多道焊接压力容器板的残余应力分布：传统与新兴方法

《International Journal of Pressure Vessels and Piping》：Residual Stress Distribution in Multi Pass Welded Pressure Vessel Plates: Traditional and Emerging Approaches

　　

• 统一了实验、数值和数据驱动的残余应力评估方法。
• 将残余应力解释为一种路径依赖的热冶金过程。
• 定义了厚壁多道焊缝基于证据的验证要求。
• 指出了基于有限元训练的代理模型和随机空间数据划分的局限性。
• 提出了一种用于完整性评估的闭环多保真度框架。

引言

厚壁多道压力容器焊缝中的残余应力评估仍然是一项挑战，因为最终应力场是完整的热历史、力学历史、冶金历史和约束历史的三维路径依赖结果。局部加热和冷却产生不协调的应变，这些应变在外部制造载荷和温度梯度消失后仍然存在1,2。所产生的应力的大小和分布受凝固收缩、塑性变形和结构约束的控制3,4。在相变敏感合金中，固态相变还可能额外改变局部应变和力学性能[5]。每一道焊缝的沉积还会重新加热和力学加载前序道次影响的区域，因此最终应力场通常不能表示为各道焊缝独立贡献的线性叠加6。沟槽几何形状改变了薄膜应力与弯曲应力之间的平衡7，而沉积顺序可能在名义总热输入不变的情况下重新分布最终应力场8,9。二维模拟与三维模拟的比较还表明，降维模型在均匀区域可能足够，但无法重现起停效应和其他固有的三维特征10,11。结构约束和局部材料非均匀性引入了额外的变化来源12,13,14。在厚体素钢焊缝中的测量还表明，关键拉应力可能出现在表面以下，并可能受背铲等后续操作的影响15,16。这些应力的工程重要性源于它们与疲劳、断裂和结构完整性行为的相互作用。拉残余应力可能增加裂纹驱动力并降低抗疲劳裂纹扩展、脆性断裂或塑性失效的安全余量3,4,17。它们对断裂参数的影响还可能取决于塑性重分布和预先存在应力场的大小18,19。因此，三维残余应力场已被纳入核压力容器边界焊缝和其他安全关键部件的评估中20,21。同时，最终评估的可靠性取决于应力是如何测量、重构或在模型间传递的。例如，深孔钻削法已被开发并实验验证用于厚度方向残余应力测量22，后来被应用于厚壁和几何复杂的部件23。后续研究涉及近屈服效应和测量不确定性24,25，而最近的工作将压力容器边界应用与基于本征应变的公式结合26,27。

实验测量提供了残余应力评估的主要经验基础，但没有单一技术能同时提供完整空间覆盖、全张量信息和低不确定性。残余应力测量综述强调，每种技术都是应力场的空间受限且假设依赖的投影28,29,30。方法选择必须考虑穿透深度、空间分辨率、可测应力分量、可达性、微观结构敏感性和不确定性31,32,33。如钻孔法等机械松弛方法适用于近表面表征，但钻孔周围的塑性可能使计算应力产生偏差28,34,35,36,37,38,39,40,41。轮廓法可以在切割平面上提供完整的应力分量，但其可靠性取决于切割质量、表面测量和数据处理42,43,44,45。X射线衍射和中子衍射在不同深度和分辨率下提供互补信息46,47。因此，当独立技术相互一致并且考虑了加工、切割和应力释放的影响时，对实验残余应力场的置信度最强48,49。

数值模拟通过提供难以直接观测的瞬态温度、塑性应变演化、相变相关效应、应力重分布和亚表面场来补充测量。顺序热力学有限元分析已应用于多道管材、厚板、压力容器焊缝和异种接头，但其准确性取决于热源标定、沉积表示、本构行为、边界条件和验证独立性10,11。本征应变和固有应变方法通过表示导致最终应力场的不可逆应变而不显式再现每个热循环来降低计算成本50,51。然而，它们的可迁移性取决于用于标定的测量或高保真度模拟。因此，数值效率不能脱离物理保真度和验证质量来独立考虑。

