異種鋼管接頭焊接殘余應(yīng)力有限元數(shù)值模擬現(xiàn)狀及發(fā)展

張贏

【摘 要】 在焊接結(jié)構(gòu)中，為了發(fā)揮材料的最佳性能，往往需要采用異種鋼焊接接頭，而異種鋼焊接接頭在長(zhǎng)期使用過程中，發(fā)生了許多事故，迫使國內(nèi)外的學(xué)者從各個(gè)方面不同角度研究異種鋼焊接接頭失效的原因。本文主要結(jié)合焊接殘余應(yīng)力對(duì)異種鋼管接頭焊接結(jié)構(gòu)的影響及研究焊接殘余應(yīng)力的必要性，論述了管接頭焊接殘余應(yīng)力有限元數(shù)值模擬的現(xiàn)狀及發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】 異種鋼管接頭 焊接殘余應(yīng)力 數(shù)值模擬

在焊接結(jié)構(gòu)中，為了發(fā)揮材料的最佳使用性能往往需要采用異種鋼焊接接頭，如電站、石油化工工業(yè)的結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常將奧氏體不銹鋼與珠光體耐熱鋼或其它鐵素材料焊接在一起，有時(shí)由于生產(chǎn)條件的限制采用奧氏體焊條焊接淬硬傾向較高的高強(qiáng)鋼，以便在沒有預(yù)熱的條件下防止接頭產(chǎn)生冷裂紋。這兩種形式的奧氏體/鐵素體異種鋼焊接接頭至少存在一個(gè)成分和組織相差較大的熔合界面，有于界面兩側(cè)材料的物理性能不匹配，熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)存在明顯差異，因而將在界面區(qū)域內(nèi)（熔合區(qū)）產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，并且熔合區(qū)內(nèi)存在一層馬氏體組織[1]，如果接頭在交變溫度下工作，熱應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致接頭的早期開裂[2]。同時(shí)，異種鋼焊接接頭由于材料的熱膨脹特性不同而在焊縫附近引起很大的熱應(yīng)力；碳可能從鐵素體的一側(cè)遷移到奧氏體的一側(cè)，從而在鐵素體的一側(cè)出現(xiàn)局部薄弱區(qū)域[3]。

異種鋼焊接接頭在長(zhǎng)期使用過程中發(fā)生過許多次破壞事故，迫使國內(nèi)外許多專家、學(xué)者從各個(gè)方面以不同角度去研究異種鋼焊接頭破壞原因。美國、日本等國的學(xué)者們?cè)诮鹣喾治?、彈塑性?yīng)力分析及疲勞等方面進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究工作。國內(nèi)在此方面也有一些研究。但是對(duì)異種鋼接頭在焊接過程中所產(chǎn)生殘余應(yīng)力的研究比較少見，而這種焊接殘余應(yīng)力的存在對(duì)異種鋼接頭強(qiáng)度的影響是不能忽視的。

1 焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的影響

在沒有外力作用下，焊件中焊接殘余應(yīng)力為自身相互平衡分布的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，我們常常稱為焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)[4]。在焊接過程中，焊接區(qū)以遠(yuǎn)高于周圍區(qū)域的速度被急劇加熱，并局部熔化。焊接區(qū)材料受熱而膨脹，熱膨脹受到周圍較冷區(qū)域的約束，并造成（彈性）熱應(yīng)力，受熱區(qū)溫度升高后屈服極限下降，熱應(yīng)力可部分超過該屈服極限。結(jié)果焊接區(qū)形成了塑性的熱壓縮，冷卻后，比周圍區(qū)域相對(duì)縮短、變窄或減小。因此，這個(gè)區(qū)域就呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力，周圍區(qū)域則承受壓縮殘余應(yīng)力。冷卻過程中的顯微組織轉(zhuǎn)變會(huì)引起體積的變化，如果這種情況發(fā)生在較低的溫度，而此時(shí)材料的屈服極限足夠高，則會(huì)導(dǎo)致焊接區(qū)產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，周圍區(qū)域承受拉伸殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力，是焊接工程研究領(lǐng)域的重點(diǎn)問題。

