鋼管對(duì)接焊殘余應(yīng)力數(shù)值分析

應(yīng)曉波

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400074)

Q420 鋼是屈服強(qiáng)度不低于420Mpa 的低合金高強(qiáng)鋼，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到550～580MPA，主要用在桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、和輸電領(lǐng)域的鋼管塔中，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中也有一定的研究應(yīng)用[1-3]，充分體現(xiàn)了鋼管的受力優(yōu)勢(shì)。如果焊接時(shí)不進(jìn)行預(yù)熱或?qū)娱g溫度不合適，焊接接頭中都有產(chǎn)生焊接冷裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)Q420鋼管不同預(yù)熱溫度下的殘余應(yīng)力峰值及分布進(jìn)行有限元計(jì)算，分析了鋼管焊接殘余應(yīng)力隨不同預(yù)熱溫度的變化規(guī)律，最終得出了Q420 焊接圓鋼管最佳層間溫度為200℃。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

本次有限元計(jì)算采用壁厚為40mm、直徑1000mm、軸向長(zhǎng)1200mm 的兩根鋼管構(gòu)件。打底焊采用手工電弧焊焊接，中間的填充層以及蓋面焊采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）進(jìn)行焊接。模型中，賦予的模型的材料物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)是隨溫度變化而變化的函數(shù)[5]。由于焊縫層數(shù)比較多，考慮到保證計(jì)算精度的同時(shí)盡量節(jié)省計(jì)算時(shí)間，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性計(jì)算分析可知[6-7]，在焊縫及熱影響區(qū)劃分較密的網(wǎng)格，單元邊長(zhǎng)控制在2mm 左右，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域劃分相對(duì)較粗的網(wǎng)格，單元邊長(zhǎng)控制在4mm 左右，其間需要進(jìn)行過(guò)度網(wǎng)格劃分，盡量保證生成的網(wǎng)格是六面體形式。計(jì)算結(jié)果表明按照這樣劃分的網(wǎng)格尺寸足以滿足計(jì)算精度的要求。

1.2 熱源模型

由于采用的是氣體保護(hù)焊，焊縫熔池的形狀呈現(xiàn)熱源前部較大，熱源后部較小的橢圓形狀，雙橢球熱源模型函數(shù)表達(dá)式如下：

雙橢球熱源前半球函數(shù)：

雙橢球熱源后半球函數(shù)：

2 焊接工藝參數(shù)與邊界條件

焊接時(shí)室溫為20℃，焊接熱源工藝參數(shù)為：焊接電流180A，焊接電壓30V，焊接速度4mm/s。計(jì)算時(shí)，為考慮焊件與周圍環(huán)境的換熱，利用sysweld 內(nèi)置的表面效應(yīng)單元，在模型的表面設(shè)置對(duì)流和輻射換熱邊界條件。對(duì)流和輻射邊界條件綜合考慮為一個(gè)換熱系數(shù)30W/(m2·℃)。在熱源加載的過(guò)程中，使用單元生死功能來(lái)模擬焊縫的填充過(guò)程，進(jìn)而達(dá)到精確仿真的目的。

3 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

為研究Q420 鋼管多層多道焊的焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)變化規(guī)律，本文以不預(yù)熱條件下的焊接溫度場(chǎng)為例進(jìn)行分析，打底焊填充過(guò)程中溫度場(chǎng)高溫范圍較小，焊縫填充部分的溫度已超過(guò)了Q420 鋼材熔點(diǎn)，且溫度梯度呈現(xiàn)從熱源中心向外由密而疏的規(guī)律。熱源前半球溫度梯度大于后半球溫度梯度，左右對(duì)稱分布，焊接過(guò)程中熱源的峰值溫度可以達(dá)到1856℃，在焊接填充焊道時(shí)，熔池的形狀因填充焊道的位置不同而不同，第5 道焊道在填充過(guò)程中焊件的溫度分布并不對(duì)稱，熔池中的最高溫度為1841℃。是鋼管內(nèi)壁從打底焊道中心向右取點(diǎn)的溫度時(shí)程曲線，由于整個(gè)焊接過(guò)程是三層六道焊，所以每條溫度時(shí)程曲線呈現(xiàn)出六個(gè)波峰，隨著焊接進(jìn)程的進(jìn)行，每個(gè)波峰的峰值不斷降低，這是因?yàn)榕c熱源距離的增加所致。對(duì)不同預(yù)熱條件熱分析結(jié)果研究表明，預(yù)熱溫度（層間溫度）升高，焊接時(shí)最高溫度升高，焊后冷卻速度降低。

