超聲沖擊消除高強(qiáng)鋼焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬研究

李良碧，萬正權(quán)

（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.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫214082）

超聲沖擊消除高強(qiáng)鋼焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬研究

李良碧1，萬正權(quán)2

（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.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫214082）

焊接殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性帶來不利的影響，而超聲沖擊能較有效地消除大型焊接結(jié)構(gòu)殘余拉應(yīng)力，起到大幅增加結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的作用。該文首先采用熱彈塑性方法對(duì)超聲沖擊前的高強(qiáng)鋼平板焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，然后采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)焊接殘余應(yīng)力的超聲沖擊消除進(jìn)行三維仿真研究，最后對(duì)超聲沖擊前后殘余應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析研究。由分析結(jié)果可知：超聲沖擊前高強(qiáng)鋼平板焊縫附近存在較大的殘余拉應(yīng)力，呈雙峰分布；超聲沖擊后較大的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力；數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致。并且，平板厚度方向的應(yīng)力經(jīng)過超聲沖擊后表現(xiàn)為應(yīng)力的均勻化。文中研究結(jié)果可為高強(qiáng)鋼大型焊接結(jié)構(gòu)超聲沖擊消除殘余應(yīng)力進(jìn)行合理評(píng)估和后續(xù)進(jìn)行相關(guān)力學(xué)特性研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

超聲沖擊；高強(qiáng)鋼；焊接殘余應(yīng)力；數(shù)值模擬

0 引 言

由于高強(qiáng)鋼在焊后存在較大的焊接殘余應(yīng)力，它直接影響到焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。近幾十年來，人們已研究了許多改善焊接接頭殘余應(yīng)力的方法，諸如，熱處理法、焊縫滾壓法、機(jī)械拉伸法、錘擊法、噴丸法和振動(dòng)時(shí)效法等。但是，對(duì)于大型焊接件如大型水下耐壓結(jié)構(gòu)和橋梁等，上述方法就不合適。因此，隨著高強(qiáng)鋼在大型焊接結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，尋求改善或消除大型高強(qiáng)鋼焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力的方法是非常必要的。

超聲沖擊法是一種焊后改善焊接接頭殘余應(yīng)力的新工藝。研究表明，這種方法的適用場(chǎng)合很廣，不僅可以有效地應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)的制造過程中，而且可以應(yīng)用于安裝現(xiàn)場(chǎng)；不僅可以處理低碳鋼及鋁合金，而且也可以用于處理高強(qiáng)鋼焊接接頭；超聲沖擊通過改善焊縫外形，減少焊趾應(yīng)力集中；改變殘余應(yīng)力分布，在焊縫區(qū)產(chǎn)生壓應(yīng)力層，形成有利的殘余壓應(yīng)力；改善焊縫表面層性能，防止缺口與空氣或其它腐蝕介質(zhì)接觸，從而改善焊接接頭的疲勞性能。

與傳統(tǒng)的焊后處理方法相比，該方法適用面廣、作用效果顯著，而且執(zhí)行機(jī)構(gòu)輕巧、可控性好、使用方便靈活、效率高、應(yīng)用時(shí)受限少，適用于各種接頭形式、成本低，是一種較理想的焊后改善焊接接頭殘余應(yīng)力的措施。超聲沖擊改善焊接殘余應(yīng)力的機(jī)理雖與錘擊法和噴丸法在某些方面相一致，但在一定程度上還是存在著很大的差異。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)超聲沖擊法的應(yīng)用研究尚處于起步階段，如何合理分析超聲沖擊機(jī)的作用機(jī)理和確定超聲沖擊處理的工藝參數(shù)，為超聲沖擊機(jī)的實(shí)際應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)已提上議事日程。

Mordyuk等人[1]用二維有限元分析了經(jīng)超聲沖擊處理后鈦合金表面的應(yīng)變變化。Ma Gang等人[2]用三維有限元模擬了超聲沖擊消除不銹鋼殘余應(yīng)力。張曉等人[3]采用靜態(tài)加載方法處理超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力的效果。李進(jìn)一[4]和陳健[5]等采用三維有限元方法分別模擬了超聲沖擊針頭對(duì)不銹鋼和鋁合金板在超聲沖擊后的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布?？傮w來說，目前采用試驗(yàn)方法研究超聲沖擊對(duì)高強(qiáng)鋼焊接殘余應(yīng)力影響效果的較多[6-7]，而采用數(shù)值模擬研究其效果的文獻(xiàn)還是偏少。

本文對(duì)高強(qiáng)度鋼平板的焊接殘余應(yīng)力超聲沖擊消除采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行三維仿真研究，并將超聲消除高強(qiáng)度鋼平板焊接殘余應(yīng)力的預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。其研究方法可為大型高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理評(píng)估超聲沖擊消除殘余應(yīng)力提供理論基礎(chǔ)和研究方法。

