焊后加載拉應(yīng)力對(duì)細(xì)長板件焊接殘余應(yīng)力場的影響①

朱 亮

(同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海201804)

0 引言

細(xì)長板件的焊接在某些領(lǐng)域運(yùn)用極為頻繁，如地鐵車輛車鉤梁的焊接就屬于細(xì)長板件焊接的范疇.根據(jù)某些地鐵車輛車鉤梁的破壞檢測結(jié)果顯示，焊接殘余應(yīng)力對(duì)其破壞具有一定的影響.因此，對(duì)細(xì)長板件焊接進(jìn)行數(shù)值模擬有著重要的意義.潘華［1］模擬了在焊縫方向加載拉應(yīng)力時(shí)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響，并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果.鹿安理，史清宇等［2］對(duì)焊接過程模擬進(jìn)行了初步研究，選取了合理的邊界條件.張建強(qiáng)［3］提出可以對(duì)焊接熱源進(jìn)行適當(dāng)簡化.本文在前人的研究基礎(chǔ)上本文模擬了在焊接件兩端均被約束的工況下，焊接殘余應(yīng)力的分布情況，以及焊接后在板件上施加拉應(yīng)力之后對(duì)殘余應(yīng)力的影響.研究結(jié)果與文獻(xiàn)［1］符合良好，即在焊接完成后對(duì)板件施加外載能有效減小板件的殘余應(yīng)力.并進(jìn)一步說明，對(duì)細(xì)長板件而言，無論沿焊縫方向施加外應(yīng)力還是垂直于焊縫方向施加外應(yīng)力，均可減小板件的殘余應(yīng)力.

1 焊接溫度場和應(yīng)力場的模擬

本模型采用直接耦合法，同時(shí)計(jì)算出焊接溫度分布和應(yīng)力場分布，計(jì)算至板件完全冷卻后，得到板件的殘余應(yīng)力.

焊接過程中，熱傳導(dǎo)為主要的傳熱方式，焊接熱傳導(dǎo)是一個(gè)典型的不穩(wěn)定傳導(dǎo)問題.其二維熱傳導(dǎo)方程為:

圖1 高斯函數(shù)分布熱源模型

圖2 加載示意圖

式中:x，y為坐標(biāo)值;T為板件溫度;ρ為介質(zhì)密度;c為介質(zhì)比熱容;為導(dǎo)熱系數(shù);Q為內(nèi)熱源的熱量.

圖3 完全冷卻后焊件的應(yīng)力場

熱源模型采用高斯函數(shù)分布模型，如圖1所示.

該模型的表達(dá)式為:

其中，q(r)為距電弧中心 r處的熱流密度(J/s);qmax為電弧中心處最大熱源熱流密度(J/s);K為熱源集中程度系數(shù)(1/mm2);r為圓形熱源內(nèi)某點(diǎn)與中心的距離(mm).

1.1 有限元模型的參數(shù)

由于是細(xì)長板件，厚度對(duì)于焊接件的殘余應(yīng)力無明顯影響，因此采用二維焊接數(shù)值模擬.模擬試件母體的尺寸為20mmx200mm，材料為鋼;填充材料尺寸為2mmx200mm，材料為銅.所選材料的性能參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)［4］選取.焊接速度為6.67mm/s;焊接電流為120A，焊接電壓為25V，熱源效率為0.75.

1.2 模型邊界條件

參照參考文獻(xiàn)［3］設(shè)定模型邊界條件，焊接過程的邊界條件包括溫度場分析的邊界條件和應(yīng)力應(yīng)變分析的邊界條件，在左右端面上各點(diǎn)施加固定x，y向位移約束，在模型各面均施加表面對(duì)流邊界條件，如圖2所示.為簡化模擬過程，根據(jù)參考文獻(xiàn)［2］將焊接熱源等效為一定時(shí)間的帶狀熱源.

圖4 沿x方向加載外載荷示意圖

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 焊接模擬結(jié)果

圖3為焊接完成后板件已經(jīng)完全冷卻至室溫時(shí)的殘余應(yīng)力分布.由圖3a可知，板件的殘余應(yīng)力在板件的中間和兩端的邊緣處達(dá)到最大值，而距離板件邊緣1/8處有較小的殘余應(yīng)力.由圖3b和圖3c可知，焊件沿x方向的應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，而沿y方向的應(yīng)力表現(xiàn)為板件中部收拉，兩端受壓.

