大型重载复杂轮廓真空室领圈焊接变形控制

大型重载复杂轮廓真空室领圈焊接变形控制
0 序言
真空室是中国聚变工程实验堆(China fusion engineering test reactor，CFETR)的核心部件，其主要功能是为核聚变反应提供等离子体发生、燃烧、维持的环境. 等离子体燃烧温度达上亿度，所以对真空室的建造质量有严格要求，所有焊缝要求全焊透. 真空室是双曲面结构设计，其截面是双层的D形截面. 真空室由8个45°扇区现场焊接而成，并根据需求配置了上、中、下窗口，供安装、更换内部部件以及辅助加热、诊断等使用[1-2]. 窗口领圈就是用于连接真空室内部和外部窗口的连接段，但其三维结构复杂、体积庞大、重量大，在与真空室窗口焊接成一体后不能整体加工矫形，并且需要与双曲面结构真空室主体贴合对接，所以窗口领圈的制造精度要求较高. 窗口领圈采用拼焊的方式完成. 由于窗口领圈采用50 mm厚的奥氏体不锈钢拼焊而成，常规的熔焊方式，需要填充量大，且多次填充才能焊透，会产生较大的焊接变形. 控制不锈钢焊接变形方法是制定合理的焊接工艺方案，如采用合适的焊接方法，真空电子束焊接作为一种微变形的高能束焊接方法，能够保证真空室领圈的焊接质量. 焊接顺序优化和焊接夹具的设置都能减小焊接变形[3-4].
目前，关于焊接变形的预测方法最常用的是热弹塑性有限元法[5-6]，热弹塑性有限元法可以预测焊接变形以及三维应力，但由于其求解过程的高度非线性，对计算机的硬件配置有很高的需求，一旦模型体积较大或结构复杂，模型的网格数一多，求解时间就非常长，所以热弹塑性有限元分析法适用于小型简单结构件的焊接模拟[7]. 对于大型复杂的网格数较多焊接结构，有计算模拟效率更高的固有应变法、线弹性体积收缩法等. 文中采用固有应变法，对大型重载复杂轮廓真空室窗口领圈在不同的拼焊顺序和有无夹具约束的情况下焊接变形情况进行研究，为制定窗口领圈的焊接工艺方案提供参考.
1 模型与方法
1.1 研究模型
大型重载复杂轮廓真空室窗口领圈总长是4 500 mm，高2 750 mm，宽1 100 mm，窗口领圈在拼焊时采用了焊接变形较小的真空电子束焊，所以焊缝长度受限于焊接真空室的大小[8]，要将窗口领圈上的长焊缝截断成几条短焊缝. 整个窗口领圈焊接方案，是将窗口领圈先分成4小部分，先把每个部分拼焊完成后，再把4个小部分进行拼焊成一个整体. 按照焊接方案，窗口领圈由14块厚度为50 mm的不锈钢板拼焊而成，总共有15条焊缝. 所有的焊缝都为全焊透，接头形式为对接接头，并且不需要开焊接坡口，由于窗口领圈薄厚均匀都是50 mm厚不锈钢板，所以采用壳单元划分网格如图1，可以有效减少模型网格数，缩短求解时间. 窗口领圈的翻边部分，均采用锻压成形后再与基体对接焊，1，3，5，7，9，11号焊缝是翻边与基体对接焊缝. 基体转角处采用辊弯成形，由于辊弯件体积过大，辊弯时容易发生扭曲等缺陷，所以设置13，15号焊缝将辊弯件分段，减小辊弯件大小，如图1.
图1 整体模型网格划分与焊缝编号
Fig.1 Mesh of global model and weld number
1.2 焊接材料与方法
窗口领圈的材料为304 L不锈钢，其化学成分如表1所示[7]. 属于奥氏体不锈钢，热膨胀系数较高，同时热传导系数低，所以焊接时会产生大量收缩变形. 焊接方法是采用真空电子束焊接一次性焊透，具体
焊接工艺参数如表2所示.
（1）符合西医FAP诊断标准；（2）符合中医腹痛·脾胃虚寒证诊断；（3）年龄4～13岁；（4）腹痛程度根据疼痛数字评价量表（numerical rating scale，NRS）［8］判定，NRS评分≥4；（5）知情同意过程符合规定，法定代理人或与受试儿童（≥10岁）共同签署知情同意书。

