焊接余高對(duì)錐柱耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭殘余應(yīng)力數(shù)值的計(jì)算影響

李良碧，張亦文

（1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212003）

焊接余高對(duì)錐柱耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭殘余應(yīng)力數(shù)值的計(jì)算影響

李良碧1，2，張亦文1

（1.江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212003）

錐柱耐壓結(jié)構(gòu)屬于大型焊接結(jié)構(gòu)，在其焊接部位存在焊接殘余應(yīng)力。焊接完成后，焊縫區(qū)域會(huì)留有一定的焊接余高，焊接余高對(duì)殘余應(yīng)力數(shù)值分析結(jié)果有著不可忽略的影響，因此有必要針對(duì)焊接余高對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行相關(guān)研究。選取高強(qiáng)度鋼錐柱耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭試件為研究對(duì)象，利用有限元軟件ANSYS的APDL語言編寫焊接模擬程序，建立考慮焊接余高的有限元模型和不考慮焊接余高的有限元模型，通過比較兩種模型計(jì)算結(jié)果，研究焊接余高對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響，并且得到初始焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律；采用X射線無損檢測法測量焊縫區(qū)表面的殘余應(yīng)力。結(jié)果表明：不考慮焊接余高時(shí)，數(shù)值分析所得應(yīng)力分布與考慮焊接余高時(shí)應(yīng)力分布存在很大差異，焊接余高對(duì)焊接殘余應(yīng)力分布的影響不可忽略。試驗(yàn)的測量結(jié)果符合理論和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，與考慮焊接余高時(shí)的數(shù)值模擬所得結(jié)論基本一致。焊接余高的影響對(duì)研究焊接殘余應(yīng)力有很重要的意義，并且對(duì)后續(xù)考慮殘余應(yīng)力影響的疲勞強(qiáng)度計(jì)算有著重要的參考價(jià)值。

錐柱耐壓殼；焊接殘余應(yīng)力；焊接余高；數(shù)值模擬；X射線無損檢測；高強(qiáng)度鋼

0 前言

隨著海洋工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，海洋資源越來越得到廣泛的關(guān)注，隨著海洋資源的開發(fā)由淺海向深海的不斷深入，水下耐壓結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越普遍。由于下潛深度的不斷增加，在不改變原有基本結(jié)構(gòu)的情況下，就必須采用高強(qiáng)度鋼建造水下耐壓結(jié)構(gòu)，高強(qiáng)度鋼在滿足屈服強(qiáng)度的同時(shí)也降低了塑性和韌性等指標(biāo)，對(duì)疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響[1-7]。水下耐壓結(jié)構(gòu)的凸錐和凹錐環(huán)焊縫處是疲勞危險(xiǎn)區(qū)域，易產(chǎn)生疲勞斷裂。由于焊接過程會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，而焊縫區(qū)域在完成焊接后都會(huì)留有一定的焊接余高，這對(duì)焊接殘余應(yīng)力的分布有著很重要的影響。因此有必要針對(duì)焊接余高對(duì)錐柱耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行研究，其結(jié)果對(duì)疲勞強(qiáng)度的研究具有十分重要的參考價(jià)值。

1 焊接過程有限元分析基本理論

1.1 焊接溫度場

焊接件的溫度分布是坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)[8]

式中 x、y、z為空間坐標(biāo)；t為時(shí)間坐標(biāo)。

由于焊接是一個(gè)局部快速加熱到高溫，并隨后快速冷卻的過程。焊接過程中，整個(gè)焊接件的溫度隨時(shí)間和空間急劇變化，材料性能隨之發(fā)生劇烈變化，同時(shí)還存在熔化和相變時(shí)的潛熱現(xiàn)象。因此，焊接溫度場的分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題[9]。

三維非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題的控制方程為

式中 c為材料比熱容；ρ為材料密度；k為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度場分布函數(shù)；Q為內(nèi)熱源強(qiáng)度；t為傳熱時(shí)間。這些參數(shù)中k、ρ、c隨溫度變化。

