焊接位置對管狀大厚度V形接頭焊接殘余應(yīng)力場的影響

張子傲，張利國，楊 麗，楊 康，王 樂，李 剛

(1.沈陽航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，沈陽 110136；2.中國民用航空沈陽航空器適航審定中心 制造檢查室,沈陽 110043；3.遼寧通用航空研究院 設(shè)計部，沈陽 110136；4.沈陽鼓風(fēng)機集團核電泵業(yè)有限公司 工藝部，沈陽 110142)

焊接殘余應(yīng)力是焊接件在焊接熱過程中因變形受到約束而產(chǎn)生的殘留在焊接結(jié)構(gòu)中的內(nèi)應(yīng)力，其中尤以焊縫金屬熔化后再凝固、冷卻收縮受到約束而產(chǎn)生的熱應(yīng)力最為顯著，是殘余應(yīng)力的主要部分。結(jié)構(gòu)的剛性愈大，即拘束度愈大，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也愈大，對結(jié)構(gòu)承載能力的影響也愈大。焊接殘余應(yīng)力也是焊接工程研究領(lǐng)域的重點問題，涉及焊接的各種工程應(yīng)用都十分關(guān)注殘余應(yīng)力的影響。由于焊接應(yīng)力會直接影響到焊接結(jié)構(gòu)焊后的承載能力或抵抗破壞的能力，為了防止與減小焊接殘余應(yīng)力，國內(nèi)外的相關(guān)研究人員在如何減小焊接殘余應(yīng)力方面做了大量的研究，并積累了豐富的經(jīng)驗。趙雷等[1]研究了焊接參數(shù)對焊接接頭力學(xué)性能的影響；杜全斌等[2]、翟戰(zhàn)江等[3]、肖波[4]研究了熱輸入對焊接熱影響區(qū)性能的影響；劉川等[5]采用切割輪廓法分析了大厚度板內(nèi)部應(yīng)力特征；張利國等[6]、姚杞等[7]分別從焊接順序和焊接熱輸入方面對T形接頭焊接殘余應(yīng)力場進(jìn)行了模擬分析和測試，得到了最佳的焊接工藝方案；代雪佳等[8]、王錫嶺等[9]研究了熱輸入對焊接接頭材料組織和性能的影響；劉吉曉等[10]通過數(shù)值模擬得到了減少殘余變形的焊接角度；楊家健等[11]通過溫度場結(jié)果分析焊件殘余應(yīng)力分布。Tsyyama等[12]、Yamazaki等[13]研究了CO2氣保焊下，熱輸入對焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能影響；Khoshroyan等[14]研究了焊接參數(shù)與焊接順序?qū)宇^殘余應(yīng)力和變形的影響。

在大厚度V形接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中會涉及到焊接位置的選擇問題，加上焊接結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性，造成實際模擬分析的困難。為了簡化分析過程，本文從不同焊接位置的角度出發(fā)，利用非線性有限元軟件Marc，對某型核電用泵體電機支架的大厚度V形接頭焊接溫度場和殘余應(yīng)力場進(jìn)行分析，得到最佳的焊接位置方案和殘余應(yīng)力分布規(guī)律，研究和分析結(jié)果對工程技術(shù)人員設(shè)計相關(guān)焊接工藝具有一定的指導(dǎo)意義。

1 有限元模型

模型電機支架的三維數(shù)模和橫截面示意圖如圖1a和圖1b所示。該支架可劃分為3個相同等份，每等份120°，見圖1a所示；另外，支架焊縫位置為Ⅰ～Ⅵ共6處，見圖1b所示。由于該電機支架尺寸較大，為了細(xì)化網(wǎng)格、提高計算精度，以焊縫位置Ⅰ處的1/3等份為分析對象，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計算分析，見圖2a所示。

圖1 電機支架三維數(shù)模和橫截面示意圖

每個焊接位置的焊縫分為10層，圖2a是典型位置Ⅰ處的焊縫分層示意圖，焊縫厚度為50 mm，內(nèi)徑2 100 mm；圖2a中的1，2，3，4，…表示焊縫中每層的序號。圖2b為分析模型網(wǎng)格劃分情況，選用八節(jié)點六面體單元HEX(8)，單元數(shù)為157 434，節(jié)點數(shù)為30 896。

圖2 位置Ⅰ處焊縫分層及分析模型網(wǎng)格劃分情況

模型的材料為Q235鋼，焊接方法為熔化焊，焊接速度為4 mm/s；采用對稱施焊，焊接順序為1-6-2-7-3-8-4-9-5-10。在模擬過程中，焊接熱源選擇為橢球形移動熱源，其表達(dá)式為[15]

式中：ν——焊接速度；

Q——熱輸入率；

a——橢球的尺寸參數(shù)，5.0 mm；

b——橢球的尺寸參數(shù)，4.0 mm；

c——橢球的尺寸參數(shù)，5.0 mm；

?——焊接熱源的滯后時間。

2 焊接工藝和試驗方法

2.1 不同焊接位置方案

為了研究焊接位置對焊接殘余應(yīng)力的影響，對上述焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計了以下焊接方案(如圖2a和圖3所示)：

圖3 不同焊接位置方案

(1)方案A：焊縫與凸臺距離0 mm；

(2)方案B：焊縫與凸臺距離25 mm；

(3)方案C：焊縫與凸臺距離50 mm。

2.2 試驗方法

為了驗證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對采用方案A進(jìn)行焊接的電機支架進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，如圖4所示。采用X射線衍射法進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，測試設(shè)備為手持式X射線殘余應(yīng)力測試儀，檢測參數(shù)如下：設(shè)備功率100 W、掃描角度-30°～30°、掃描時間：40s/點。其中，每條焊縫沿焊接路徑選取10個等距離點進(jìn)行殘余應(yīng)力測試。

