01 案例研究背景

工業(yè)上眾多的制造和維修業(yè)務(wù)都涉及到焊接，所以在預(yù)測(cè)焊接操作所產(chǎn)生的冶金學(xué)和力學(xué)影響方面有極大的研究?jī)r(jià)值。

雙金屬焊接（LBM）是指將有涂層的鐵素體鋼大型構(gòu)件和EPR管道系統(tǒng)（CPP）中奧氏體不銹鋼管道組合。由于沒(méi)有同時(shí)適用這兩種材料的焊料，需要一個(gè)中間層來(lái)增強(qiáng)可焊性，增加焊接強(qiáng)度，減少開(kāi)裂的概率。

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

02 研究主旨

MSNS計(jì)劃是EDF-CEA-AREVA三方的合作項(xiàng)目。項(xiàng)目通過(guò)實(shí)驗(yàn)、建模、數(shù)值模擬三個(gè)方面來(lái)研究焊接，旨在研發(fā)一種更簡(jiǎn)單，可靠，且不保守的方法，改善現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和模型，使對(duì)殘余應(yīng)力的計(jì)算更接近真實(shí)情況，提高計(jì)算軟件(Code_Aster、SYSWELD、CAST3M）的效率，建立一個(gè)良好的案例作為參照。

為此，首先應(yīng)該更好地了解冷和熱條件下的斷裂機(jī)制，然后建立一個(gè)能防止出現(xiàn)焊接故障的方法和模型，優(yōu)化創(chuàng)新的數(shù)值計(jì)算工具。

本次模擬將采用歐洲ADIMEW項(xiàng)目（評(píng)估不同金屬管道焊接老化后的完整性項(xiàng)目）中的雙金屬焊接的基準(zhǔn)。ADIMEW的模型參考法國(guó)核電站中比較有代表性的V形倒角焊縫，有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

模擬得到的殘余應(yīng)力曲線將會(huì)與合作方的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。

03 建模

模擬焊接過(guò)程分為三個(gè)步驟：

• 計(jì)算溫度場(chǎng)

• 在原有溫度場(chǎng)基礎(chǔ)上考慮固液相變

• 計(jì)算機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)

幾何模型采用2D旋轉(zhuǎn)對(duì)稱模型（圖3），這種簡(jiǎn)化方法常用于管件端部焊接。對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算和機(jī)械場(chǎng)計(jì)算分別采用了線性網(wǎng)格和二次型網(wǎng)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(zhǔn)，所以沒(méi)有對(duì)中間層加工，熱應(yīng)力消除和機(jī)械加工過(guò)程進(jìn)行建模。

04 熱分析

模型采用一個(gè)等效的三角形熱源來(lái)對(duì)焊頭進(jìn)行模擬，這個(gè)等效熱源由四個(gè)參數(shù)控制，使用ADAO（Salome-Meca 的模塊）進(jìn)行參數(shù)研究，對(duì)AREVA實(shí)驗(yàn)的熱電偶溫度進(jìn)行擬合。為對(duì)液固轉(zhuǎn)變進(jìn)行建模，當(dāng)材料度超過(guò)1400℃時(shí)將被重置為1400℃。

05 機(jī)械分析

機(jī)械分析采用二次型網(wǎng)格，工件采用有限的自由結(jié)構(gòu)，且存在輕微的擾動(dòng)。

假設(shè)材料的本構(gòu)模型為非線性各向同性彈塑性，焊接過(guò)程的模擬通過(guò)對(duì)材料屬性的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

• 已焊道次和正在進(jìn)行道次的屬性設(shè)置為實(shí)際材料的屬性

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

考慮硬化恢復(fù)效應(yīng)（關(guān)鍵字REST_ECRO），在加熱時(shí)，對(duì)于每個(gè)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(fù)效應(yīng)逐漸減弱，并從1380°C開(kāi)始完全消失。

06 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算效率結(jié)果

07 結(jié)論與展望

本次案例對(duì)有多道次焊接的雙管道連接工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，且對(duì)三方計(jì)算得到的殘余應(yīng)力進(jìn)行了質(zhì)量比較；殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)良好。

對(duì)于該模擬還可以繼續(xù)改進(jìn)，比如引入大變形假設(shè)，固態(tài)硬化修復(fù)，相變，機(jī)械加工，對(duì)材料進(jìn)行更真實(shí)的建模。應(yīng)用于其他焊接系列的通用研究（例如：均質(zhì)接頭），通過(guò)重新焊接進(jìn)行維修的情況。本次模擬展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性，該模擬將可以用于維修焊接，以及其他工程應(yīng)用。

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