工藝參數(shù)對筒體縱向焊接殘余應(yīng)力影響的模擬研究

遲露鑫，麻永林，邢淑清，陳芙蓉，陳重毅

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

0 引言

焊接作為壓力容器制造過程中的重要工藝，直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞和結(jié)構(gòu)的安全。由于焊接時高度集中的瞬時熱輸入造成焊接后殘余應(yīng)力和變形，嚴(yán)重影響壓力容器的強(qiáng)度、剛度、受壓時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性［1］。因此必須了解不同工藝參數(shù)下，焊縫及其附近發(fā)生的瞬時應(yīng)力和殘余應(yīng)力及殘余變形的變化規(guī)律，工廠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇工藝參數(shù)主要關(guān)注生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，而焊接數(shù)值模擬揭示了焊接本質(zhì)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)從“定性”到“定量”的預(yù)測，完成關(guān)鍵物理量的性能評估，避免了以往單純依靠經(jīng)驗(yàn)，耗費(fèi)成本的實(shí)驗(yàn)來摸索焊接工藝參數(shù)的缺點(diǎn)［2］。

近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者都是采用平板對接的模型模擬壓力容器用材的焊接過程［2－4］，但是關(guān)于筒體縱向焊接接頭殘余應(yīng)力數(shù)值模擬方面的文獻(xiàn)較少，因此針對某公司生產(chǎn)的壓力容器用材SA508－3到筒體上各區(qū)域殘余應(yīng)力分布規(guī)律，定量地分析工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力及殘余變形的影響，有效地控制焊接質(zhì)量，采用ANSYS有限元對60 mm厚筒體縱向焊接進(jìn)行殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬，這為實(shí)際焊接生產(chǎn)提供參考數(shù)據(jù)。

1 有限元模型的建立

1.1 試驗(yàn)材料與焊接工藝

試驗(yàn)用母材為某公司提供的鑄態(tài)SA508－3鋼，其化學(xué)成分如表1所示。研究對象是將直徑3478 mm、長度600 mm、厚度60 mm的筒體沿著長度方向進(jìn)行埋弧對接窄間隙焊，下口20 mm，上口28 mm。焊接工藝參數(shù):電流520～580 A、電壓28～31 V、焊接速度300～400 mm/min、焊絲直徑4 mm。焊劑 AT－SJ613HIC(B)與焊絲 ATJ507HIC(A)。

表1 SA508－3鋼的化學(xué)成分 %

1.2 有限元模型

因焊縫及其附近部位熱輸入大，溫度、應(yīng)力應(yīng)變梯度高，該區(qū)域要求較精細(xì)的網(wǎng)格;遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域熱輸入小，受熱影響不是很大，采用較粗的網(wǎng)格劃分即可保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性［5］，建立三維有限元1∶1的模型，模型及近焊縫區(qū)網(wǎng)格的分布見圖1。

1.3 材料物理性能參數(shù)

焊接過程中被焊金屬冷卻時存在的相變潛熱對應(yīng)力場分析產(chǎn)生一定的影響，因此，將材料在相變前后的密度和比熱輸入ANSYS，利用ANSYS推導(dǎo)出焓變值即可將潛熱作用以比熱容在熔化范圍內(nèi)的突變來代替。文獻(xiàn)［6］對SA508－3鋼數(shù)值模擬所需要的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，對于一定溫度范圍內(nèi)確定的物理性能參數(shù)采用線性插值法處理，對于材料接近熔點(diǎn)及高于熔點(diǎn)的高溫性能則采用線性外推法獲得，結(jié)果如圖2所示。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 殘余變形

結(jié)合工程上筒體實(shí)際焊接的約束方法，對筒體不同的約束方法進(jìn)行模擬比較，最后采用如圖3所示的約束方法，節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行x，y，z三個方向的全約束，節(jié)點(diǎn)2進(jìn)行x方向的全約束，節(jié)點(diǎn)3進(jìn)行x，y方向的全約束，殘余變形最小，獲得的焊接接頭拉應(yīng)力最小，不會出現(xiàn)裂紋，焊接質(zhì)量比較理想。選擇電壓31 V，電流520 A，速度5 mm/s工藝參數(shù)組合的模擬結(jié)果分析，模型冷卻到室溫，熱變形結(jié)果見圖4，為了顯示效果清楚，殘余總變形放大50倍，見圖4(d)。

圖2 SA508－3鋼的熱物理性能參數(shù)

圖3 約束方法

由圖4可知，筒體縱向焊接冷卻到室溫，不僅發(fā)生面內(nèi)變形的縱向收縮和橫向收縮，還有面外變形的角變形。角變形引起工件的不圓度，即圍繞焊縫在結(jié)構(gòu)上引起附加的彎曲應(yīng)力，降低了結(jié)構(gòu)的承載能力?？v向最大收縮量出現(xiàn)在焊接終端，為1.127 mm，見圖4(a);橫向收縮量基本關(guān)于筒體中心對稱，最大值為2.12 mm，見圖4(b);因?qū)ぜs束造成徑向上的最大變形出現(xiàn)在焊縫中心位置，為14.655 mm，見圖4(c);模型的殘余總變形最大值為14.673 mm，焊縫及近焊縫區(qū)在縱向殘余拉應(yīng)力作用伴有內(nèi)凹?xì)堄嘧冃?，見圖4(d)。模型在其他工藝參數(shù)下的熱變形如表2所示。