1.2 焊接應(yīng)力場

由于焊接過程是一個(gè)瞬間加熱再冷卻的過程，焊件將發(fā)生變形，材料力學(xué)性能也隨著溫度變化很不穩(wěn)定，屬于非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。由于焊接是高溫加熱的過程，在這個(gè)過程中材料將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形。材料處于彈塑性狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為

式中 dσ為應(yīng)力增量；dε為應(yīng)變增量；D為彈性或彈塑性矩陣；C為與溫度有關(guān)的向量。

2 錐柱耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭殘余應(yīng)力數(shù)值模擬

2.1 簡化假定

選用熱彈塑性模型，在熱-彈塑性理論的基礎(chǔ)上作如下假定：（1）焊件材料的屈服行為服從米塞斯（Von Mises）屈服準(zhǔn)則；（2）塑性區(qū)內(nèi)的行為服從塑性流動(dòng)準(zhǔn)則和強(qiáng)化準(zhǔn)則；（3）彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變與溫度應(yīng)變不可分；（4）受溫度影響的力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變在微小的時(shí)間增量內(nèi)為線性變化。

2.2 幾何模型尺寸及有限元模型

典型焊接接頭模型由兩塊尺寸300 mm×100mm× 22 mm和一塊尺寸為150 mm×100 mm×22 mm的高強(qiáng)度鋼平板焊接而成，焊接角度27°，焊接采用對(duì)接焊，焊縫為尺寸22 mm×100 mm×22 mm的直焊縫。本研究在使用有限元軟件ANSYS建立該試件的兩種有限元模型，模型一是理想焊接模型，模型二是考慮到焊縫處實(shí)際焊接余高的模型，如圖1～圖4所示。

2.3 材料參數(shù)

試件材料為高強(qiáng)度鋼，屈服強(qiáng)度860 MPa，彈性模量2.1×105MPa，焊縫處材料也選用相同的材料。該高強(qiáng)度鋼在典型溫度下的材料性能和力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 某高強(qiáng)度鋼的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of high tensile strength steel

圖1 有限元模型一Fig.1 Finite element modeling of the model 1

圖2 模型一網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh model of model 1

圖3 有限元模型二Fig.3 Finite element modeling of the model 2

圖4 模型二網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh model of model 2

表2 某高強(qiáng)度鋼材料的應(yīng)力應(yīng)變特性Tab.2 Relationship of stress and strain of high tensile strength steel

2.4 熱源和邊界條件

焊接數(shù)值模擬過程中，初始溫度值設(shè)為室溫25℃；焊件表面所施加對(duì)流荷載放熱系數(shù)為62.5 W/m·2℃。焊接時(shí)將兩端的四條邊固定。為了準(zhǔn)確模擬焊接過程中焊縫金屬的熔化與填充過程，利用生死單元方法模擬焊縫金屬的填充和焊接熱的輸入。

3 焊接余高對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響

通過計(jì)算得到模型一和模型二的初始焊接殘余應(yīng)力，由于垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力是影響結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要應(yīng)力，所以重點(diǎn)研究垂直于焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力（即x方向），將兩個(gè)模型的凹錐表面焊縫附近垂直于焊縫各點(diǎn)的x方向殘余應(yīng)力繪成曲線，如圖5、圖6所示。由圖5可知，在沒有考慮焊接余高時(shí)，凹錐表面x方向殘余應(yīng)力呈單峰分布，殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊縫中心線處；但實(shí)際的焊接結(jié)構(gòu)存在一定的焊接余高，在加入焊接余高的影響后可以從圖6中發(fā)現(xiàn)，實(shí)際殘余應(yīng)力呈雙峰分布，其殘余應(yīng)力的最大值位于焊縫兩側(cè)熔合線處。因此，焊接余高直接影響錐柱耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭的殘余應(yīng)力的分布，在進(jìn)行數(shù)值模擬的時(shí)不能忽略。

4 錐柱耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭殘余應(yīng)力試驗(yàn)

