摘 要：随着社会主义市场经济的发展，我国能源需求的缺口越来越大，为了缓解能源供求之间的矛盾，国家加大了对核能的开发和利用。作为一种相对清洁、安全、廉价的新型能源，核能的战略位置日益彰显出来。但是核反应堆具有强烈的辐射性，这就对反应堆压力容器提出了较高的要求。在制造核压力容器时应该采用优质材料，并对制造质量和使用期间质量进行严格把关。但是随着能源需求的不断增加，核电站数量和反应堆单堆的容量不断提高，大型化、复杂化的核压力容器制造越来越多地依靠焊接工艺。文章将深入探讨焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响，以期为厚壁核压力容器焊接制造过程中残余应力的消除和变形控制提供指导。
关键词：残余应力；焊接工艺；有限元；坡口形式；热处理
随着现代工业的发展，现代科学技术的进步，焊接工艺的应用日益广泛，涉及到方方面面，航空航天、海洋工程、核动力工程等领域都是焊接工艺所广泛应用的领域。焊接工艺是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，是将金属材料连接成构件的最重要方法。在核压力容器的制造过程中，更是发挥着不可替代的作用。为了加强能源安全，减少核辐射对自然界和人类社会的危害，必须保证核压力容器的质量。因此，研究焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响，掌握焊接过程中构件的残余应力和大小分布规律，保证焊接接头的安全可靠性，以此来确保核压力容器的质量安全，是现在亟待解决的重要课题。
1 焊接残余应力的研究现状
1.1 焊接残余应力的研究现状
首先以有限元法为基础，对焊接残余应力应变过程进行分析的是在20世纪70年代，日本大阪大学的上田幸雄教授等人，此后，有限元模拟技术得到了迅速发展，通过建立有限元模型使得复杂的动态焊接应力分析过程得以简化。我国虽然在计算机分析焊接力学方面起步较晚，但是发展速度不慢，已经取得了相当大的成就。1983年陈楚等系统地分析了热弹塑性理论，推导出了有限元计算公式，并编制了相应的计算机程序，进入90年代，国内学者做了更加广泛深入的研究。现阶段，以保证焊接结构的稳定性为目的，使用不同方法消除焊接残余应力的数值计算也发展起来。但是，这仍然不能满足实际工作需求，对于该课题的研究仍然任重道远。
1.2 现有研究存在的问题
虽然现阶段对焊接残余应力的研究取得了长足的发展，但是仍然不能满足实际工程的需要。要用数值分析的方法使得复杂焊接结构的残余应力得以控制尚存在很多问题，主要表现在：首先，材料的热物理性能存在数据不足的问题，比如比热容、导热系数、密度等这些都是非常重要的数据。其次，在热源分布参数的数据方面也存在资料匮乏的问题，对于开坡口焊缝、多层焊缝等的热源分布形式也须进一步研究。第三，存在不足的问题还表现在对焊接热源的热效率选取上，这方面资料分散，出入较大。最后，对于焊接熔池的处理也存在问题，典型的就是没有考虑焊接熔池内部液态金属的对流传热特点。此外，我国目前虽然对复杂核压力容器焊接残余应力进行了分析，但是仍然处于初级阶段。只有进一步认识焊接数值模拟技术的意义和作用，正确认识和掌握焊接现象的本质，才能精确计算焊接残余应力，为实际工作提供理论支持。
1.3 焊接应力和变形的分析理论
温度场是模拟焊接应力、应变的基础，而屈服准则、流动准则、强化准则和热弹塑性基本理论则是进行应力、应变的主要计算依据。在采用ANSYS软件对焊接过程进行模拟时，这些理论和依据作为判断材料是否屈服、如何流动、如何强化的依据，也为材料发生弹性和塑性变形时应力和应变关系的计算提供了理论基础。屈服准则对材料开始塑性变形的应力状态做出了明确规定，它通过对单值的等效应力的计算，并与屈服强度进行比较来确定材料的屈服时间。流动准则从几何方面解释成与屈服面的法向与塑性应变增量向量的方向一致。要想弄清楚初始屈服准则是怎样随着塑性应变的增加而发展的就应该运用强化准则。想要了解整个焊接过程动态应力、应变的变化过程和最终的残余应力和变形的状态就应该正确运用热弹塑性基本原理来进行科学计算。