4 應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果

4.1 焊后殘余應(yīng)力分布

為了清楚直觀地顯示出有無(wú)預(yù)熱的情況下焊后殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，以未預(yù)熱和預(yù)熱溫度為200℃條件為例，分析縱向殘余應(yīng)力σY橫向殘余應(yīng)力σX、Von Mise 等效殘余應(yīng)力σvon在鋼管表面外側(cè)的分布規(guī)律，由數(shù)值分析結(jié)果可知，環(huán)向殘余應(yīng)力σY水平較高，未預(yù)熱峰值應(yīng)力可達(dá)到462 Mpa，熱處理后峰值應(yīng)力降低到360Mpa，焊縫中心和焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)了應(yīng)力集中。橫向殘余應(yīng)力σx的水平也較高，未預(yù)熱峰值應(yīng)力可達(dá)到283 Mpa，熱處理后的峰值應(yīng)力降低為220 Mpa，且在不同深度處顯示出不同的應(yīng)力性質(zhì)，在打底焊層中為拉應(yīng)力，而在最后一層蓋面焊焊道中為壓應(yīng)力。

由于熱處理方式的差異，因此應(yīng)力大小和分布在焊件中會(huì)存在一定差異。在鋼管外表面沿鋼管軸向取一條路徑所示。研究熱處理變化對(duì)于σx、σY、σvon在路徑上的分布變化規(guī)律，結(jié)果如圖1 所示。（a）可以看出，焊前預(yù)熱使焊縫區(qū)域縱向殘余應(yīng)力σy峰值由462 Mpa 降低為360 Mpa，降低幅值達(dá)到了22.07%，熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力由未預(yù)熱的壓應(yīng)力變?yōu)榱死瓚?yīng)力，有效改善了熱影響區(qū)的受力特性。由圖1（b）可知，焊前預(yù)熱使焊縫區(qū)域橫向殘余應(yīng)力σX峰值由283 Mpa 降低為220 Mpa，降幅達(dá)22.26%。并且將高應(yīng)力值的分布范圍縮小，使得構(gòu)件整體應(yīng)力水平降低。由圖1（c）可知，焊前預(yù)熱使得焊縫區(qū)等效殘余應(yīng)力σvon由564Mpa 降低為420Mpa，降幅高達(dá)25.53%。

圖1 鋼管預(yù)熱與否殘余應(yīng)力對(duì)比

4.2 預(yù)熱溫度對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響

可以看出，隨著預(yù)熱溫度的升高，橫向殘余應(yīng)力、縱向殘余應(yīng)力、等效殘余應(yīng)力的峰值均有不同程度的下降。且曲線斜率由陡轉(zhuǎn)緩，在200℃斜率變?yōu)?，等效殘余應(yīng)力達(dá)到最小值，不預(yù)熱時(shí)殘余應(yīng)力水平整體較高，等效殘余應(yīng)力峰值可達(dá)到564Mpa，已經(jīng)超過(guò)了Q420 鋼材的屈服強(qiáng)度，因此容易引起焊縫和熱影響區(qū)開裂。焊前進(jìn)行100℃預(yù)熱（層間溫度），焊后冷卻各向殘余應(yīng)力峰值以及等效殘余應(yīng)力峰值均呈現(xiàn)不同程度的降低，σvon峰值降低了86Mpa，σy峰值降低了46 Mpa，σx峰值降低了32 Mpa；焊前進(jìn)行150℃預(yù)熱時(shí)，σvon峰值降低了30Mpa，σy峰值降低了16 Mpa，σx峰值降低了8 Mpa；而焊前進(jìn)行200℃預(yù)熱時(shí)，相比于150℃，各應(yīng)力峰值均降低得較少，σvon只降低了18Mpa，σy峰值降低了14 Mpa，σX峰值降低了6 Mpa，但是相比不預(yù)熱條件σvon下降了144Mpa，σy降低了98 Mpa，σx降低了62 Mpa。因此可以看出焊前對(duì)焊件進(jìn)行100℃以上預(yù)熱對(duì)于降低焊接殘余應(yīng)力、降低冷裂紋敏感性是有效的。

5 結(jié)論

5.1 建立了Q420 鋼材40mm 壁厚鋼管多層多道焊的sysweld 有限元模型，分析了不同預(yù)熱溫度（層間溫度）對(duì)構(gòu)件焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)分布的影響。

5.2 隨著焊接預(yù)熱溫度（層間溫度）的提高，各向殘余應(yīng)力峰值均有不同水平的下降，不進(jìn)行焊前預(yù)熱時(shí)，殘余應(yīng)力水平很高，引起焊接冷裂紋的風(fēng)險(xiǎn)較大。采用100 攝氏度預(yù)熱溫度（層間溫度）時(shí)，等效殘余應(yīng)力峰值下降較多，繼續(xù)提高預(yù)熱溫度，應(yīng)力值下降較少。預(yù)熱溫度超過(guò)200℃以后，殘余應(yīng)力值隨著預(yù)熱溫度的升高而增加。

5.3 Q420 高強(qiáng)度鋼材多層多道焊接的最佳預(yù)熱溫度（層間溫度）為200℃。