異種鋼焊接接頭的力學(xué)性能（即應(yīng)力與應(yīng)變）較為復(fù)雜。首先焊接接頭在焊后熱處理或高溫下運(yùn)行時(shí)由于熔合區(qū)碳遷移層的存在，使得焊接接頭在經(jīng)歷持續(xù)的加熱和冷卻過程中其焊接應(yīng)力會(huì)不斷發(fā)生變化。這種變化所造成的拘束應(yīng)力主要集中在增碳層，進(jìn)而導(dǎo)致使用過程中焊接接頭發(fā)生斷裂。其次簡(jiǎn)單的焊后熱處理不能徹底消除焊接殘余應(yīng)力，其作用只能讓焊接應(yīng)力重新進(jìn)行分布。最后，奧氏體鋼和珠光體鋼的熱膨脹系數(shù)有所不同，需要在焊接時(shí)添加過渡層來進(jìn)行緩解。焊后由于焊縫和熔合區(qū)附近受拉應(yīng)力影響，而熱影響區(qū)中遠(yuǎn)離焊縫邊緣的金屬受壓應(yīng)力的影響（但其在更遠(yuǎn)處又改為拉應(yīng)力）。經(jīng)過以往的試驗(yàn)分析，焊后焊縫和熱影響區(qū)表現(xiàn)為拉伸應(yīng)力，熔合區(qū)附近為平衡區(qū)（無應(yīng)力作用）；在進(jìn)行熱處理后，焊縫中仍保持拉應(yīng)力，而熱影響區(qū)中則變?yōu)閴簯?yīng)力。

試驗(yàn)表明，焊接熔合區(qū)的應(yīng)力分布不僅與兩種焊接材料的熱膨脹系數(shù)和原子排列有關(guān)，還與焊接過程中金屬的凝固收縮及其固態(tài)相變有關(guān)。對(duì)于不銹鋼焊縫來說，冷卻過程中首先析出δ-Fe相的凝固結(jié)晶進(jìn)而形成δ-γ的固態(tài)相變，伴隨這兩個(gè)過程都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力變化。與此同時(shí)，對(duì)于珠光體耐熱鋼的熱影響區(qū)來說，在焊接熱循環(huán)冷卻過程則是γ-α固態(tài)相變。這是一個(gè)體積增大的過程，會(huì)導(dǎo)致壓應(yīng)力的產(chǎn)生。此外焊接過程中外加應(yīng)力也會(huì)對(duì)焊接接頭的應(yīng)力分布造成很大影響。

2 國內(nèi)外對(duì)接管道環(huán)焊縫應(yīng)力數(shù)值模擬發(fā)展動(dòng)態(tài)

焊接過程中應(yīng)力應(yīng)變的研究工作始于二十世紀(jì)三十年代，但是研究工作只能是定性的和實(shí)測(cè)性的。五十年代，前蘇聯(lián)學(xué)者奧凱爾布洛母等人在考慮材料機(jī)械性能與溫度之間的相互依賴關(guān)系的情況下，用圖解的形式分析了焊接過程的熱彈塑性性質(zhì)及其動(dòng)態(tài)過程，并分析了一維條件下對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變的影響。六十年代，由于計(jì)算機(jī)的推廣應(yīng)用，對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬才發(fā)展起來。

20世紀(jì)70年代初，日本大阪大學(xué)的上田幸雄教授等人首先以有限元法為基礎(chǔ)，提出了考慮材料力學(xué)性能與溫度有關(guān)的焊接熱彈塑性分析理論，導(dǎo)出了分析焊接應(yīng)力應(yīng)變過程的表達(dá)式。1973年，Vaidyanathan利用板殼理論，在分析平板對(duì)接過程焊接應(yīng)力的基礎(chǔ)上，提出了薄壁管對(duì)接環(huán)焊縫殘余應(yīng)力的計(jì)算方法，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，計(jì)算值與試驗(yàn)合較好[5]。但該方法是作為二維應(yīng)力狀態(tài)模型得到的計(jì)算公式，對(duì)于厚壁管道的三維應(yīng)力狀態(tài)就不再適用了。

隨著對(duì)熱—彈塑性理論的深刻認(rèn)識(shí)和有限元方法的廣泛應(yīng)用，德國學(xué)者Argyis首先提出用熱彈—粘塑性組成的方程來分析焊接應(yīng)力。BYY Dong建立了奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的殘余應(yīng)力三維有限元模型。結(jié)果表明，近縫區(qū)內(nèi)表面軸向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，外表面為壓應(yīng)力；而環(huán)向內(nèi)外表面的殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力；管道壁厚對(duì)管道環(huán)焊縫殘余應(yīng)力的影響顯著，薄壁管道焊后產(chǎn)生較小的軸向殘余應(yīng)力和較大的環(huán)向殘余應(yīng)力。瑞典的L Karlsson等也對(duì)薄壁管道的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析，計(jì)算中還考慮了材料性能的溫度依賴性和相變膨脹的影響。到1997年，新型焊接方法的廣泛應(yīng)用，L E Lindgren等用三維熱—力耦合的有限元方法模擬了大型銅罐電子束焊接接頭殘余應(yīng)力，估計(jì)了由此引起的銅罐的蠕變損傷程度。T Lnoue等人研究了伴有相變的溫度變化過程中，溫度、相變和熱應(yīng)力三者之間的耦合效應(yīng)，并提出了在考慮耦合效應(yīng)的條件下本構(gòu)方程的一般形式。endprint

