邊界約束對中厚板焊接殘余應(yīng)力的影響

許振波，周文靜，錢 驥,2*

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074； 2.重慶交通大學(xué)省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室，重慶 400074)

鋼橋面板自重小、承載能力強、環(huán)境適應(yīng)性強等特點而廣泛應(yīng)用于大跨徑鋼橋建設(shè)中[1-2]。鋼橋面板在現(xiàn)場焊接拼裝成型時，局部集中加熱及熱循環(huán)過程中的非均勻加熱及冷卻，將會在對接焊縫及母板區(qū)產(chǎn)生不均勻塑形變形及焊接殘余應(yīng)力，焊縫接頭的殘余應(yīng)力容易引起接頭疲勞強度下降[3]。焊縫接頭位置殘余應(yīng)力結(jié)合行車荷載等產(chǎn)生的工作應(yīng)力，降低橋面板的疲勞強度、穩(wěn)定性并顯著影響鋼橋的服役壽命[4]。中厚板邊界約束的改變將會影響焊縫殘余應(yīng)力的形成，較小的焊接殘余應(yīng)力將延長橋面板連接焊縫的使用壽命，因此研究中厚板外約束改變對焊縫及近縫區(qū)殘余應(yīng)力的影響、優(yōu)化焊接工藝和降低橋面板焊縫處殘余應(yīng)力，具有重要的實用參考價值。

試驗分析及數(shù)值模擬二者均成為研究鋼橋面板焊接殘余應(yīng)力的有效手段。研究表明，面板上表面焊接殘余應(yīng)力隨厚度增加而減小[5]。文獻[6]利用點熱源分析了14～18 mm板厚的焊接殘余應(yīng)力，但是忽略了熱源參數(shù)對殘余應(yīng)力分布的影響。林升等[7]通過子程序DFLUX得到了不同厚度對接板的殘余應(yīng)力分布，但是僅考慮邊界自由約束而忽視了邊界約束對中厚板焊接過程殘余應(yīng)力的影響。王若林等[8]通過熱-結(jié)構(gòu)間接耦合法，分析了扁平鋼箱梁熱應(yīng)力及殘余應(yīng)力場，但沒有考慮初始預(yù)熱溫度及焊后熱處理對焊縫殘余應(yīng)力場的改善。

考慮熱源形狀對熔池形狀作用，本文將焊接過程中的邊界約束分為溫度及力學(xué)二類邊界進行討論，通過改變焊前預(yù)熱及焊后熱處理外環(huán)境溫度，改變力學(xué)邊界約束狀態(tài)及作用位置距離，對約束狀態(tài)下的橋面板焊縫對接進行殘余應(yīng)力數(shù)值分析。通過對不同邊界約束的改變，分析了溫度、力學(xué)邊界對中厚板焊接殘余應(yīng)力的影響。

1 焊接理論及模型邊界設(shè)置

基于熱-力耦合的焊接模擬通過直接耦合與間接耦合實現(xiàn)，鑒于間接耦合節(jié)省計算時間且操作靈活度高，通常完成溫度場求解并將溫度荷載重新施加于求解模型，進一步考慮不同邊界約束設(shè)置，最終求解得焊接殘余應(yīng)力。

1.1 有限元網(wǎng)格劃分及相關(guān)材料屬性

為降低求解難度，設(shè)置焊縫填充材料與母板材質(zhì)同為Q345低碳鋼，材料參數(shù)參考文獻[4]。圖1模型網(wǎng)格劃分按照焊縫及近縫區(qū)細密，母板遠縫區(qū)網(wǎng)格稀疏，這樣做既保證了焊縫區(qū)求解精度又使整體求解時間大幅降低。中厚板模型焊接數(shù)值模擬時為增加殘余應(yīng)力場求解精度，采用4層7道焊。

圖1 平板網(wǎng)格劃分及約束設(shè)置Fig.1 Grid division and constraint setting of flat plate

1.2 有限元模型邊界條件的設(shè)置

熔焊條件下，母板主要通過對流與輻射方式向外界環(huán)境傳熱，二者綜合考慮母板向環(huán)境傳遞的熱量為

q=εc0(T4-Tf4)

(1)

式(1)中：ε對應(yīng)物體黑度系數(shù)；c0為黑體輻射系數(shù)；T為母板溫度；Tf外界環(huán)境溫度。

母板橫向外側(cè)截面節(jié)點施加約束限制焊接過程中母板的剛體位移，以文獻[9]給出的外邊界節(jié)點約束值104N/mm為基準參考值，并通過改變外約束作用位置及作用力大小，研究外加約束對鋼板焊接殘余應(yīng)力的影響。