由表2可知，模型在每個方向的收縮變形隨著電流和電壓的增加而增大，隨著焊接速度增大而減小。當(dāng)電流增加30 A時，模型的縱向、橫向、徑向收縮量和總變形量分別平均增加1.8%，9.1%，3.8%和 3.77%;當(dāng)電壓增加 2 V 時，模型的縱向、橫向、徑向收縮量和總變形量分別平均增加 3.56%，6.37%，9.7%和 9.5%;當(dāng)焊接速度增加2 mm/s時，模型的縱向、橫向、徑向收縮量和總變形量分別平均減小 2.7%，8.6%，10.82%和9.77%。

圖4 熱變形示意

表2 不同工藝參數(shù)下的熱變形

在模擬計(jì)算過程中，采用體生熱率作為熱源模型進(jìn)行加載模擬計(jì)算，生熱率公式為:

式中 GENQ——生熱率

U——電壓

I——電流

η——熱效率，取 0.80 ～0.90

V0——生熱單元的體積

由表中數(shù)據(jù)可知，焊接速度對殘余變形的影響最大，根據(jù)熱輸入公式，3個焊接工藝參數(shù)的變化對生熱率影響的大小為:焊接速度＞焊接電壓＞焊接電流，因此模擬結(jié)果，焊接速度的變化對殘余變形影響最大符合理論。

2.2 瞬時殘余應(yīng)力

筒體正中間(z=－0.3 m)與焊縫中心線垂直的直線上距離焊縫為0，20，44，75 mm的4個點(diǎn)(依次為 1，2，3，4)在 800 s時間內(nèi)的橫向和縱向應(yīng)力瞬時變化曲線如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)布置與瞬時殘余應(yīng)力

由圖5可知，當(dāng)熱源靠近節(jié)點(diǎn)1時，該點(diǎn)熔池瞬間為峰值溫度，其前方溫度也瞬間上升，因受熱膨脹，周圍金屬受到熔池的擠壓，該點(diǎn)金屬瞬間受到壓縮，壓應(yīng)力急劇升高并達(dá)到最大值;熱源離開該點(diǎn)時，該點(diǎn)金屬發(fā)生收縮，拉應(yīng)力增加并達(dá)到σs后，再隨著溫度降低拉應(yīng)力趨于穩(wěn)定值;離焊縫中心線越近的點(diǎn)應(yīng)力變化幅度就越劇烈，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，其橫向與縱向殘余應(yīng)力值也越大。點(diǎn)1位于焊縫中心線上，溫度梯度大造成殘余應(yīng)力值比較大，隨著與焊縫中心線的距離依次增大熱源作用逐漸減弱，溫度梯度減小使得應(yīng)力變化緩慢且變?yōu)樽钚≈?，見圖5中點(diǎn)4的殘余應(yīng)力變化曲線。

2.3 路徑－殘余應(yīng)力

為了全面分析不同工藝參數(shù)下殘余應(yīng)力變化，選擇焊縫上6條路徑進(jìn)行分析，路徑1，2分別為焊縫外、內(nèi)表面的中心線，路徑3為焊件中部的焊縫厚度中心線，路徑4，5和6分別為焊件中部垂直焊縫的外表面、中部和內(nèi)表面。分析工藝參數(shù)對殘余應(yīng)力影響較大的曲線如圖6所示。

由圖6可知，焊接工藝參數(shù)變化只對筒體焊縫的內(nèi)外表面中心區(qū)域及焊縫沿厚度方向上的縱向殘余應(yīng)力影響較大。

3個參數(shù)中，沿著焊接方向，隨著焊接速度增大，殘余應(yīng)力曲線上的鋸齒型波動最大且越來越明顯，見圖6(a);焊接電壓與焊接電流增大，殘余應(yīng)力逐漸增大，沿著焊接方向上的殘余應(yīng)力曲線的鋸齒型波動已不明顯，見圖6(b)，6(c)。為提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，通過模擬得出較為合理的工藝參數(shù)選擇范圍，即電流530～550 A，電壓30～32 V，焊接速度38～42 cm/min，最大線能量27.3 kJ/cm。

因焊縫兩端與中間部分的約束和熱循環(huán)特性不相同，使得焊縫起端和結(jié)束端為壓應(yīng)力，中部為拉應(yīng)力且大小基本不變，拉應(yīng)力的最大值大于壓應(yīng)力的最大值，見圖6(a)～6(c)，這說明焊件殘余拉應(yīng)力占主導(dǎo)地位;由圖6(d)～6(f)可知，在一定的焊接速度下，焊接電壓的變化對筒體焊縫內(nèi)表面中心區(qū)域影響最大;由圖6(g)～6(i)可知，工藝參數(shù)變化對焊縫厚度方向上縱向殘余應(yīng)力影響較大且保持很高的拉應(yīng)力。

3 結(jié)論

(1)SA508－3鋼筒體厚壁殘余變形模擬結(jié)果表明，3個焊接工藝參數(shù)中焊接速度對殘余變形的影響最大，且焊接電流和焊接電壓對殘余變形量影響的變化趨勢基本接近，焊接速度與另外兩個參數(shù)對殘余變形影響的趨勢相反。

(2)SA508－3鋼筒體厚壁殘余應(yīng)力模擬結(jié)果表明，焊接工藝參數(shù)變化只對焊縫內(nèi)、外表面中心線以及焊縫厚度方向上的縱向殘余應(yīng)力影響較大，尤其是焊接速度對殘余應(yīng)力曲線上的鋸齒型波動產(chǎn)生的影響比較明顯。

圖6 殘余應(yīng)力曲線

(3)分析SA508－3鋼筒體焊接殘余應(yīng)力模擬結(jié)果，得出較為合理的工藝參數(shù)選擇范圍:電流530～550 A，電壓 30～32 V，焊接速度38～42 cm/min，最大線能量27.3 kJ/cm。

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