01 案例研究背景

工業上眾多的制造和維修業務都涉及到焊接，所以在預測焊接操作所產生的冶金學和力學影響方面有極大的研究價值。

圖1

雙金屬焊接（LBM）是指將有涂層的鐵素體鋼大型構件和EPR管道系統（CPP）中奧氏體不銹鋼管道組合。由于沒有同時適用這兩種材料的焊料，需要一個中間層來增強可焊性，增加焊接強度，減少開裂的概率。

工藝流程包括：倒角的機械加工，中間層焊接，然后進行多道次的連續焊接操作，熱應力消除處理（TTD），最后再次進行機械加工。

圖2

02 研究主旨

MSNS計劃是EDF-CEA-AREVA三方的合作項目。項目通過實驗、建模、數值模擬三個方面來研究焊接，旨在研發一種更簡單，可靠，且不保守的方法，改善現有的標準和模型，使對殘余應力的計算更接近真實情況，提高計算軟件(Code_Aster、SYSWELD、CAST3M）的效率，建立一個良好的案例作為參照。

為此，首先應該更好地了解冷和熱條件下的斷裂機制，然后建立一個能防止出現焊接故障的方法和模型，優化創新的數值計算工具。

本次模擬將采用歐洲ADIMEW項目（評估不同金屬管道焊接老化后的完整性項目）中的雙金屬焊接的基準。ADIMEW的模型參考法國核電站中比較有代表性的V形倒角焊縫，有大量實驗數據支持。

模擬得到的殘余應力曲線將會與合作方的實驗結果相比較。

03 建模

圖3 ADIMEW模型

模擬焊接過程分為三個步驟：

• 計算溫度場

• 在原有溫度場基礎上考慮固液相變

• 計算機械應力場

幾何模型采用2D旋轉對稱模型（圖3），這種簡化方法常用于管件端部焊接。對溫度場計算和機械場計算分別采用了線性網格和二次型網格。中間層，焊料，奧氏體鋼均采用316L材料，鐵素體鋼采用16MND5材料。

這是第一次基準，所以沒有對中間層加工，熱應力消除和機械加工過程進行建模。

圖4

04 熱分析

模型采用一個等效的三角形熱源來對焊頭進行模擬，這個等效熱源由四個參數控制，使用ADAO（Salome-Meca 的模塊）進行參數研究，對AREVA實驗的熱電偶溫度進行擬合。為對液固轉變進行建模，當材料度超過1400℃時將被重置為1400℃。

圖5

圖6

05 機械分析

機械分析采用二次型網格，工件采用有限的自由結構，且存在輕微的擾動。

假設材料的本構模型為非線性各向同性彈塑性，焊接過程的模擬通過對材料屬性的控制來實現。

• 已焊道次和正在進行道次的屬性設置為實際材料的屬性

• 未焊的焊道設置為一種軟性材料（彈性；E=400MPa，σy=2000MPa）

考慮硬化恢復效應（關鍵字REST_ECRO），在加熱時，對于每個單元，在1380°C的溫度下，累積的塑性變形逐漸減小，并在1400°C的溫度下消除。冷卻后，硬化恢復效應逐漸減弱，并從1380°C開始完全消失。

圖7

06 計算結果

圖8

計算效率結果

07 結論與展望

本次案例對有多道次焊接的雙管道連接工藝進行數值模擬，模擬和實驗結果符合良好，且對三方計算得到的殘余應力進行了質量比較；殘余應力變化趨勢良好。

對于該模擬還可以繼續改進，比如引入大變形假設，固態硬化修復，相變，機械加工，對材料進行更真實的建模。應用于其他焊接系列的通用研究（例如：均質接頭），通過重新焊接進行維修的情況。本次模擬展現了良好的穩定性，該模擬將可以用于維修焊接，以及其他工程應用。

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