1.3 焊接熱源模型

選擇合理的熱源模型進行焊接溫度場的模擬是求解得準確殘余應(yīng)力的前提。3D雙橢球熱源[10]前方電弧挺度大、熔深大，且可以有效地表征圖2中CO2氣體保護焊的熔池形狀。外界溫度設(shè)置為20 ℃。

圖2 前進中的瞬態(tài)熱源Fig.2 Transient heat source in progress

2 試驗驗證及數(shù)值仿真解

2.1 試驗及基本原理

圖3中X射線衍射法測量儀基本原理：X光入射線以θ角照至1個無應(yīng)力晶體，金屬體內(nèi)部兩原子間距D，所散射光程差恰好為特征譜波長λ整數(shù)倍[11]。布拉格方程為

2Dsinθ=nλ

(2)

式(2)中：θ為入射線與晶面夾角；n為衍射指數(shù)。

圖3 iXRD系統(tǒng)及電源Fig.3 iXRD system and power supply

平板施焊結(jié)束冷卻至室溫后，使用X射線分析儀測得殘余應(yīng)力。參照文獻[9]實測數(shù)據(jù)對比圖4中有限元縱向殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，實測值與有限元求解值分布趨勢較為一致。焊縫中心線及焊縫熔合線位置仿真解存在凸起，原因在于焊縫加熱引發(fā)焊道填充物膨脹，母材與焊縫交界處網(wǎng)格幾何不連續(xù)，精細化網(wǎng)格節(jié)點解將求解值放大。較小的數(shù)值差及相同的應(yīng)力分布趨勢，可以認為基于彈-塑性有限元法的數(shù)值解是合理有效的。

圖4 X射線分析儀實測數(shù)據(jù)與有限元數(shù)據(jù)對比Fig.4 Comparison between measured data of X-ray analyzer and finite element data

2.2 殘余應(yīng)力的數(shù)值仿真

求解時不降低計算精度的基礎(chǔ)上需要提高收斂速度，因此需要對焊接過程進行適當簡化：①忽略焊件與支撐平臺的熱傳導(dǎo)；②熱源前進速度恒定；③熱-力單向耦合等。

溫度場計算結(jié)果重新讀入并考慮外加約束作用得到圖5約束狀態(tài)下的平板Mises等效殘余應(yīng)力。其中超過母材屈服強度的區(qū)域僅集中在焊縫及臨近熱影響區(qū)(HAZ)，寬度不超過30 mm。焊縫蓋面焊擁有2個焊道，焊道7對焊道6的“覆蓋”作用從而使得焊縫區(qū)域呈現(xiàn)為3個峰值條帶。

圖5 約束狀態(tài)下平板殘余應(yīng)力云圖Fig.5 Residual stress nephogram of plate under constrained state

圖6 平板x、y、z向殘余應(yīng)力Fig.6 Residual stresses in x, y, z directions of the plate

圖6為中厚板上表面沿參考路徑所得縱、橫、豎向殘余應(yīng)力分布曲線。除焊道6，7(圖1)熱影響區(qū)縱向殘余應(yīng)力部分超過母材屈服強度外，頂板其余區(qū)域及橫、豎向殘余應(yīng)力均超過屈服強度。中厚板熱影響區(qū)縱向拉應(yīng)力最大為473 MPa，隨著距焊縫中心線距離的增加，縱向殘余應(yīng)力逐漸降低，距離焊縫中心線22 mm位置，縱向應(yīng)力由拉轉(zhuǎn)壓，至中厚板邊緣殘余應(yīng)力降至0。焊縫中心線位置橫向應(yīng)力最大為348 MPa，熱影響區(qū)橫向應(yīng)力峰值最大不超過248 MPa。

3 邊界對殘余應(yīng)力的影響

焊接前對中厚板預(yù)熱及焊接結(jié)束后的熱處理，將會顯著改變焊縫區(qū)殘余應(yīng)力的大小[12-14]，在外界橫向約束改變的情況下中厚板熱影響區(qū)(HAZ)及母板區(qū)橫向殘余應(yīng)力將會產(chǎn)生更為明顯的變化。

3.1 熱學(xué)邊界影響

保持力學(xué)邊界約束不變，通過改變中厚板初始溫度及焊后保溫熱處理實現(xiàn)對熱物理場換熱邊界的控制，從而在熱力耦合計算中達到間接影響殘余應(yīng)力分布的效果。以焊縫中心線左側(cè)為例討論不同熱邊界作用下中厚板殘余應(yīng)力變化。