圖4 試驗件

3 殘余應(yīng)力測試與分析結(jié)果

3.1 殘余應(yīng)力測試結(jié)果

圖5為方案A時的Ⅰ處焊縫熱影響區(qū)位置M處沿焊接路徑上的殘余應(yīng)力測試和有限元分析結(jié)果。由圖5可知，在位置M處的焊接路徑上，殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力，測試結(jié)果的最大值為78 MPa，最小值為11 MPa；有限元分析結(jié)果的最大值為67.7 MPa，最小值為7.75 MPa，最小殘余應(yīng)力值均出現(xiàn)在焊接路徑中間位置處，測試結(jié)果與有限元分析結(jié)果各參考點相對誤差均小于8%，誤差較小、吻合度較高。在焊接路徑上的殘余應(yīng)力變化趨勢具有較好的一致性，從而驗證了本文的有限元模型和相關(guān)邊界條件參數(shù)設(shè)置具有較好的準(zhǔn)確度，并為下文進(jìn)行不同焊接位置方案的分析和討論提供了依據(jù)。

圖5 焊縫熱影響區(qū)位置M處測試與有限元分析結(jié)果

3.2 不同焊接位置的有限元分析結(jié)果

3.2.1 溫度場分析結(jié)果

為了研究不同位置對焊接過程溫度場的影響規(guī)律，在3種不同焊接位置取相同焊縫處起弧端節(jié)點的溫度變化情況，如圖6所示。由圖6可知，在3種焊接方案下，起弧端節(jié)點的溫度變化規(guī)律一致；另外，由于焊接位置不同，相同時刻的溫度峰值不同，方案B時的溫度峰值最大。當(dāng)焊接熱源作用在待焊區(qū)域時，焊件上熱源中心的溫度從室溫25 ℃瞬間升高到1 500 ℃，達(dá)到焊材的熔點，焊材開始熔化。電弧焊接的熱量主要由電弧所產(chǎn)生，隨著焊接時間的加長，熱量積累越來越多，焊件上表面的溫度逐漸升高。對其他位置焊縫進(jìn)行焊接時，它們表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。由圖6可知，溫度曲線出現(xiàn)多個峰值，這是因為在同一焊接位置，多層焊每層的焊縫起弧端相同，進(jìn)行下一層焊接時，該層起弧端節(jié)點溫度瞬間升高。熱傳遞導(dǎo)致上一層焊縫瞬時受熱，溫度上升，于是出現(xiàn)了多個峰值現(xiàn)象。

圖6 不同焊接位置下起弧端節(jié)點處的溫度隨時間的變化曲線

3.2.2 殘余應(yīng)力分析結(jié)果

圖7為3種方案下縱向殘余應(yīng)力分布云圖，采用方案A、B、C時，最大縱向殘余應(yīng)力值分別為267.8 MPa、178.9 MPa、197.3 MPa，因此，采用方案B的焊接結(jié)構(gòu)縱向殘余應(yīng)力值較小。圖8為起弧端橫截面縱向殘余應(yīng)力分布云圖，由圖8可知，在起弧端方案A產(chǎn)生的更多是殘余拉應(yīng)力，方案C產(chǎn)生的更多是殘余壓應(yīng)力，而方案B的殘余應(yīng)力表現(xiàn)介于方案A和C之間。圖9為各方案外側(cè)焊縫(焊縫5和焊縫10)焊接路徑上的殘余應(yīng)力分布情況，3種焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力在焊接路徑上的變化趨勢基本一致。

圖7 不同焊接位置下的縱向殘余應(yīng)力分布云圖

圖8 不同焊接位置下起弧端橫截面縱向殘余應(yīng)力分布云圖

圖9 各方案外側(cè)焊縫焊接路徑上的殘余應(yīng)力分布情況

圖10為母材位置收弧端沿厚度方向(M1M2/M3M4)上的殘余應(yīng)力分布情況，由圖10可知，方案A由于母材位置與焊縫距離較近，在多層焊焊接過程中，受熱比較明顯，因此沿焊接路徑上的殘余應(yīng)力分布不均勻；而方案B和方案C中母材位置與焊縫距離較遠(yuǎn)，受焊縫加熱影響較小、冷卻較均勻，因此其沿焊接路徑上的殘余應(yīng)力分布較均勻；另外，方案B較方案C焊縫離左側(cè)母材“凸臺”處較近，傳熱速度較快、散熱冷卻較均勻，從而使方案B焊接路徑上的殘余應(yīng)力值小于方案C。

圖10 母材位置收弧端沿厚度方向(M1M2/M3M4)上的殘余應(yīng)力分布情況

4 結(jié)論

本文對不同焊接位置下管狀大厚度V形接頭焊接溫度場和殘余應(yīng)力場進(jìn)行有限元數(shù)值分析，并通過實際測試結(jié)果進(jìn)行驗證，得到如下結(jié)論：

(1)多層焊時，焊接位置與“凸臺”保持一定距離，焊接熱傳遞作用更加明顯；同時，焊接路徑上的殘余應(yīng)力分布更均勻；

(2)對于焊縫起弧端，距離“凸臺”位置更近，焊接殘余應(yīng)力越容易表現(xiàn)為拉應(yīng)力；

(3)在進(jìn)行大厚度鋼焊接時，選擇恰當(dāng)?shù)暮附游恢?，有利于減小殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。