輸電桿塔掛點(diǎn)焊接變形和殘余應(yīng)力仿真分析

王朋， 熊捷， 黃斌

（中電建武漢鐵塔有限公司，武漢430011）

0 引言

焊接是一種常用的金屬加工工藝，在電力、橋梁、船舶等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，焊接過(guò)程中焊接件溫度梯度的變化導(dǎo)致殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，對(duì)焊接件的強(qiáng)度、抗疲勞特性、低溫服役壽命等產(chǎn)生重要影響，復(fù)雜構(gòu)件中的多層多道焊的應(yīng)力分布更為復(fù)雜。輸電桿塔掛點(diǎn)的焊接質(zhì)量直接關(guān)系到輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定，掛點(diǎn)的設(shè)計(jì)和制造，必須考慮服役地區(qū)的實(shí)際氣候等因素，對(duì)焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大程度降低焊接殘余應(yīng)力，保障服役安全。焊接過(guò)程有限元熱力耦合模擬具有節(jié)約設(shè)計(jì)成本、能再現(xiàn)焊接過(guò)程等優(yōu)勢(shì)，在焊接工藝優(yōu)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)焊接的殘余應(yīng)力和變形進(jìn)行模擬。王春生[1]采用有限元程序ANSYS建立高強(qiáng)度Q420焊接工字鋼梁的有限元模型，并基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行有限元模型校核。趙宏權(quán)[2]通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬軟件建立的三維實(shí)體模型分析JU2000E自升式鉆井平臺(tái)樁腿K型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布特征。侯陽(yáng)[3]對(duì)焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得溫度場(chǎng)的分布規(guī)律和不同位置的焊接熱循環(huán)曲線，為進(jìn)一步研究焊接應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)及優(yōu)化焊接工藝參數(shù)提供有效依據(jù)。

為得到輸電桿塔掛點(diǎn)最佳焊接工藝，采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)桿塔掛點(diǎn)不同的焊接工藝進(jìn)行焊接殘余變形和殘余應(yīng)力的仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析仿真結(jié)果，得到輸電桿塔掛點(diǎn)最佳焊接工藝方案。本文的研究結(jié)果可以為實(shí)際的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 塔掛點(diǎn)有限元模型

1.1 塔掛點(diǎn)有限元模型的建立

利用Creo軟件建立輸電桿塔掛點(diǎn)模型保存為stp格式并導(dǎo)入ABAQUS中。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，筋板焊縫處采用較細(xì)密的網(wǎng)格（單元邊長(zhǎng)為1 mm），筋板距離焊縫較遠(yuǎn)的地方采用較粗的網(wǎng)格，減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率。最終的有限元網(wǎng)格模型如圖1所示，模型一共有38 478個(gè)節(jié)點(diǎn)，27 850個(gè)網(wǎng)格單元。

圖1 塔腳有限元網(wǎng)格模型

1.2 材料及工藝參數(shù)

掛點(diǎn)材質(zhì)為Q420C，焊絲的牌號(hào)為ER50-6，其直徑為1.2 mm。焊接方法為100%CO2氣體保護(hù)的MIG自動(dòng)焊，焊接電壓為23 V，焊接電流為200 A，焊接速度為3 mm/s。焊接的初始溫度和環(huán)境溫度均設(shè)置為20 ℃。

1.3 邊界條件及熱源模型

焊接溫度場(chǎng)計(jì)算的熱邊界條件為熱對(duì)流和熱輻射[4]，熱對(duì)流和熱輻射混合邊界條件的表達(dá)式為：

式中：λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)；ε為材料表面熱輻射率；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；h為傳熱系數(shù)，W/(mm2·℃)；Text為環(huán)境溫度；Tor為零輻射參考溫度；Toc為零對(duì)流參考溫度。

傳熱系數(shù)h計(jì)算公式為：

熱源模型是焊接模擬結(jié)果準(zhǔn)確與否的關(guān)鍵[5]，在實(shí)際的焊接過(guò)程中，電弧熱源的能量較為復(fù)雜，整體呈現(xiàn)為前方能量集中、后方分散，熔深也隨著熱源作用區(qū)域的位置而不同。本文選用雙橢球熱源模型，該模型可以更好地反映焊接中的熱量輸入[6]。雙橢球熱源模型表達(dá)式[7]為：

式中：ff與fb分別為熱流密度的集中系數(shù)，其中ff+fb=2；Q為焊接熱輸出功率輸出量，Q=ηUI (η為焊接熱輸入效率，本文取0.7；I為焊接電流；U為焊接電壓)；a、b、c1、c2為熱源模型的形狀參數(shù)。

2 焊接方案和計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 改進(jìn)的焊接工藝方案介紹

圖2為原焊接工藝方案示意圖，每個(gè)數(shù)字代表一道焊縫，按照?qǐng)D示標(biāo)號(hào)的順序進(jìn)行焊接。

圖2 輸電桿塔掛點(diǎn)原方案焊接施焊道次及順序

原工藝方案每道焊縫有3層，每層焊接順序均是按照?qǐng)D3所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的次序一次完成焊接。根據(jù)實(shí)際工藝，每道焊縫完成后不需進(jìn)行冷卻。