3.1.1 預(yù)熱溫度作用

隨著預(yù)熱溫度的升高，沿參考路徑，圖7(a)焊縫及熔合線附近3 mm范圍橫向殘余應(yīng)力降低。由于中厚板橫向受邊界力學(xué)約束的影響，HAZ及母板區(qū)域隨預(yù)熱溫度的增加而逐漸增大，預(yù)熱溫度的提高使得焊接過程中達到的最高溫度增大，金屬受加熱、冷卻過程中的熱脹冷縮效果增大，且橫向自由收縮受限，加劇了HAZ橫向殘余應(yīng)力變化。

距離熔合線7 mm位置，預(yù)熱100、150 ℃后，圖7(a)橫向殘余應(yīng)力峰值達到276、298 MPa；當距離超過10 mm后，約束狀態(tài)下橫向殘余應(yīng)力的增加更加明顯；距離熔合線25 mm處，橫向殘余應(yīng)力差值達到最大值，相比對應(yīng)節(jié)點無預(yù)熱狀態(tài)下應(yīng)力分別增大70、111 MPa。

圖7(b) 距焊縫熔合線4 mm位置，縱向殘余應(yīng)力達到最大值，至13 mm處，縱向殘余應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。HAZ及母板區(qū)縱向殘余應(yīng)力值與預(yù)熱溫度成反比，熔合線向外5 mm范圍內(nèi)，隨預(yù)熱溫度升高，縱向殘余應(yīng)力降低最為明顯。

圖7 不同預(yù)熱溫度下熔合線至板邊緣殘余應(yīng)力分布Fig.7 Distribution of residual stress from fusion line to plate edge at different preheating temperatures

預(yù)熱溫度增加，焊接過程中焊縫區(qū)溫度梯度降低，從而使得縱、橫向殘余應(yīng)力降低(表1)。但是由于橫向約束的影響，HAZ及母板區(qū)橫向殘余應(yīng)力不降反增，圖7(a)一定范圍內(nèi)(距熔合線4～25 mm)橫向應(yīng)力增大值與距離長度成正比，之后差值逐漸維持在60、98 MPa。

無約束狀態(tài)下的縱向殘余應(yīng)力在整體預(yù)熱后，由于降低了焊縫區(qū)的激熱作用，焊縫及周圍HAZ縱向殘余應(yīng)力與預(yù)熱溫度成反比。

3.1.2 焊后熱處理作用

對比圖8焊后冷卻至20(室溫)、100、150 ℃焊后保溫1 h熱處理后橫向殘余應(yīng)力云圖，由圖8可知，隨著焊后熱處理溫度的增大，焊縫及周圍熱影響區(qū)橫向殘余應(yīng)力分布范圍及對應(yīng)位置應(yīng)力數(shù)值逐漸降低。

表1 預(yù)熱后焊縫區(qū)(WZ)及熱影響區(qū)(HAZ)焊接殘余應(yīng)力

圖8 不同熱處理溫度下橫向殘余應(yīng)力云圖分布Fig.8 Distribution of transverse residual stress nephogram at different heat treatment temperatures

隨著焊后熱處理溫度的增大，圖9(a)中厚板對應(yīng)節(jié)點橫向殘余應(yīng)力逐漸降低，熔合線位置橫向殘余應(yīng)力降低為壓應(yīng)力。中厚板橫、縱向邊界約束與否，HAZ及厚板邊緣均為殘余應(yīng)力降低的敏感區(qū)域圖9。

焊后保溫熱處理后，焊縫、熱影響區(qū)殘余應(yīng)力均會降低，中厚板邊緣數(shù)值較小的拉應(yīng)力甚至?xí)D(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。如表2所示，中厚板在橫向約束作用下經(jīng)保溫熱處理作用后，不同區(qū)域(WZ、HAZ及板邊緣)橫向殘余應(yīng)力的降低程度均大于無約束狀態(tài)下的縱向殘余應(yīng)力變化；約束狀態(tài)下HAZ橫向殘余應(yīng)力降低最為顯著，后保溫100、150 ℃分別降低62、106 MPa；無約束作用的縱向殘余應(yīng)力在中厚板外邊緣殘余應(yīng)力降低最為明顯，100、150 ℃熱處理作用后，縱向殘余應(yīng)力下降47、77 MPa。

圖9 不同熱處理條件下的殘余應(yīng)力分布Fig.9 Distribution of residual stress under different heat treatment conditions