4.1 X射線無損檢測原理

本試驗(yàn)采用X射線應(yīng)力測試儀來測量上述錐柱耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭焊接危險(xiǎn)區(qū)域的殘余應(yīng)力。X射線衍射法是一種無損測量焊接殘余應(yīng)力的技術(shù)，由于它比有損測量法要精確很多，所以在試驗(yàn)研究中應(yīng)用越來越多。其測量原理基于X射線衍射理論。當(dāng)一束具有一定波長的X射線照射到多晶體上時(shí)，會(huì)在一定的角度上接收到反射的X射線強(qiáng)度極大值（即所謂衍射峰），這便是X射線衍射現(xiàn)象。X射線的波長、衍射晶面間距和衍射角之間遵從著名的布拉格定律：

圖5 模型一凹錐表面x方向殘余應(yīng)力分布Fig.5 Distribution of welding residual stress in x direction on concave cone surface of model 1

圖6 模型二凹錐表面x方向殘余應(yīng)力分布Fig.6 Distribution of welding residual stress in x direction on concave cone surface of model 2

若已知射線波長λ，上式就可以將衍射角2θ與晶面間距d建立確定的關(guān)系。焊接構(gòu)件中必然有焊接殘余應(yīng)力σ存在時(shí)，其晶面間距必然隨晶面與應(yīng)力相對(duì)取向的不同而有所變化，按照布拉格定律，衍射角2θ也會(huì)相應(yīng)改變。X射線應(yīng)力儀可準(zhǔn)確地測出2θ的變化，然后經(jīng)由彈性力學(xué)方程計(jì)算得到殘余應(yīng)力σ的大小。

4.2 測試步驟

由于試件長期放置在空氣中，其表面必定形成一層氧化膜、生銹、沾染以及其他雜質(zhì)，所以在測量之前要對(duì)試件進(jìn)行處理，具體檢測步驟為：

（1）采用電動(dòng)打磨機(jī)打磨要測量的焊縫及周圍區(qū)域，去除表面的鐵銹和氧化層，使試件該部位露出光潔的表面。

（2）使用記號(hào)筆在測試區(qū)域劃出坐標(biāo)系，標(biāo)定各測點(diǎn)并編號(hào)。

（3）由于電動(dòng)打磨機(jī)打磨時(shí)對(duì)測試表面產(chǎn)生人為應(yīng)力，為避免其影響檢測結(jié)果，需用電解拋光機(jī)對(duì)測點(diǎn)處進(jìn)行電解拋光處理，腐蝕深度約為200μm。完成后，用酒精擦拭其表面，保持干燥。

（4）用X射線應(yīng)力測定儀測量殘余應(yīng)力，依次測量每個(gè)測點(diǎn)。

圖7 測點(diǎn)布置Fig.7 Sketch map of the weld measurement points

5 數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)測量結(jié)果

圖8和圖9分別為考慮焊接余高時(shí)凹錐和凸錐表面焊縫區(qū)域x方向焊接殘余應(yīng)力分布的數(shù)值模擬曲線及試驗(yàn)測量曲線。

在凹錐表面，試件在熱影響區(qū)殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉伸應(yīng)力，在焊縫熔合線處殘余應(yīng)力均達(dá)到最大值，與有限元預(yù)測的結(jié)果吻合，隨著遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，殘余應(yīng)力迅速減小，這與有限元模擬的結(jié)果也相一致，整個(gè)應(yīng)力場呈雙峰分布的趨勢。試驗(yàn)中測得的殘余應(yīng)力稍低于數(shù)值模擬值，但整體趨勢無異，造成這一現(xiàn)象的原因是：試件加工出來后在搬運(yùn)過程中難免發(fā)生一些碰撞，殘余應(yīng)力獲得了一定程度的釋放，因此測得的殘余應(yīng)力普遍偏??；本研究在測量殘余應(yīng)力時(shí)使用的是X射線測量方法，在對(duì)試件測量前要電解腐蝕試件，這要求焊縫處較為平滑，因此打磨試件時(shí)，將原本凸出的焊縫打磨得十分平滑，因此產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力，這也是導(dǎo)致測得的殘余應(yīng)力值普遍偏小的原因。