数据驱动模型作为一种加速重复残余应力预测的额外手段出现。神经网络模型使用焊接过程变量、空间坐标和模拟或实验数据进行训练52,53,54。其他研究纳入了力学约束、热历史变量或混合校正策略55,56,57,58。这些方法在插值、敏感性分析和过程优化方面前景广阔，但其预测仍然取决于训练数据的质量、覆盖度和独立性。焊接残余应力建模综述也显示，现有证据的很大一部分来自薄板、单道焊缝、理想化试件或与厚压力容器板不同的构型57,59。因此，报告的预测精度本身并不能确立向新材料、厚度、沟槽几何形状、道次顺序或约束条件的可迁移性57,58。

因此，本综述的主要贡献不是对测量技术、有限元公式或学习算法的进一步编目，而是对其证据和适用性限制的解析性整合。首先，综述将实验测量、高保真度过程模拟、本征应变重构、多尺度建模和代理预测置于单一的过程-完整性链中。其次，它区分了来自厚壁多道压力容器边界焊缝的直接证据与其他构型获得的间接机理证据，并明确评估了它们的可迁移性。第三，使用共同的决策标准对研究进行比较，包括应力分量和测量深度、所代表的制造历史、验证独立性、不确定性、计算成本以及适用于局部还是组件级评估。第四，综述解释了为什么热输入、道次数、顺序、约束、厚度和材料建模等看似矛盾的影响可能在不同的几何和冶金条件下产生。第五，根据特征表示、数据来源、构型级分离、物理可行性、不确定性和插值与真正泛化的区别来评估数据驱动研究。这些要素提供了分层模型选择框架的基础，而非推荐一种方法取代所有其他方法。本综述的范围是分层的而非无限制的。主要证据库包括厚壁多道压力容器和压力容器边界焊缝，这些焊缝可直接获得残余应力测量、经验证的热力学模型或组件级评估数据。涉及较薄板材、铝合金、单道或激光焊缝、T型接头、海洋结构、钢梁或相关管道构型的研究不被视为厚壁压力容器焊缝的直接定量证据。它们仅在隔离出可迁移的测量限制、物理机制、建模决策或验证策略（在主证据库中未得到充分代表）时被保留。因此，它们的发现被归类为条件性或间接证据，用于解释适用性限制而非确立厚壁压力容器组件的普遍残余应力趋势。在整个综述中，直接应用证据与条件性机理证据和间接方法学证据被明确区分。

章节片段

传统方法
实验测量提供了残余应力评估的经验基础，而数值模型重构无法完全观测到的温度、力学和冶金历史。测量通常局限于特定的应力分量、位置、表面或切割平面。经验证的数值模型可以补充这些证据，通过追踪应力在连续沉积和冷却循环期间的形成与重分布，并识别……

新兴方法：机器学习和代理模型
本节考察了用于降低残余应力预测计算成本的新兴数据驱动方法。比较重点在于数据来源、特征表示、验证设计、物理一致性和可迁移性，而不仅仅是模型复杂度。特别关注实验训练模型、模拟训练代理模型、物理引导模型和真正多保真度学习之间的区别54,58。一般残余应力……

重要因素
厚壁多道焊缝中的残余应力受耦合的热、力学和几何变量的控制，而非由单一焊接参数决定。因此，仅基于最大冯·米塞斯应力的评估是不充分的；预期裂纹面上的法向应力分量、拉应力区域的深度和宽度以及薄膜-弯曲平衡也必须考虑77,87,104。热输入控制塑性影响区域的尺寸，……

结论
厚壁多道焊接件中的残余应力评估应被视为一个证据整合问题，而非选择单一优越的测量或建模技术。最终应力场由接头耦合的温度、力学、冶金和约束历史控制。因此，已发表结果之间的差异应根据应力分量、测量深度、焊接顺序、层间温度……

CRediT作者贡献声明
张金国：撰写—初稿，可视化，验证，软件，资源。
赵冲天：撰写—初稿，可视化，验证，方法学，调查，数据整理。
王旭东：撰写—初稿，可视化，验证，方法学，数据整理。
张明明：撰写—初稿，可视化，验证，方法学，数据整理。
王新辉：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，……

利益冲突声明
? 作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能已影响本文所报道的工作。

6. 致谢
本文由中国第十三个五年计划期间国家重点研发计划资助，题为"氢加油站储氢设备质量评估与监控技术研究"（项目编号：2023YFF0611401），以及宁波市"科技创新甬江2035"重点技术攻关项目，题为"智能检测与工艺安全协调防控的关键技术与应用"

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