表1 304L 不锈钢化学成分 (质量分数，%)
Table1 Chemical composition of 304L stainless steel
C Si Mn P S Cr Ni Fe 0.01 0.27 1.95 0.018 0.004 5 17.76 9.20 余量
表2 电子束焊接工艺参数
Table2 Welding parameters of electron
电子束电流I/mA加速电压焊接速度聚焦电流工作距离U/kVv/(mm·s-1)i/mAd/mm 160 150 8 2 350 500
2 固有应变法预测焊接变形
在焊接过程中，焊接总变形ε*主要包括热应变εT、塑性应变εp、弹性应变εe 、焊接相变应变εx.下面的方程给出其中热应变、塑性应变和相变是焊接变形和热应力的主要因素. 为了研究工件的焊接变形，一些学者提出了固有应变理论. 固有应变ε是热应变εT，塑性应变εp，相变应变εx的总和. 可以表示为
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在焊接低碳钢等材料时，不考虑相变对焊接变形的影响，所以固有应变就是热应变和塑性应变之和. 焊接变形可以分为横向固有应变和纵向固有应变，设焊件纵向固有应变总和Wx 和横向固有应变总和Wy. Wx，Wy均与焊接线能量Q有关，可以表
示为[9-10]
式中: K是纵向固有应变的系数；ξ是横向固有应变的系数；Q是焊接线能量. 其中，固有应变系数可以表示为
式中：α是线膨胀系数；c是比热容；ρ是密度. 经大量试验表明，纵向固有应变总和与焊接线能量的比值，几乎为定值，计算后取K=8.6×10-7cm3/J.
由式(3)和式(4)计算得到的应变总和，可得单位长度上的固有应变量，也是计算机模拟时的加载量为
式中：Ai是固有应变加载区域横截面积.
在Weldplanner软件中，通过修改材料属性中的热膨胀系数加载计算得到的单位长度上固有应变量值，再进行模拟就能得到焊件的变形量.
3 窗口领圈拼焊模拟
焊接顺序与不锈钢材质的焊接变形是相关的，并且大量试验表明，在影响不锈钢材质焊接变形的各种因素中，焊接顺序的影响最大. 为了
控制窗口领圈的焊接变形，需要对窗口领圈的焊接顺序以及夹具约束的设置进行研究. 窗口领圈由14块厚度为50 mm的不锈钢板拼焊而成，总共有15条焊缝.制定了4种焊接顺序方案如表3，因为真空电子束焊接的焊缝长度受限于真空室的大小，所以将窗口领圈分成4个小部分分别焊接完成后，再将4个小部分拼成整体，4种方案的后6步是相同，都是将4小部分拼成整体. 第一种方案是先完成领圈基体的拼焊，再将安装边分片与基体焊接，第二种方案是先将安装边焊成一个整体，再把基体焊成一个整体，最后把基体和安装边焊在一起. 第三四种方案基本相同，在安装边和基体的竖直方向的焊缝焊接顺序不同.在焊接模拟过程中，如果不对焊件施加位移约束，只要焊接中有轻微扰动，焊件就会在空间里发生移动，无法得出准确的计算结果. 这就需要给工件施加必要的位移约束. 如图2中在窗口领圈左侧点限制其y和z方向的位移，右上点限制y方向的位移，右下点限制x，y和z方向的位移，3个点的位移约束对焊接变形影响很小，可以模拟窗口领圈在无外部约束自然状态下的焊接变形.
表3 不同方案的接头焊接顺序
Table3 Welding sequence of different welded joint schemes
方案焊接顺序 1 13→15→12→14→11→9→10→7→8→5→3→1→6→2→4 2 10→8→13→15→14→12→11→9→7→5→3→1→6→2→4 3 11→9→7→13→15→12→14→8→10→5→3→1→6→2→4 4 11→9→7→13→15→8→10→12→14→5→3→1→6→2→4
图2 窗口领圈焊接部件必要约束图
Fig.2 Necessary constraint of port stub welded component 4 结果与讨论
4.1 无外部约束自然状态下焊接变形
施加必要的约束给窗口领圈，再进行焊接模拟，就可以得到窗口领圈在无夹具约束自然状态下的焊接变形情况.
窗口领圈在无外部约束自然状态下的焊接变形如表4中列出，可知不同的焊接顺序，对真空电子束焊接的焊接变形是有影响的，但4种方案的焊接变形相差不大. 4种焊接方案的最大变形处都在右侧安装边上，通过对比4种方案，可知先焊接右侧基体转角附近容易产生较大焊接变形的焊缝，最后可以获得窗口领圈较小的整体焊接变形. 方案1右侧安装边最大变形是7.37 mm，方案4右侧安装边最大变形是7.75 mm，所以，方案1的焊接顺序设置较合理.
模拟葡萄酒培养基：每100 mL蒸馏水加入1 mL的SO2，酵母膏0.35 g，酒石酸3 g，葡萄汁20 mL，苹果酸3 g，柠檬酸0.5 g，配制完成后以121℃高压湿热灭菌15 min。