1 超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力及數(shù)值模擬方法

1.1 超聲沖擊法消除焊接殘余應(yīng)力原理

超聲波沖擊的原理就是通過超聲波發(fā)生器將50 Hz的交流電轉(zhuǎn)變成超聲頻的20 kHz交流電，用以激勵(lì)聲學(xué)系統(tǒng)的換能器[8]。聲學(xué)系統(tǒng)則將電能轉(zhuǎn)換成相同頻率的機(jī)械振動(dòng)，在自重及外界所施加的一定壓力作用下，將這部分超聲頻的機(jī)械振動(dòng)傳遞給工件上的焊縫。它使以焊趾為中心的一定區(qū)域的焊接接頭表面產(chǎn)生足夠深度的塑變層，表面應(yīng)力從拉應(yīng)力可轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，塑性變形層可提高疲勞性能，增加腐蝕疲勞強(qiáng)度。并且超聲沖擊形成較大數(shù)值的有利于疲勞強(qiáng)度提高的表面壓應(yīng)力，致使沖擊處理后的接頭疲勞強(qiáng)度得以提高[6]。

超聲沖擊對(duì)一定深度的表層有消除應(yīng)力的效果，采用對(duì)焊道全覆蓋沖擊時(shí)，被沖擊的表面會(huì)形成較大數(shù)值的壓應(yīng)力。此外，采用焊趾沖擊法，可以快速修復(fù)焊趾的缺陷，降低應(yīng)力集中，并伴隨其壓應(yīng)力區(qū)的作用可以在一定程度上降低焊趾邊未受沖擊焊縫的殘余應(yīng)力，對(duì)提高接頭的疲勞壽命有明顯作用。

1.2 超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬方法

超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力由于其作用時(shí)間短、沖擊力強(qiáng)特點(diǎn)，可將其作用過程簡(jiǎn)化為非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行研究。由于超聲沖擊機(jī)形成的瞬時(shí)沖擊壓力峰值非常高，而壓力作用時(shí)間卻非常短暫。當(dāng)被沖擊的表面被這樣的沖擊壓力作用后，擾動(dòng)波迅速地傳到材料內(nèi)部，即所謂的“應(yīng)力波傳遞”。本文采用大型有限元ANSYS軟件中的有限元隱式積分的完全求解方法來捕捉應(yīng)力波響應(yīng)。該方法能有效地解決瞬時(shí)高速的動(dòng)力學(xué)問題。

超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬過程分兩部分：

（1）首先進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的熱彈塑分析，求得焊接殘余應(yīng)力的分布和大小，做為后續(xù)計(jì)算的初始內(nèi)應(yīng)力；

（2）然后根據(jù)超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力的特點(diǎn)，采用多載荷步，運(yùn)用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)來分析超聲沖擊的全過程。

2 超聲沖擊法消除焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬

數(shù)值模擬流程如下：

（1）建立高強(qiáng)鋼焊接平板的熱—應(yīng)力分析三維模型；

（2）采用ANSYS軟件自帶的APDL語言編程，運(yùn)用生死單元技術(shù)和多道焊對(duì)焊接平板模型進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算，得到平板焊接殘余應(yīng)力的分布場(chǎng)[9]；

（3）根據(jù)實(shí)際情況，在焊接殘余應(yīng)力的平板模型焊縫處施加與超聲沖擊作用相一致的的振幅，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，模擬超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力的效果；

（4）得到模擬超聲沖擊后的重新分布的平板焊縫附近的殘余應(yīng)力場(chǎng)。

其具體流程見圖1。

圖1 模擬流程圖Fig.1 Simulation flow chart

2.1 有限元模型

研究對(duì)象為兩塊125 mm×250 mm×38 mm的平板焊接而成。根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)，焊縫的尺寸為10 mm× 250 mm×38 mm。在實(shí)際焊接時(shí)，焊縫為雙面X型坡口，為簡(jiǎn)化計(jì)算和減少計(jì)算量，在不影響計(jì)算精度的情況下，數(shù)值模擬時(shí)采用直焊縫進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算研究。如圖2所示。

2.2 焊接過程模擬相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

（1）材料參數(shù)

模型材料選用的是某高強(qiáng)鋼，主要化學(xué)成分為見表1。材料的熱物理特性（比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等）的數(shù)據(jù)對(duì)于焊接殘余應(yīng)力分析是非常重要的，直接影響計(jì)算結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。本文參照某高強(qiáng)度鋼各個(gè)材料特性均隨溫度變化的數(shù)據(jù)（表2和圖3），圖3為隨溫度變化的材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線，并假定焊縫和平板的材料為同一種材料。

