雷 陳,熊建坤,冷進(jìn)明
(東方汽輪機(jī)有限公司,四川德陽(yáng)618200)
由于焊接過程是一個(gè)局部的不均勻加熱、冷卻過程,受焊縫及近縫區(qū)溫度場(chǎng)的影響,轉(zhuǎn)子內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)大小不等、分布不均勻的殘余應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)[1-2]。焊接殘余應(yīng)力不但可能引起熱裂紋、冷裂紋、脆性斷裂等工藝缺陷,而且在一定條件下會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、受壓時(shí)的穩(wěn)定性、加工精度和尺寸穩(wěn)定性等[3-4]。焊接過程中施加的局部熱輸入是引起殘余應(yīng)力和焊接變形的根源。溫度場(chǎng)變化造成的熱應(yīng)變以及顯微組織變化引起的相變應(yīng)變決定了焊接殘余應(yīng)力的分布水平[5]。焊接殘余應(yīng)力是直接影響構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能、安全可靠性的重要因素[6]。在進(jìn)行焊接生產(chǎn)和修復(fù)工程中,需要特別關(guān)注焊接殘余應(yīng)力的分布和水平,以降低其危害,保證設(shè)備的安全運(yùn)行。
焊接轉(zhuǎn)子制造過程中由9道焊縫將10個(gè)鍛件焊接在一起,每一道焊縫的變形會(huì)產(chǎn)生疊加作用,從而對(duì)轉(zhuǎn)子整體尺寸造成較大影響。研究轉(zhuǎn)子變形情況,分析其變形規(guī)律及影響因素,對(duì)焊接轉(zhuǎn)子制造工藝和質(zhì)量控制具有十分重要的意義。本研究采用有限元方法建立焊接轉(zhuǎn)子焊接和熱處理過程的數(shù)值模型,分析其焊接過程中應(yīng)力應(yīng)變的分布與變化情況。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證有限元建模方法的正確性和可靠性,從而將有限元方法應(yīng)用于轉(zhuǎn)子產(chǎn)品焊接變形和殘余應(yīng)力的研究與分析中。
由于轉(zhuǎn)子是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),在建模時(shí)采用熱-彈塑性軸對(duì)稱單元,近縫區(qū)網(wǎng)格尺寸為1 mm×1 mm,共18 267個(gè)單元。采用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,建模過程中采用生死單元技術(shù)模擬焊縫金屬的填充過程,隨著焊縫金屬的填充,代表焊道的單元逐漸被激活。焊縫區(qū)共劃分83道焊縫,其中1~9道為TIG焊道,其余為SAW焊道。
本研究采用二維模型進(jìn)行計(jì)算,網(wǎng)格單元密度的選擇對(duì)于模型的計(jì)算效率有重要影響。若模型整體采用小單元高密度的劃分,模擬計(jì)算的計(jì)算量過大,結(jié)果收斂性低,對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高;若整體采用低密度的劃分,關(guān)鍵部位的計(jì)算精度不夠,模擬結(jié)果準(zhǔn)確性低。結(jié)合焊接物理過程中模型焊縫處受到的熱流密度較大,需重點(diǎn)關(guān)注,故采用1mm×1mm的網(wǎng)格劃分;因?yàn)槟P瓦吔绮课坏臒崃髅芏容^均勻,無需過于細(xì)致計(jì)算,故采用20 mm×20 mm的網(wǎng)格劃分;焊縫周邊熱影響區(qū)采用過渡單元。模型的幾何尺寸分布如圖1所示,模型的網(wǎng)格示意和焊道網(wǎng)格示意分別如圖2和圖3所示。
圖1 模型幾何尺寸分布
轉(zhuǎn)子試驗(yàn)件材料采用25Cr2Ni4MoV,在建模中采用非線性材料模型,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定材料在不同溫度下的熱、力學(xué)材料性能[7],如表1所示。
根據(jù)轉(zhuǎn)子模擬件實(shí)際的焊接過程,采用體熱源模型,即對(duì)每個(gè)焊道的單元施加體熱源以模擬焊接過程,熱源參數(shù)由焊接參數(shù)確定。由于模擬件表面由保溫棉覆蓋,根據(jù)試算確定表面散熱的換熱系數(shù)如下[8]
圖2 模型網(wǎng)格示意
圖3 焊道網(wǎng)格示意
表1 材料在不同溫度下的熱、力學(xué)材料性能
在焊接過程中,環(huán)境溫度為20℃,初始溫度為320℃,層間溫度控制在300℃±20℃。
改變單元類型和增加回火蠕變參數(shù)后,得出模型殘余應(yīng)力分布云圖。通過應(yīng)力場(chǎng)云圖分析殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn),得到模型不同區(qū)域的殘余應(yīng)力數(shù)值,從而獲得整個(gè)模型殘余應(yīng)力數(shù)值分布區(qū)間。
焊后殘余應(yīng)力分布云圖如圖4~圖6所示。對(duì)比圖4~圖6可以看出,焊縫區(qū)各向殘余應(yīng)力峰值大,分布不均勻;熱影響區(qū)各向殘余應(yīng)力峰值小于焊縫區(qū),分布較均勻;母材區(qū)各向殘余應(yīng)力峰值變化不大,分布均勻。
在模型焊接過程后進(jìn)行回火熱處理模擬,得出回火熱處理后應(yīng)力分布云圖?;鼗馃崽幚砗髿堄鄳?yīng)力分布云圖如圖7~圖9所示。可以看出,回火熱處理后,轉(zhuǎn)子徑向、軸向、周向殘余應(yīng)力峰值大幅降低,殘余應(yīng)力分布的梯度變得較小。
圖4 徑向應(yīng)力場(chǎng)云圖
圖5 軸向應(yīng)力場(chǎng)云圖
