三代核电钢衬里加腋区焊接节点裂纹分析

材料、接头设计、受力情况三个方面进行分析：①钢板是否存在不满足标准规范要求的性能指标；②接头设计是否合理；③通过有限元软件计算分析目前焊接工艺和刚性固定工装下，焊接过程中产生的焊接应力大小及应力分布情况。

2.1 原材料

2.1.1 化学成分分析

钢板成品分析结果显示，化学成分满足设计文件要求。

2.1.2 金相组织分析

对焊接试样裂纹处进行金相检验组织及缺陷成因分析：试样宏观形貌，如图2所示，该缺陷位于图2中A部位箭头所示的侧表面，有一条黑线状缺陷。在图2中A处的黑线状缺陷部位及B处部位取纵、横及表面截面金相试样，磨制抛光后在显微镜下进行观察，A处的黑线状缺陷部位为裂纹，裂纹附近未观察到聚集分布的夹杂物及氧化产物；试样经3%硝酸酒精试剂浸蚀后观察，A部位截面裂纹区域的表层有受热组织，如图3所示，可观察到裂纹沿偏析带扩展，如图4所示。A部位的组织为铁素体+珠光体，呈带状分布；B部位的组织为铁素体+珠光体，呈带状分布，少量偏析带上存在贝氏体组织，带状级别为3级。

钢板线性缺陷出现在厚度截面上，属于中心偏析缺陷，是连铸钢的固有缺陷；钢板在切割或焊接过程中如受热过大或受热不均匀，容易在中心偏析处出现线性缺陷，并沿着带状偏析扩展和延伸。带状组织的形成主要由热加工温度不当引起的，带状组织具有方向性且容易造成在变形过程中的应力集中，出现裂纹。随着外力的加大，在两个条带之间产生不均匀变形，同时在条带间应力集中处萌生裂纹，有利于裂纹的形成及扩展[1]，铁素体-珠光体带状级别越高，则对应的铁素体、珠光体变形程度越大，产生裂纹的可能性越大。

2.2 焊接接头设计

接头形式如图1所示，该接头焊接时，焊缝收缩引起应力集中，板①在板厚度方向易受拉，产生层状撕裂。层状撕裂一般在板厚方向有较大拉应力时发生，在焊接节点中，焊缝冷却时会产生收缩变形，板薄或没有对变形的约束，钢板会发生变形从而释放应力，但本加强节点中的板厚30 mm，并有固定工装约束，钢板不能自由变形，在垂直于钢板表面方向上产生很大的应力，拘束很强时，由于焊缝收缩引起的局部应力可数倍于材料的屈服极限，致使钢板产生层状撕裂。

2.3 焊接工艺及有限元分析

2.3.1 产生缺陷的工艺与工装

节点采用手工电弧焊工艺，根据焊接工艺卡的焊层分布，焊接时先内侧焊接1～3层，外侧焊道清根后连续焊接第4～7共4层，再次焊接内侧8～10层。由于节点的接头形式为角接接头且加强板②半径R=22.8 m，故采用刚性固定，通过刚性固定在钢平台上。

2.3.2 有限元分析

采用simufact.welding软件进行焊接有限元分析，因分析缺陷主要考虑横向变形和横向应力对板厚度方向上的作用，为减少软件的计算量，考虑500 mm长范围内的焊接接头应力分布与焊缝组织形态。为提高计算效率并保证计算精度，在温度梯度较大的焊缝及热影响区网格划分较密，而远离焊缝和热影响区的区域网格较粗，在软件中采用六面体和四面体混合网格进行仿真模拟。

①缺陷的应力验证与分析。有限元建模依托实体如图1所示，采用相应的刚性固定方式、焊接工艺参数和装配顺序与焊接顺序。

材料特性：加腋区板材为P265GH，其热物理参数和力学性能参数随着温度变化而变化。

热源模型及工艺参数：根据相关文献资料[2]，对于手工电弧焊，采用双椭球热源模型计算精度较高，因此本文选用双椭球移动热源，为便于对比分析模拟结果，热输入量保持不变，设定线能量为15 KJ/cm。

边界条件设定：温度场分析时，设室温为20 ℃，焊接过程中构件与周围环境通过对流与辐射进行热交换，将辐射换热的影响耦合到对流换热中。角接接头的水平面设定为“bearing”支撑，起工装平台的作用约束，约束焊接时的竖动自由度；右端采用夹具约束所有方向的自由度，约束结束时间为焊后10 min；左上侧夹具约束力为1 000 N，作用结束时间为焊后10 min，受力方向垂直于工装平台，如图5所示。

应力场：焊接残余应力分布场和焊后变形对工程焊接施工具有重要的指导意义，其中焊接过程应力对缺陷的考查是重点。

焊接残余应力主要集中在盖面焊缝表面，其中角接接头发生裂纹的板①厚度方向残余应力超过材料的屈服强度达到 355 MPa；焊接过程应力变化对板①厚度中心的应力影响比较显著，应力在300～370 MPa之间变化，如图6所示。

②T型接头K型坡口过程应力分布。板①的厚度方向残余应力为150 MPa；焊接过程应力变化对板①厚度中心的应力影响相对较小，应力在50～200 MPa之间变化，如图7所示。

3 结论及改进措施

3.1 裂纹产生的原因

通过对上述分析，不难发现，裂纹产生的原因主要有以下几点：

①钢板存在中心偏析缺陷，切割或焊接过程中受热过大或受热不均匀，在中心偏析处出现线性缺陷，缺陷沿着带状偏析扩展和延伸。

②刚性工装约束的情况下，钢板不能自由变形，焊接过程应力变化对板①厚度中心的应力影响相对较大，超过局部母材层间结合力致使钢板产生层状撕裂。采用角接接头，选用手工电弧焊工艺焊接时产生的过程应力最大，进一步加剧了裂纹的产生。

3.2 改进措施

针对上述裂纹产生原因，提出以下改进措施：

①存在裂纹的构件作报废处理；重新对钢板进行100%UT检测，增加检测面积和频率，同时考虑在检测时增加斜探头；钢板下料完成后，增加对板①厚度方向的100%PT和100%MT检测；

②从源头预防中心偏析的产生，钢厂在生产过程中通过严格控制有害元素含量；加强连铸恒温恒速控制钢水过热度等措施进行控制；

③通过设计变更，将角接接头变更为T型接头，板①端头伸出接头焊缝区长度超过板厚即可；④采用刚性固定工装时，可适当缩短夹具的间隙，同时配合合理的焊接顺序来达到控制变形的目的。

参考文献

[1] 刘富军，刘年富，廖卫团.带状组织对低碳微合金钢性能的影响及控制 [J].南方金属，2011，（2）.

[2] 陈家权，肖顺湖，杨新彦，等.焊接过程数值模拟热源模型的研究进展[J].装备制造技术，2005，（3）.

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