（2）焊接初始條件

考慮實(shí)際焊接情況，給定平板的初始溫度及環(huán)境溫度為25℃。

（3）焊接邊界條件

計(jì)算焊接溫度場(chǎng)時(shí)對(duì)流放熱系數(shù)為62.5 W/m2℃；并模擬實(shí)際中角焊的固定方式，整個(gè)結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)沒有剛體位移。

圖2 對(duì)接焊平板模型示意圖Fig.2 The model of welding plate of butt joint

表1 某鋼的主要化學(xué)成分（%）Tab.1 Main chemical composition of a steel(%)

表2 高強(qiáng)度鋼材料的物理特性Tab.2 Main chemical composition of a steel

圖3 隨溫度T變化的材料應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.3 A stress strain curve of material with the different T

（4）單元類型

本文熱分析時(shí)選用無中間節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體單元，在此采用SOLID70單元，在完成熱分析后，熱分析單元可以通過ANSYS中的etchg命令直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元SOLID45單元。

（5）網(wǎng)格劃分

由考慮模型厚度的尺寸和實(shí)際焊接工藝過程，分五道焊縫進(jìn)行焊接模擬，也就是厚度方向均分為5層[9]，平板的網(wǎng)格尺寸如圖4所示。在應(yīng)力比較大的地方網(wǎng)格劃分得比較密集，在遠(yuǎn)離焊縫的地方，應(yīng)力變化不大，因此網(wǎng)格劃分得比較疏松。

（6）確定焊接加熱和冷卻的時(shí)間及步長(zhǎng)控制

整個(gè)求解計(jì)算過程共分加熱和冷卻兩個(gè)部分。焊縫為250 mm的高強(qiáng)度鋼平板每道焊縫的焊接過程為120 s，5道焊縫的加熱過程共用600 s完成，加熱時(shí)每4 s為一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。冷卻總時(shí)間設(shè)置為6 600 s[9]。

2.3 超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力過程模擬相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

（1）材料參數(shù)

模型材料同2.1節(jié)，只是選取常溫25°下的材料相關(guān)特性。

（2）加載

超聲沖擊的物理過程不能被瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析所模擬，例如超聲沖擊過程中的溫度升高，并以極快的速度冷卻，使能量作用區(qū)的表面層金屬的相位組織發(fā)生一定的變化等。超聲沖擊機(jī)的的特點(diǎn)是單位時(shí)間內(nèi)輸入能量高，實(shí)施設(shè)備裝置的比能量（輸出能量與裝置質(zhì)量之比）大。這是因?yàn)槌暃_擊振動(dòng)裝置的振動(dòng)加工頻率可高達(dá)18～27 kHz。在沖擊針頭可自由行程的沖擊裝置中，振動(dòng)振幅可達(dá)100～120 μm。針頭與被加工件的接觸，作用時(shí)間極短，一般為10-5～3×10-5s[10]。

所以，在本文的模擬中，根據(jù)超聲沖擊機(jī)的頻率，選擇超聲沖擊周期為10-5s和100 μm的振幅作用在焊縫區(qū)域（圖5），對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)沖擊的數(shù)值模擬分析。

（3）邊界條件和其它

由于超聲沖擊過程的非線性作用很明顯，所以在ANSYS分析中設(shè)置Nlgeom=Yes。為了估算初始焊接殘余應(yīng)力的影響效果，在有限元中導(dǎo)入熱力學(xué)分析的最后一步結(jié)果，定義為初始?xì)堄鄳?yīng)力。

圖4 模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Mesh generation of a model

圖5 超聲沖擊區(qū)域示意圖Fig.5 A region under ultrasonic impact

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果

因?yàn)楹笃趯?duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)特性分析時(shí)，垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力σx對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響較大。因此，本文主要研究該方向的殘余應(yīng)力。

（1）超聲沖擊前

圖6為超聲沖擊前垂直焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力σx分布。從圖6中可以看到，最大應(yīng)力發(fā)生在邊界處，這主要是由于邊界固定的影響，在四個(gè)角上產(chǎn)生了應(yīng)力集中。σx在熔合線附近達(dá)到最大，并沿焊縫對(duì)稱，呈雙峰形態(tài)，最大焊接殘余拉應(yīng)力σx達(dá)到500 MPa左右，而在熔合線附近以外的地方應(yīng)力值很小，如圖9中實(shí)心方塊所標(biāo)識(shí)的曲線。并且焊縫附近殘余應(yīng)力在平板表面較高，呈焊接殘余拉應(yīng)力，而在平板沿厚度方向中間呈殘余壓應(yīng)力，在沿板厚中部壓應(yīng)力達(dá)到300 MPa左右，如圖7和圖8所示。

圖6 超聲沖擊前的垂直焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力分布Fig.6 The welding residual stresses perpendicular to welding line before ultrasonic impact