表2 焊后熱處理作用下焊縫(WZ)、熱影響區(qū)(HAZ)及母板殘余應(yīng)力變化

3.2 力學(xué)邊界影響

在保證焊接初始溫度為室溫20 ℃，焊接完成后自然冷卻至室溫，通過對比中厚板縱、橫向約束狀態(tài)，橫向約束大小及約束作用位置，進一步研究了力學(xué)邊界約束對焊接殘余應(yīng)力的影響。

3.2.1 不同約束程度對殘余應(yīng)力的影響

中厚板邊界約束工況1為104N/mm，工況2為103N/mm，工況3為105N/mm，通過改變外約束作用強度實現(xiàn)力學(xué)約束轉(zhuǎn)化。

中厚板平面內(nèi)圖10(a)橫向殘余應(yīng)力隨橫向外約束強度的增大而增大，但并不存在線性關(guān)系。焊接過程中中厚板橫向收縮受外約束抑制作用，橫向變形因板邊緣約束程度的不同而呈現(xiàn)較大的差異，值得注意的是焊縫熔合線向母板邊緣方向因約束等級造成的殘余應(yīng)力差值基本保持不變。

橫向力學(xué)約束增大或減少一個數(shù)量級后，圖10(b)中厚板平面內(nèi)縱向殘余應(yīng)力改變不明顯，說明橫向力學(xué)約束對殘余應(yīng)力的影響是單向的，僅影響對應(yīng)橫向殘余應(yīng)力。

圖10 板邊界力學(xué)約束量級改變后殘余應(yīng)力變化Fig.10 The residual stress changes after the magnitude of mechanical constraint is changed

3.2.2 不同約束距離對殘余應(yīng)力的影響

保持板邊界力學(xué)約束不變，選取距離焊縫中心線50、100、200 mm設(shè)置約束作用截面。沿上表面參考路徑，討論約束作用位置[例R(L)200：距離焊縫中心線200 mm時左(右)側(cè)殘余應(yīng)力]對焊接殘余應(yīng)力的影響。

圖11(a)所示，約束作用位置距離焊縫中心線越近，焊接結(jié)束后熱影響區(qū)(HAZ)殘余應(yīng)力越大。力學(xué)約束作用位置減小至100 mm，相對母材屈服強度HAZ橫向殘余應(yīng)力改變最大不超過4.22%；約束作用位置減小至50 mm，HAZ橫向殘余應(yīng)力改變最大不超過4.71%；50 mm約束作用位置，中厚板外邊緣盡管存在較強的約束作用，但不同約束位置橫向應(yīng)力差值亦未超過24 MPa。

約束作用位置改變后，圖11(b)所示約束作用降低至100 mm時，對比200 mm約束基準值，中厚板平面內(nèi)縱向應(yīng)力增大不超過2.67%；約束作用位置減小至50 mm時，距離熔合線11 mm位置，縱向應(yīng)力增大幅度不超過12.02%。

外邊界約束位置由距中心線200 mm減小至原長度1/2、1/4，圖11上表面參考路徑殘余應(yīng)力分布趨勢基本一致，殘余應(yīng)力改變較小，表示力學(xué)約束位置對殘余應(yīng)力改變不明顯。

圖11 力學(xué)約束作用位置改變后的殘余應(yīng)力Fig.11 The residual stress after the position of mechanical constraint is changed

4 結(jié)論

(1)一定溫度范圍內(nèi)，焊前預(yù)熱將顯著降低熱影響區(qū)殘余應(yīng)力，約束條件下母板區(qū)殘余應(yīng)力降低效果與預(yù)熱溫度正相關(guān)，自由狀態(tài)下母板區(qū)殘余應(yīng)力受預(yù)熱溫度影響較弱。

(2)熱處理后，約束狀態(tài)下的橫向殘余應(yīng)力在參考路徑上均呈降低趨勢，自由狀態(tài)下的縱向殘余應(yīng)力僅在板邊緣發(fā)生波動。

(3)殘余應(yīng)力與邊界約束強弱成正相關(guān)。母板線性區(qū)約束改變造成的應(yīng)力變化基本相同，橫向約束強度的改變對縱向殘余應(yīng)力影響可以忽略。

(4)約束大小不變，約束作用位置的改變對橫向殘余應(yīng)力的影響可以忽略不計；約束作用位置與焊縫距離減小后，自由狀態(tài)下熱影響區(qū)縱向殘余應(yīng)力的改變不超過12.02%。由此可見約束距離的遠近對焊接殘余應(yīng)力的改變不明顯，在保證計算結(jié)果精度的前提下為減小有限元建模尺寸及降低求解難度提供了可能。