我國的焊接應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬主要起步于20世紀(jì)70年代，首先是西安交通大學(xué)的樓志文等人把數(shù)值分析應(yīng)用到焊接溫度場(chǎng)與熱彈塑性應(yīng)力場(chǎng)的分析中，編制了熱彈塑性有限元分析程序并對(duì)兩個(gè)較簡(jiǎn)單的焊接問題進(jìn)行了分析。1983年，上海交通大學(xué)的陳楚等人系統(tǒng)地分析了熱彈塑性理論，推導(dǎo)出了有限元計(jì)算公式，并在此基礎(chǔ)上編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序[6]。近年來清華大學(xué)，天津大學(xué)等在焊接應(yīng)力數(shù)值模擬都取得不錯(cuò)成果。董俊慧，霍立興等人采用ADINA軟件對(duì)管接頭環(huán)焊縫的殘余應(yīng)力進(jìn)行了二維和三維的殘余應(yīng)力有限元數(shù)值模擬[7]，結(jié)果顯示管接頭環(huán)焊縫在利用二維和三維有限元數(shù)值模擬應(yīng)力分布結(jié)果基本都與實(shí)驗(yàn)一致。雖然國內(nèi)的焊接應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬起步較晚，但是發(fā)展迅速，解決了許多實(shí)際應(yīng)用問題，已經(jīng)成為研究焊接領(lǐng)域不可缺少的部分。

3 異種鋼焊接數(shù)值模擬發(fā)展趨勢(shì)

（1）異種金屬焊接接頭的組織變化情況是比較復(fù)雜，很容易形成粗大晶粒等缺陷。因此，如何改善異種金屬焊接接頭組織仍然是一個(gè)難題。在今后的研究工作中，人們可以從焊材的匹配、冷卻速度的控制和焊后熱處理等方面尋找突破口。異種金屬焊接接頭的力學(xué)性能、高溫性能和腐蝕性能等往往低于母材，并存在復(fù)雜的應(yīng)力分布，其中熔合區(qū)是最薄弱環(huán)節(jié)，如何提高熔合區(qū)的綜合性能是今后異種金屬焊接研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。現(xiàn)代先進(jìn)的檢測(cè)手段和日益發(fā)展的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)將成為主要的研究手段。

（2）目前焊接模擬有從宏觀到微觀不斷發(fā)展的趨勢(shì)：通過之前建立在溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)等基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)宏觀尺度變化的有限元模擬逐漸進(jìn)入到以預(yù)測(cè)焊接構(gòu)件的組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度及微觀尺度的模擬階段。

（3）由起初解決焊接中遇到的共性通用問題發(fā)展到解決難度更大的專業(yè)性問題，包括解決工藝優(yōu)化問題和特種焊接模擬，解決焊接缺陷消除等。

4 結(jié)語

已有的數(shù)值模擬研究成果已經(jīng)使我們對(duì)復(fù)雜的焊接過程有了深入的了解，為解決焊接殘余應(yīng)力帶來了新思路和新方法。因此，我們有理由相信，隨著人們對(duì)焊接殘余應(yīng)力認(rèn)識(shí)的深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]王智慧，劉芳.用彈性有限元方法分析管狀異種鋼焊接接頭的熱應(yīng)力分布[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998.5，18-22.

[2]Canpbell G M Evaluation of Factors Controlling High Temperature Service Life of Crl Mo Steel to Austenitic Stainless Steel Weldments，Trends in Welding Research in United States.Proc. conf.New Odeans.1981.16-18.

[3]閔行，趙挺，王能道.異種鋼接頭焊接殘余應(yīng)力分析及實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，1997.6.

[4]黃建民.有限元技術(shù)的發(fā)展及其在裝備制造業(yè)中的應(yīng)用[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，1（3），2-9.

[5]Vaidyanathan. Residual stress due to circumferential welds.ASME Journal of Engineering；Materials and Technology.1973，73：233-239.

[6]李義.鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力分析[D].武漢理工大學(xué)碩士論文，2004.

[7]董俊慧，霍立興，張玉鳳.環(huán)焊縫管道焊接應(yīng)力應(yīng)變?nèi)S有限元分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001.37（12），84-88.endprint