圖6 周向應(yīng)力場(chǎng)云圖
圖7 徑向應(yīng)力場(chǎng)云圖
圖8 軸向應(yīng)力場(chǎng)云圖
圖9 周向應(yīng)力場(chǎng)云圖
模型焊后內(nèi)外壁應(yīng)力分布如圖10和圖11所示??梢钥闯觯襵為典型的“拉—壓—拉”型分布,焊縫及近縫區(qū)的縱向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力,內(nèi)壁應(yīng)力峰值為340 MPa,外壁應(yīng)力峰值為840 MPa。遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的縱向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,數(shù)值在200 MPa以內(nèi)。σy是平板內(nèi)彎曲變形產(chǎn)生的,焊縫及近縫區(qū)為拉應(yīng)力,內(nèi)壁應(yīng)力峰值為500 MPa,外壁應(yīng)力峰值為700 MPa。
圖10 焊后內(nèi)壁殘余應(yīng)力分布
圖11 焊后外壁殘余應(yīng)力分布
模型回火熱處理后內(nèi)外壁應(yīng)力分布如圖12和圖13所示??梢钥闯?,經(jīng)過回火熱處理,模型應(yīng)力分布趨勢(shì)變化不大,但應(yīng)力數(shù)值顯著降低,應(yīng)力梯度改善很大。σx峰值由840 MPa降到200 MPa以內(nèi),釋放了70%的應(yīng)力;σy峰值由700 MPa降至200 MPa以內(nèi),降低約70%。模型內(nèi)外壁縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力大小非常接近,回火熱處理工藝使得模型的應(yīng)力分布更加均勻。這表明回火熱處理工藝能夠明顯改善焊接件殘余應(yīng)力問題。
由于殘余應(yīng)力測(cè)試前對(duì)轉(zhuǎn)子模擬件外壁焊縫區(qū)域進(jìn)行了打磨,使得其應(yīng)力得到釋放,所以模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果可能有較大偏差,而內(nèi)壁的打磨影響較小,所以采用內(nèi)壁橫截面上的縱向和橫向應(yīng)力分布來驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性。
焊后內(nèi)壁σx的對(duì)比結(jié)果如圖14所示。由圖14可知,在焊縫部位縱向應(yīng)力峰值的誤差在50 MPa以內(nèi)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在距離焊縫中心20 mm后才轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,而模擬結(jié)果在距離焊縫中心10 mm處就轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果存在一定偏差,但實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)的曲線都顯示出“拉—壓—拉”的應(yīng)力分布趨勢(shì)。
圖12 熱處理后內(nèi)壁殘余應(yīng)力分布
圖13 熱處理后外壁殘余應(yīng)力分布
圖14 焊后內(nèi)壁σx對(duì)比
焊后內(nèi)壁σy的對(duì)比結(jié)果如圖15所示。可以看出,該處實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大于模擬數(shù)據(jù),可能是實(shí)際生產(chǎn)中存在橫向的約束,而數(shù)值模擬在現(xiàn)有條件下還無法設(shè)定合理、有效的橫向約束而導(dǎo)致。實(shí)測(cè)和模擬的應(yīng)力分布曲線分布趨勢(shì)擬合較好。
圖15 焊后內(nèi)壁σy對(duì)比
熱處理后內(nèi)壁σx對(duì)比情況如圖16所示,應(yīng)力得到很大程度的釋放,模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的峰值都保持在200 MPa以內(nèi)。其中,模擬數(shù)據(jù)還維持著明顯的“拉—壓—拉”型應(yīng)力分布,而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)焊縫中心的應(yīng)力已近全部釋放,熱影響區(qū)的應(yīng)力峰值較明顯。這可能是由于數(shù)值模擬和實(shí)際生產(chǎn)中邊界條件不同而導(dǎo)致的。
圖16 熱處理后內(nèi)壁σx對(duì)比
熱處理后內(nèi)壁的σy對(duì)比情況如圖17所示。可以看出,回火熱處理后橫向應(yīng)力分布趨勢(shì)無太大變化,但應(yīng)力得到了很大釋放,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)都維持在100 MPa以內(nèi)。模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從分布趨勢(shì)和峰值位置來看擬合較好。
圖17 熱處理后內(nèi)壁σy對(duì)比
(1)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果在具體數(shù)值上存在一定偏差,但對(duì)應(yīng)力分布趨勢(shì)的反映一致,計(jì)算模型可反映出實(shí)際結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布情況。
(2)從改善應(yīng)力的角度來看,焊后熱處理工藝是合理有效的,熱處理后的焊接接頭應(yīng)力得到有效緩解。