2 焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响
2.1 焊接工艺参数对残余应力的影响
形成焊接残余应力的根本原因是存在不均匀的温度场。而焊接残余应力又是导致裂纹的重要因素。针对于1300℃、1400℃、1460℃不同的焊接工艺参数，其焊接后的等效残余应力的变化趋势会呈现出相同的状态。在焊缝中心应力最大，越是远离焊缝中心，应力会随着距离的增加而逐渐减小。其中，尤其以1300℃和1460℃焊后应力变化曲线基本趋于相同，其应力值分别为359.78MPa和360.17MPa，而1400℃的曲线要略高于其他两种，其应力值也最大，为367.17MPa。由此可见，采用不同的焊接工艺参数，会对焊后残余应力产生一定的影响。
2.2 坡口形式对焊接残余应力的影响
在对厚壁核压力容器进行焊接的过程中，能够影响焊接残余应力的因素有很多，坡口形式也是对其造成影响的因素之一。所以在实际操作中，选择合理的坡口形式和坡口尺寸是必要且重要的。针对于30mm宽I型坡口、38mm宽I型坡口和30mm宽双U型坡口这三种不同的坡口形式，通过运用有限元计算后的结果来表明对焊接残余应力的影响。在焊接完成之后，在焊缝中心的等效应力值均不同，38mm宽的I型坡口在焊后的残余应力最大，应力值为452.75MPa，30mm宽的I型坡口的次之，值为413.97MPa，30mm宽的双U型坡口的应力最小，值为367.26MPa。三者相同的是，在焊缝中心的应力最高，随着远离焊缝中心，应力逐渐减小。因此，在焊缝具有相同宽度的前提下，焊后应力相对较低的是双U型坡口；如果焊缝具有相同的坡口形式，焊后残余应力相对较小的是30mm宽。
2.3 焊后热处理工艺对焊接残余应力的影响
对焊接残余应力进行消除是为了实现保证焊接结构安全可靠的目的。其中热处理就是最常用的方法之一。通过对30mm宽的I型坡口在6道焊接完成后进行热处理，610℃的回火温度，在炉中分别保温1-5h，然后冷却，消除残余应力。经过试验不难发现，在未进行热处理前焊缝处的等效应力值最大，在热处理后焊缝中心的应力相对减小。在焊缝中心，热处理之前应力峰值为413.97MPa，热处理后等效应力相对较高的是1小时和5小时后，分别为344.72MPa和336.51MPa。等效应力相对较低的是2小时、3小时和4小时后，数值分别为263.10MPa、267.66MPa和265.17MPa。由此可见，热处理可以充分有效降低焊接残余应力，致使焊接残余应力的重新分布，且610℃的整体高温热处理2个小时更有利于消除残余应力。
3 结束语
随着社会经济的发展，对能源的需求量越来越大，能源供给面临的压力与日俱增。核能的开发潜力巨大，前景广阔，应该大力开发，投入使用。但是与此同时，能源安全问题也不断提上日程。核压力容器的日趋复杂化不断对能源安全问题提出新的挑战，其中焊接工艺是其中一项重要的关乎质量的控制手段，必须不断完善，文章对焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响进行探讨，希望能够为改善核压力容器质量措施的实施提供借鉴意义。
参考文献
[1]张敏，陈陆阳，李继红，等.焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响[J].兵器材料科学与工程，2011（02）.
[2]王永辉.谈压力容器的焊接残余应力测试[J].民营科技，2012（09）.
[3]贺启良，马东溟.焊接工艺参数对焊接残余应力的影响[J].材料研究与应用，2010（01）.