2.2 x方向施加拉應(yīng)力之后的模擬結(jié)果分析

為研究在殘余應(yīng)力的影響下，板件工作狀況下的應(yīng)力分布情況.待板件完全冷卻至室溫，對(duì)其在x方向施加載拉力.加載方式見圖4.

取為線性均布載荷，外載荷寬度為整個(gè)板件長度.模擬不同的下加載后，板件的殘余應(yīng)力，模擬結(jié)果如圖5所示.可以看到，在不加載外載時(shí)，板件中部應(yīng)力為220MPa左右，隨著外載的不斷增大，板件中部殘余應(yīng)力不斷減小.當(dāng)外載為80MPa時(shí)，板件中部殘余應(yīng)力減小至110MPa左右，減小至原來的50%.即x方向上適當(dāng)?shù)耐廨d荷能夠顯著減小板件中部的殘余應(yīng)力，但是外載荷對(duì)于板件長度方向約1/4處的殘余應(yīng)力無明顯的減弱效果.

圖5 x方向不同外載下殘余應(yīng)力的分布

圖6 沿y方向加載外載荷示意圖

2.3 y方向施加拉應(yīng)力之后的模擬結(jié)果分析

以下討論沿y方向加載拉應(yīng)力時(shí)，載荷對(duì)殘余應(yīng)力的影響.待板件冷卻至室溫后，按圖6所示方式加載外載荷.加載寬度為焊件母體的寬度，即20mm.

計(jì)算結(jié)果顯示，外載荷對(duì)于板件中部的應(yīng)力有明顯的減弱效果，如圖7所示.不加載外載時(shí)，板件中部殘余應(yīng)力為220MPa左右，當(dāng)外載為5MPa至20MPa時(shí)，板件中部的殘余應(yīng)力達(dá)到最小值，為130MPa左右.繼續(xù)增大外載荷，板件的殘余應(yīng)力將會(huì)增大，即適當(dāng)?shù)耐廨d荷對(duì)板件中部的應(yīng)力有減弱的效果.但是y方向外載荷對(duì)于板件長度1/4處的應(yīng)力無減弱效果.

2.4 模擬結(jié)果作用機(jī)理

機(jī)械拉伸降低板件殘余應(yīng)力的機(jī)理為:

對(duì)于x方向，由于板件的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，因此沿x方向的機(jī)械拉伸能夠強(qiáng)迫板件發(fā)生變形，從而降低x方向的應(yīng)力.

對(duì)于y方向，由于板件中部受拉應(yīng)力，兩邊受壓應(yīng)力，板件在外載荷的作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力.隨著外載荷的增加，板件兩邊壓應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力值逐漸減小進(jìn)而轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力;隨著外載荷的增加，板件的應(yīng)力同時(shí)增大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，卸去外載荷，殘余應(yīng)力即消除.

3 結(jié)論及建議

(1)細(xì)長板件的焊接殘余應(yīng)力主要集中在焊件的中部和沿長度方向的兩端邊緣處，而焊縫附近的殘余應(yīng)力較小.這是因?yàn)楹附舆^程中，焊縫附近材料因溫度較高而發(fā)生屈服.而中部和兩端邊緣處因溫度較低未發(fā)生屈服，冷卻后，因焊件收縮導(dǎo)致產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力.

(2)沿寬度方向和長度方向適當(dāng)?shù)耐饧虞d荷均能夠降低板件中部的殘余應(yīng)力.

圖7 y方向不同外載下殘余應(yīng)力的分布

(3)外載荷對(duì)于焊件長度約1/4處的殘余應(yīng)力無明顯地減弱效果.

［1］潘華.局部加載拉應(yīng)力對(duì)平板焊接殘余應(yīng)力場的影響［J］.焊接學(xué)報(bào)，2008，29(8):101 －104.

［2］鹿安理，史清宇，趙海燕，等.厚板焊接過程溫度場、應(yīng)力場的三維有限元數(shù)值模擬［J］.中國機(jī)械工程，2001，12(2):183－186.

［3］張建強(qiáng).焊接應(yīng)力與變形的數(shù)值模擬方法及應(yīng)用［C］.第十次全國焊接會(huì)議論文集(第二冊(cè))，2001.

［4］陳洪蓀.金屬材料物理性能手冊(cè)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1987.

［5］張錦洲，熊禾根，楊雄.基于移動(dòng)高斯熱源的平板對(duì)接焊縫數(shù)值模擬［J］.熱加工工藝，2013，42(9):163－165.

［6］妖杞，羅震.焊接工藝對(duì)T形接頭構(gòu)件焊接應(yīng)力分布的影響［J］.焊接技術(shù)，2013，42(2):17－20.