（2）超聲沖擊后

進(jìn)行超聲沖擊后的垂直焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力σx分布如圖7所示。圖9中實(shí)心方塊和實(shí)心三角形所標(biāo)識(shí)的曲線為超聲沖擊前后與焊縫垂直方向的焊接殘余應(yīng)力σx對(duì)比圖。圖8中為超聲沖擊前后沿焊縫區(qū)域厚度方向的σx焊接殘余應(yīng)力對(duì)比圖。

圖7 超聲沖擊后的垂直焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力分布Fig.7 The welding residual stresses perpendicular to welding line after ultrasonic impact

圖8 超聲沖擊前后沿厚度方向的焊接殘余應(yīng)力分布Fig.8 The welding residual stresses along thickness direction before and after ultrasonic impact

圖9 超聲沖擊前后焊接殘余應(yīng)力σx數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值結(jié)果的對(duì)比圖Fig.9 The comparison of welding residual stresses σxof simulation and experiment before and after ultrasonic impact

從圖7～9中可看出：

（1）經(jīng)過超聲沖擊后，超聲沖擊部位的焊接殘余拉應(yīng)力明顯下降；

（2）被超聲沖擊過的區(qū)域從殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力，并且壓應(yīng)力幅值較大；

（3）在超聲沖擊區(qū)域附近30 mm左右的范圍，焊接殘余拉應(yīng)力值也明顯下降；

（4）遠(yuǎn)離超聲沖擊的區(qū)域，焊接殘余拉應(yīng)力值也有不同程度的下降；

（5）經(jīng)過超聲沖擊后，超聲沖擊前平板近表面附近較大的焊接殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為數(shù)值不等的殘余壓應(yīng)力。

（6）從圖8還可以看出，平板厚度中間的焊接殘余壓應(yīng)力則轉(zhuǎn)化為較小的殘余拉應(yīng)力，因此平板厚度方向的殘余應(yīng)力經(jīng)過超聲沖擊后表現(xiàn)為應(yīng)力的均勻化。

3.2 焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)圖2所示平板進(jìn)行超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力試驗(yàn)研究[11]。圖9為超聲沖擊前后焊接殘余應(yīng)力σx數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值結(jié)果的對(duì)比圖。試驗(yàn)所測(cè)得的殘余應(yīng)力為表面殘余應(yīng)力，平板內(nèi)部殘余應(yīng)力受試驗(yàn)條件限制，目前不能進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

從圖9可以看出超聲沖擊模擬前，焊接殘余應(yīng)力σx數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本相一致。超聲沖擊后，焊接殘余應(yīng)力σx的數(shù)值模擬分布形態(tài)也和試驗(yàn)結(jié)果相一致，并且數(shù)值也相接近。

綜上所述，超聲沖擊數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致。所以，用瞬態(tài)沖擊有限元方法來進(jìn)行超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬是合理和可行的。

4 結(jié) 語

本文采用有限元瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)超聲沖擊對(duì)平板焊接殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。從模擬結(jié)果可看出，經(jīng)過超聲沖擊后，超聲沖擊部位的焊接殘余拉應(yīng)力明顯下降，殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為殘余壓應(yīng)力，而且幅值較大，這與試驗(yàn)結(jié)果是相一致的。并且超聲沖擊前平板沿厚度中間的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化為較小的拉應(yīng)力，厚度方向的應(yīng)力均勻化。因此，用瞬態(tài)沖擊有限元方法來進(jìn)行超聲沖擊消除焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬是可行的。

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Numerical simulation on ultrasonic impact treatment on welding residual stress of high strength steel

LI Liang-bi1,WAN Zheng-quan2
(1.School of Navy Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003, China;2.China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Welding residual stress is a deficiency for mechanical properties of structure.Ultrasonic impact treatment(UIT)could eliminate welding residual tensile stress effectively,so it might largrly increase fatigue strength of structure.In this paper,the welding residual stress of a welding plate of high strength steel before UIT is calculated using the thermal elastic-plastic method,and then a 3D simulation of eliminating welding residual stress with UIT is studied by transient dynamic analysis method.Finally,it is compared with experiment results before and after UIT.The results show that it exist large residual tensile stress near the welding line before UIT,and it presents double peak value.After UIT the large residual tensile stress changes to residual compressive stress,and the results of simulation agrees with those of experiments. Moreover,it presents tendency of stress equalization.These results would provide a theretical basis and technical method for reasonable assessment of eliminating welding residual stress with UIT and follow-up study of relative research of mechanical properties.

ultrasonic impact;high strength steel;welding residual stress;numerical simulation

U661.4

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2016.07.010

1007-7294（2016）11-1433-08

2016-05-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51479084，51109110）

李良碧（1971-），女，博士，副教授，E-mail：liniangbi@163.com；萬正權(quán)（1962-)，男，博士，研究員，E-mail：zqwans@eyou.com。