圖3 輸電桿塔掛點(diǎn)局部焊接結(jié)構(gòu)平面示意圖

改進(jìn)方案的焊接順序如圖3所示，每次焊接一道焊縫的一層，即按照?qǐng)D4所示順序進(jìn)行焊縫的焊接，先焊打底層，再焊填充層，最后焊蓋面層，每層焊接方向不變，與原方案一樣（如圖3）。

圖4 輸電桿塔掛點(diǎn)原方案焊接施焊道次及順序

改進(jìn)方案2與改進(jìn)方案1總體焊接順序相同（如圖4），但是填充層焊接方向與改進(jìn)方案1相反（如圖5）。

圖5 改進(jìn)方案2局部焊接結(jié)構(gòu)平面示意圖

2.2 變形仿真結(jié)果對(duì)比

圖6～圖8為3種焊接方案殘余變形仿真結(jié)果云圖，可以看到，與原方案相比，方案1的峰值變形更小，但是與原方案的分布區(qū)域的位置大致相同。與原方案和方案1相比，圖8所示的方案2變形分布峰值更小，分部更加均勻。因此從殘余變形角度來(lái)看，方案2更加具有優(yōu)勢(shì)。

圖6 原方案殘余變形云圖

圖7 方案1殘余變形云圖

圖8 方案2 殘余變形云圖

為了詳細(xì)對(duì)比原始方案、改進(jìn)方案在長(zhǎng)度方向的殘余變形，提取圖9所示路徑1上（即主筋背側(cè)板棱線）的殘余變形進(jìn)行對(duì)比分析。

圖10所示為3種焊接方案路徑1上形變量的對(duì)比圖?？梢钥吹礁倪M(jìn)方案1和原方案在路徑1上的變形相差較小。與前兩種方案相比，改進(jìn)方案2的變形較小，這與圖6～圖8的分布結(jié)果一致。這是由于改進(jìn)方案1的局部焊接順序的優(yōu)化減小了填充層焊接時(shí)的熱量堆積，引起變形較小。

2.3 殘余應(yīng)力仿真結(jié)果對(duì)比分析

圖9 路徑1示意圖

圖10 路徑1上總的變形對(duì)比

圖11為冷卻后3 種焊接方案在圖9 所示的路徑1 上殘余應(yīng)力的對(duì)比曲線圖，可以看到焊接殘余應(yīng)力在整條路徑上均呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)。改進(jìn)方案1和改進(jìn)方案2在路徑1上殘余應(yīng)力分布基本相同，與原方案相比，在筋板1 處的殘余應(yīng)力更小，在筋板2處殘余應(yīng)力更大，但是殘余應(yīng)力分布更加均勻。

圖11 路徑1上殘余應(yīng)力

圖12～圖14分別為冷卻后原始方案、改進(jìn)方案1和2在路徑路徑1上X軸方向(S11)、Y軸方向(S22)、Z軸方向(S33)上殘余應(yīng)力分布線圖。通過(guò)對(duì)比可知，與原方案相比，改進(jìn)方案在Y軸方向（沿路徑1方向）上筋板位置的應(yīng)力分布更加均勻，X軸與Z軸方向上焊接殘余應(yīng)力區(qū)別較小，說(shuō)明應(yīng)力分布主要區(qū)別在Y方向。其中改進(jìn)方案2在Y方向應(yīng)力分布更加均勻。

綜合分析可知，從殘余應(yīng)力分布的角度來(lái)看，改進(jìn)方案殘余應(yīng)力的改變不夠明顯，但是分布更加均勻，結(jié)合變形結(jié)果來(lái)看，改進(jìn)方案2更加合理。

3 結(jié)論

圖12 原始工藝方案三方向殘余應(yīng)力

對(duì)輸電桿塔掛點(diǎn)的焊接過(guò)程進(jìn)行了有限元仿真，分析比較不同的焊接工藝下各個(gè)位置的焊接殘余應(yīng)力，得出以下結(jié)論：1）由改進(jìn)的焊接方案殘余變形云圖和路徑分析可知，改進(jìn)方案2 即焊接道次交叉和層間交叉焊接對(duì)掛點(diǎn)整體變形及長(zhǎng)度方向的變形有減緩作用。2）路徑上的焊接殘余應(yīng)力對(duì)比顯示，兩種改進(jìn)方案在兩個(gè)筋板位置處焊接殘余應(yīng)力峰值更接近，主板Y方向上焊接殘余應(yīng)力分布更加對(duì)稱(chēng)。在極端的環(huán)境下，更加有利于輸電桿塔掛點(diǎn)的雙向變形。3）綜合以上分析結(jié)果，采用優(yōu)化方案2焊接順序進(jìn)行輸電桿塔掛點(diǎn)的焊接更有利于減小掛點(diǎn)的變形和提高殘余應(yīng)力分布的均勻性，從而提高其在極端環(huán)境下的使役性能。

圖13 方案1三方向殘余應(yīng)力

圖14 方案2三方向殘余應(yīng)力