由于动物源病原菌与人体病原菌，以及抗菌药在畜禽体内与在人体内的药物动力学特征存在明显差异，因此，进行兽药药敏试验时使用人医标准，将造成药敏结果与临床疗效出现偏差，所以自1999年以来，CLSI制定了动物源细菌抗菌药物敏感性试验执行标准。

中国畜牧兽医学会兽医药理毒理学分会从CLSI取得了2013年最新发布的动物源细菌抗菌药物敏感性试验执行标准(第4版)分发版权。

为提高药敏数
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但由于美国关注的畜禽品种、病原菌种属，使用的兽用抗菌药种类、剂量等与我国不尽相同，因此要灵活使用该标准。

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表4 无外部约束时四种焊接方案的焊接件变形量
Table4 Welding deformation without clamps constraint of four schemes
方案x方向最大变形y方向最大变形z方向最大变形总最大变形Ux/mmUy/mmUz/mmU/mm 1 -2.9 -7.17 2.18 7.37 2 -3.02 -7.16 2.17 7.39 3 -2.84 -7.46 2.20 7.64 4 -2.93 -7.5 2.18 7.75
不同的焊接顺序会产生不同焊接变形是因为焊件的焊接先后顺序会改变领圈的应力分布、应力状态和整体的结构刚度，后焊的焊缝会对之前的焊缝产生影响，所以焊接顺序的不同会产生的焊接变形也不同.
图3是按照方案1的焊接顺序进行模拟计算无夹具约束的变形结果，灰色框体和彩色云图分别表示窗口领圈焊接前后的位置，变形放大倍数100.由图3c可知，窗口领圈焊接后变形较为复杂，领圈基体平面向窗口内部凹陷，由图3b可知两端的侧面向z正轴方向翘起同时，也在向y轴负方向偏移，并且右侧面向y轴负方向偏移的程度不一，
右侧面上部第一安装边部分变形最为严重的，最大变形量达到7.37 mm，右侧面下方向y轴负方向偏移量较上部小. 两端的侧面向z正轴方向翘起主要是领圈表面竖直焊缝收缩引起的，同时向y轴负方向偏移是由于安装边上竖焊缝收缩产生，也造成右侧面离安装边距离近的向y轴负方向偏移较大.
在整个焊接过程中，领圈的最大变形处都位于第一安装边，表5显示窗口领圈的最大变形处第一安装边在焊接模拟的每一步的最大变形量，由表5可知，不同的焊接步，因为焊缝的位置不同，对第一安装边产生的焊接变形量也是不同的. 前4步焊接因为没有涉及到第一安装边，所以其最大变形值为0. 第5步到第8步，随着焊缝的增加，第一安装边的最大变形量也逐步累积增大，焊接变形趋势是向y轴负方向，到了第9步和第10步焊接8号和5号焊缝时，第一安装边焊接变形趋势不变，最大变形量有所减小. 到了第13步焊接6号焊缝时，安装边产生了较大的焊接变形增量，最大变形量由3.45 mm增加到5.19 mm，最后一步焊4号焊缝，完成窗口领圈整体拼接时，对安装边产生了较大的影响，最大变形量由5.19 mm增加到7.37 mm，焊接变形增量达到2.18 mm. 可见4号焊缝对第一安装边的焊接变形影响最大.
图3 方案 1 无外部约束焊接变形图
Fig.3 Welding deformation without clamps constraint of scheme 1
4.2 夹具约束状态下焊接变形
