力分布状况，定义如图16所示的3条从根部到表面的路径R2、R3、R4分析接头残余应力变化趋势。

分别将R2、R3、R4三条路径环向、径向残余应力分布在一个图中表示出来，如图17和图18所示。

综上显示，三条路径的环向、径向残余应力分布趋势基本一致。观察可知整个焊缝环向残余应力从根部到表面基本呈现压应力减小转变为拉应力趋势，最后几层呈拉应力状态；径向残余应力从焊接接头根部到表面是由压应力转变为拉应力，拉应力的峰值集中在焊缝最表面中心附近。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，基于ANSYS进行有限元数值模拟分析，获得有限元模型变形分布、表面残余应力分布；

步骤2，进行变形测试获得焊接头的变形分布，

步骤3，进行残余应力测试获得焊接头表面残余应力分布；

步骤4，采用上述的表面残余应力分布和变形分布的实际测试结果对有限元数值模型进行校核，输出与实际测试相符的有限元模型；

步骤5，采用已校核的有限元模型估算整个接头的焊接残余应力状况。

2.根据权利要求1所述的一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，其特征在于，所述残余应力测试采用X射线衍射进行检测。

3.根据权利要求1或2任一项所述的一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，其特征在于，所述残余应力测试采用双线阵探测器侧倾法和摇摆法相结合的方法。

4.根据权利要求1所述的一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，其特征在于，所述残余应力测试时，沿接头表面环形设置等间距分布的N个测试区域，N为≥2的正整数；每个测试区域选定包括两侧母材区、两侧热影响区、外侧熔合线以及焊缝在内的若干测量点进行测试。

5.根据权利要求4所述的一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，其特征在于，所述残余应力测试，通过获得各测试区域内测量点处残余应力的有效数据的均值，得出各个测试区域的从外筒壁到内侧的环向残余应力散点分布、以及分各测试区域的从外筒壁到内侧的径向残余应力散点分布。

6.根据权利要求1所述的一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，其特征在于，所述变形测试采用测量尺直接测量各测试区域的焊接变形前后的表面和根部的厚度，完成表面变形量和根部变形量。

7.根据权利要求4所述的一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，其特征在于，所述有限元数值模拟分析操作依次包括以下步骤：选择模型；网格划分；参数选择；选择热源模型；边界条件设置；划定连续分析路径，获得焊后焊缝表面的残余应力分布，通过实测残余应力分布校核，输出与实际测试相符残余应力分布；通过有限元模型计算变形分布状况，通过实测变形分布校核，输出与实际测试相符变形分布；通过已验证的有限元模型来估算整个焊接残余应力状况，定义从接头根部到表面的多条路径，分析接头残余应力变化趋势，获得各路径上的环向、径向残余应力分布。

8.根据权利要求7所述的一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，其特征在于，所述选择模型时，基于轴对称结果的环形焊接接头，设定焊接载荷呈轴对称分布，选择半个剖面，在ANSYS软件平台中建立了位于第一象限的二维轴对称几何模型。

9.根据权利要求7所述的一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，其特征在于，所述网格划分采用自由划分方法，依次按照焊缝区、内测母材区、外侧母材区划分网格；由焊缝区至远离焊缝区的各侧母材区方向上，网格划分密度由密变稀疏；热单元类型选择4节点的PLANE55，结构单元为PLANE42，单元形状为四边形。

10.根据权利要求7所述的一种用于估算环形焊接结构体积残余应力的无损方法，其特征在于，在电弧焊的有限元数值模拟中，采用二维改进均匀体热源模型，将焊接线能量以热生成率形式加载到对应时刻的焊道中，以获得温度场和应力场结果。