摘要：ZG1Cr10Mo1NiWVNbN钢板和20G钢管焊接容易发生变形，焊接后的角度尺寸与设计值发生偏差。找到管板焊接变形机理，可以优化焊接工艺，有效的减小焊接变形对产品尺寸的影响，并为设计部门优化结构的提供参考。本文通过焊接数值模拟和实验，对目标钢板和钢管焊接采用两种不同的焊接顺序进行了模拟和实测。结果显示，焊接变形主要由两部分构成：一是焊缝横向收缩变形；二是焊缝纵向收缩变形。两种焊接顺序下焊接变形稍有差异。
关键词：ZG1Cr10Mo1NiWVNbN钢板；20G钢管；焊接顺序；焊接变形；数值模拟实验
汽轮机部分位置通常采用ZG1Cr10Mo1NiWVNbN钢板和20G钢管进行管板焊接[1]。对这种焊接方式容易产生的直径变形、半径变形、节圆收缩率和倾斜变形进行了全面分析，得到了一种减小了装焊过程中产生的焊接变形的方法[2]。以上研究都是针对P025项目中对焊接变形的影响的分析方法，利用焊接数值模拟，可以精确布置每个焊接口的位置、所有焊道采用完全相同的参数，排除了除焊接顺序以外所有的干扰因素。同时，在数值模型上可以方便准确的读取模拟结果[3]。
1 实验方法
网格模型文件如图1所示, 由板子和圆管组成。具体尺寸如图1，其中D网格单元139,164个，单元节点160,943个。
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图1 网络模型图及具体尺寸
由此设立了两个计算方案，方案1的焊接顺序与对接顺时针方向大致相同，以下简称顺向。方案2顺序与对接逆时针相同，以下简称逆向。焊接时内外侧同时按照箭头方向对称施焊，焊接参数见表1，线能量为2668J/mm左右。拘束状态为自由状态。
表1 模拟参数
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2 结果及分析
2.1 时间节点有限元分析
两种方案的温度场组织场计算结果类似，选取方案1/2的温度场结果作为阐述即可。
图2是t= 113s，第二道焊缝焊接过程中的温度场分布云图。此时热输入为线能量2820J/mm,稍大于实际焊接线能量2668 J/mm,熔宽7.98mm，熔深5.27mm，熔池长度12.95mm，
最高温度约700℃，方案2则为900℃的峰值。
2.2周向应力场结果及分析
无论是顺向焊接还是逆向焊接，由于结构和工艺的相似，其变形机理非常类似，选择顺向焊接进行阐述。由于是在自由状态下进行焊接，两端的叶片拘束状态与实际不吻合。从图3的周向平均应力云图可以看出，在钢管和板接触面，有焊缝的一面，都处于拉应力状态，另一面则是压应力。这是由于焊缝横向收缩引起的。
内外两侧的焊缝坡口和焊接工艺参数完全一样，但是焊缝厚度不一样，较厚的外侧出现的压应力较小；相反，较薄的内侧出现的压应力较大。压应力越大，焊缝受影响直径减小越大。这种采用完全相同的焊接工艺，使得焊缝内壁减小的量大于外壁直径较小的量，拉长了内外壁之间的距离，使内外侧焊缝被拉长，断裂可能性高。
2.3 模拟结果与实测值对比分析
由以上分析可知，焊接的变形主要有两部分组成。一部分是焊缝横向收缩导致内壁焊缝直径减小。另一部分是焊缝纵向收缩使焊缝节点距离增大，中部受压缩距离减小。
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图2 t=113s时方案1和方案2的温度场分布云图
3 结论
（1）焊缝层的增大，主要原因是内外焊缝厚度不一致，较薄的焊缝径向收缩比较厚的外壁大而使焊接产生拉伸变形。同时也有附近焊缝的收缩产生变形的原因。逆向焊接变形小于顺向焊接。
（2）减小内外焊缝厚度差异，或者对内外冠采用不同的焊接参数，或者调整焊接方向进行分段设计，可以减小焊缝的应力变化，减少变形。
参考文献
[1]焊接残余应力数值模拟的研究与发展[J].周建新,李栋才,徐宏伟.金属成形工艺.2003(06)
[2]大型多焊缝结构焊接残余应力计算方法研究[J].荆慧强,贾延奎,刘国英,刘奇,何冠杰.焊接技术.2017(02)
[3]浅析焊接残余应力的产生及其消除方法[J].高洪一.农机使用与维修.2015(02)
论文作者:李海涛,顾康,许德星
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/12
标签：应力论文; 方案论文; 顺序论文; 数值论文; 钢管论文; 钢板论文; 云图论文; 《基层建设》2018年第29期论文;