通过对窗口领圈在自然状态下产生焊接变形的模拟，可以预测出其变形情况. 根据窗口领圈的变形情况，可以找出对领圈焊接变形影响最大的焊缝，进而针对性的设置夹具约束点，实现对控制窗口领圈变形的控制. 夹具约束的设置既要有针对性，针对变形最大的焊缝，又要
可实际操作. 由窗口领圈自然状态下焊接变形的模拟可知，对第一安装边焊接变形影响最大的是4号，6号等领圈基体上的竖直焊缝，所以在窗口领圈基体竖直焊缝左右200 mm处，每隔50 mm设置一个约束点. 如图4，在模拟的最后一步会卸载夹具约束，以模拟焊后拆除夹具自然状态.
窗口领圈在设置夹具约束状态下的焊接变形如表6中列出，可知不同的焊接顺序，对设置夹具约束的焊件真空电子束焊接后焊接变形仍是有影响的，但4种方案的焊接变形相差不大. 在有夹具的情况下，4种焊接方案的最大变形处都在第二安装边上. 方案1夹具卸载后最大变形量为3.96 mm，减少变形 46.3%. 方案 2，3，4分别减少 43.4%、41.2%，41.4%. 通过对比4种方案，方案1的焊接顺序设置较合理. 图5中按照方案1在设置夹具约束的情况下的焊接模拟，可见在夹具未卸载时，窗口领圈最大变形处在第三和第四安装边接头处如图5a，最大变形为1.67 mm，在夹具卸载后，最大变形处转移到第二安装边上.
表 5 第一安装边焊接变形模拟数值
Table5 Simulated results of welding distortion in No.1 fixture fringe
焊接步数最大变形U/mm 1 0 2 0 3 0 4 0 5 2.9 6 3.65 7 3.83 8 4.06 9 3.69 10 3.15 11 3.45 12 3.45 13 5.19 14 5.19 15 7.37
表 6 夹具约束时四种焊接方案的焊接件变形量
Table6 Welding deformation with clamps constraint of four schemes
方案x方向最大变形y方向最大变形z方向最大变形总最大变形
Ux/mmUy/mmUz/mmU/mm 1 -2.66 -3.86 2.03 3.96 2 -2.63 -3.95 2.04 4.18 3 -2.52 -4.35 2.20 4.49 4 -2.56 -4.41 2.08 4.54
图4 窗口领圈焊接部件夹具约束图
Fig.4 Clamps constraint of collar ring welded component
图5 方案 1 夹具约束焊接变形图
Fig.5 Welding deformation with clamps constraint of scheme 1
5 结论
(1) 在真空电子束焊接时不同的焊接顺序产生的焊接变形不同，合
理的焊接顺序可以减小窗口领圈的焊接变形.
针对高压配电室的环境特点，基于机器人的总体任务需求，面向各分系统的功能需求进行机构设计，提出了一种新型高压配电室智能巡检机器人机构。

这种新型机构由轨道式移动机构和机械臂组成，具有沿着弯曲轨道行走能力，并且具有良好的稳定性与定位功能，方便机械臂末端执行器对开关柜执行相关操作任务。

(2) 外部夹具约束的设置能够有效的控制窗口领圈的焊接变形，在无夹具约束自然状态下，领圈最大变形位于第一安装边上，在有夹具约束状态下焊接，最大变形位于不同的焊件上.
(3) 固有应变法在预测大型结构件的焊接变形时，比常用的焊接模拟方法更高效实用，为大型结构件焊接方案的制定优化提供了理论支持.
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