【CAE案例】双金属焊接基准数值模拟

01 案例研究背景

工业上众多的制造和维修业务都涉及到焊接，所以在预测焊接操作所产生的冶金学和力学影响方面有极大的研究价值。

图1

双金属焊接（LBM）是指将有涂层的铁素体钢大型构件和EPR管道系统（CPP）中奥氏体不锈钢管道组合。由于没有同时适用这两种材料的焊料，需要一个中间层来增强可焊性，增加焊接强度，减少开裂的概率。

工艺流程包括：倒角的机械加工，中间层焊接，然后进行多道次的连续焊接操作，热应力消除处理（TTD），最后再次进行机械加工。

图2

02 研究主旨

MSNS计划是EDF-CEA-AREVA三方的合作项目。项目通过实验、建模、数值模拟三个方面来研究焊接，旨在研发一种更简单，可靠，且不保守的方法，改善现有的标准和模型，使对残余应力的计算更接近真实情况，提高计算软件(Code_Aster、SYSWELD、CAST3M）的效率，建立一个良好的案例作为参照。

为此，首先应该更好地了解冷和热条件下的断裂机制，然后建立一个能防止出现焊接故障的方法和模型，优化创新的数值计算工具。

本次模拟将采用欧洲ADIMEW项目（评估不同金属管道焊接老化后的完整性项目）中的双金属焊接的基准。ADIMEW的模型参考法国核电站中比较有代表性的V形倒角焊缝，有大量实验数据支持。

模拟得到的残余应力曲线将会与合作方的实验结果相比较。

03 建模

图3 ADIMEW模型

模拟焊接过程分为三个步骤：

• 计算温度场

• 在原有温度场基础上考虑固液相变

• 计算机械应力场

几何模型采用2D旋转对称模型（图3），这种简化方法常用于管件端部焊接。对温度场计算和机械场计算分别采用了线性网格和二次型网格。中间层，焊料，奥氏体钢均采用316L材料，铁素体钢采用16MND5材料。

这是第一次基准，所以没有对中间层加工，热应力消除和机械加工过程进行建模。

图4

04 热分析

模型采用一个等效的三角形热源来对焊头进行模拟，这个等效热源由四个参数控制，使用ADAO（Salome-Meca 的模块）进行参数研究，对AREVA实验的热电偶温度进行拟合。为对液固转变进行建模，当材料度超过1400℃时将被重置为1400℃。

图5

图6

05 机械分析

机械分析采用二次型网格，工件采用有限的自由结构，且存在轻微的扰动。

假设材料的本构模型为非线性各向同性弹塑性，焊接过程的模拟通过对材料属性的控制来实现。

• 已焊道次和正在进行道次的属性设置为实际材料的属性

• 未焊的焊道设置为一种软性材料（弹性；E=400MPa，σy=2000MPa）

考虑硬化恢复效应（关键字REST_ECRO），在加热时，对于每个单元，在1380°C的温度下，累积的塑性变形逐渐减小，并在1400°C的温度下消除。冷却后，硬化恢复效应逐渐减弱，并从1380°C开始完全消失。

图7

06 计算结果

图8

计算效率结果

07 结论与展望

本次案例对有多道次焊接的双管道连接工艺进行数值模拟，模拟和实验结果符合良好，且对三方计算得到的残余应力进行了质量比较；残余应力变化趋势良好。

对于该模拟还可以继续改进，比如引入大变形假设，固态硬化修复，相变，机械加工，对材料进行更真实的建模。应用于其他焊接系列的通用研究（例如：均质接头），通过重新焊接进行维修的情况。本次模拟展现了良好的稳定性，该模拟将可以用于维修焊接，以及其他工程应用。

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