圖8 凹錐表面殘余應(yīng)力測量值與模擬值對(duì)比Fig.8 Comparison of measured results and simulative results on concave cone surface

圖9 凸錐表面殘余應(yīng)力測量值與模擬值對(duì)比Fig.9 Comparison of measured results and simulative results on convex cone surface

在凸錐表面，試件在熱影響區(qū)殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力在焊縫中心處達(dá)到最大值，并且隨著遠(yuǎn)離焊縫，殘余壓應(yīng)力迅速減小并趨于零，整個(gè)應(yīng)力場分布呈單峰分布，試驗(yàn)測量結(jié)果與有限元模擬所得結(jié)論一致。

6 結(jié)論

采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了焊接余高對(duì)焊接殘余應(yīng)力分布的影響以及殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。

（1）在對(duì)錐柱耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭試件的初始焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行有限元分析時(shí)，要注意考慮焊接件焊縫處實(shí)際的焊接余高，焊接余高對(duì)殘余應(yīng)力的分布有著很大的影響，在有限元分析時(shí)不可忽略。

（2）錐柱耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭試件凹錐表面焊縫區(qū)域存在較大的拉伸殘余應(yīng)力，x方向殘余應(yīng)力呈雙峰分布，峰值位于熔合線附近，隨著遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，殘余應(yīng)力迅速降低并趨于零；凸錐表面焊縫區(qū)域焊接殘余應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，殘余應(yīng)力呈單峰分布，最大壓應(yīng)力位于焊縫中心處，隨著遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，壓應(yīng)力迅速減小并趨于零。

（3）X射線試驗(yàn)測量結(jié)果與有限元數(shù)值模擬結(jié)果相一致，所提出的數(shù)值模擬焊接殘余應(yīng)力的方法具有一定的理論參考意義，可以作為后續(xù)研究殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命影響的基礎(chǔ)。

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The influence of welding reinforcement on numerical calculation of residual stresses of typical welded joints of cone-cylinder pressure structure

LI Liangbi1，2，ZHANG Yiwen1
（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；2.Jiangsu Modern Shipbuilding Technology Co.，Ltd.，Zhengjiang 212003，China）

Thecone-cylinderpressurestructurebelongstothelargeweldingstructures，andthereareweldingresidualstressesinitswelding parts.After welding，the weld region will have a certain welding reinforcement，and the numerical analysis of residual stress is affected by welding reinforcement，so it is necessary to carry out research on the effect of welding reinforcement to welding residual stresses.Typical weldedjointsofcone-cylinderpressurestructureofhighstrengthsteelisselectedastheresearchobject，andAPDLlanguageoffiniteelement softwareANSYSisusedtoimproveaweldingsimulationprogram.Finite element model with welding reinforcement and finite element model without welding reinforcement is built.By comparing the calculation results of the two models，the influence of welding reinforcement on weldingresidualstressesandtheinitialweldingresidualstressdistributionisstudied.Then，X-raynondestructivedetectionmethodisusedto test the residual stresses on the surface of the weld zone.The numerical results show that the distribution of the stress with welding reinforcement is different from the distribution of the stress without welding reinforcement，and the effect of welding reinforcement on distributionofweldingresidualstresscannotbeignored.Thetestresultsareconsistentwithsimulativeresultsofthefiniteelementmodelwithwelding reinforcement.The influence of welding reinforcement is very important to the study of welding residual stresses，and it will have an importantreferencevaluetocalculationoffatiguestrengthconsideringweldingresidualstresses.

cone-cylinder pressure hull；welding residual stress；welding reinforcement；numerical simulation；X ray nondestructive test；high-strength steel

TG404

：A

：1001-2303（2015）10-0007-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.02

2015-02-12；

：2015-04-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51109100，51479084）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2011508）；江蘇科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金（1012921003）

李良碧（1971—），女，江蘇鎮(zhèn)江人，副教授，主要從事焊接殘余應(yīng)力及疲勞強(qiáng)度的研究工作。