6061-T6鋁合金構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力分布

張鵬飛，盧嘉瑋，張兆年，盧小松

(1. 西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710021；2. 西安建筑科技大學(xué) 安德學(xué)院,西安 710055；3. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,蘭州 730070)

鋁合金材料擁有自重輕、抗腐蝕與加工性能好等優(yōu)點，目前在國內(nèi)正被廣泛的應(yīng)用于各類建筑工程中[1-2].建筑結(jié)構(gòu)中的多數(shù)構(gòu)件都是焊接加工成型，焊接加工本身存在加熱范圍小且溫度梯度大的特點，這使得高溫性能佳的國產(chǎn)6061-T6鋁合金在焊接加工后不可避免地出現(xiàn)較高的熱應(yīng)力和較大的熱膨脹，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形[3].殘余應(yīng)力與殘余變形是影響結(jié)構(gòu)性能、可靠性以及穩(wěn)定性、疲勞強度等方面的重要因素.在對金屬材料殘余應(yīng)力測量的各種方法中，1934年德國學(xué)者Mathar J提出了小孔應(yīng)力釋放法的概念，隨后產(chǎn)生的盲孔法是目前工程中最常用的殘余應(yīng)力檢測方法[4-5].

我國的鋁合金結(jié)構(gòu)研究起步較晚，國產(chǎn)焊接成型的6061-T6鋁合金構(gòu)件的殘余應(yīng)力研究較少，現(xiàn)行規(guī)范[3]缺少對鋁合金構(gòu)件殘余應(yīng)力分布的特征說明.基于此，采用有限元模擬分析國產(chǎn)焊接成型的6061-T6鋁合金方形截面的殘余應(yīng)力分布特性，并使用盲孔法對有限元模擬結(jié)果進行驗證，得到6061-T6鋁合金箱形桿件焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律.

1 構(gòu)件成型方式

6061-T6鋁合金材料的本構(gòu)關(guān)系[6-9]，如圖1所示.

圖1 6061-T6鋁合金材料本構(gòu)關(guān)系Fig.1 Constitutive relationship of 6061-T6 aluminium alloy

研究對象為6061-T6鋁板經(jīng)TIG焊接成型的箱型截面桿件，成型方式為按照對應(yīng)尺寸從鋁合金母材中切割4塊板材，之后將四塊兒板材采用TIG填隙焊進行連接，如圖2所示.加工期間環(huán)境溫度范圍為17～22 ℃，外形尺寸150 mm×150 mm，試件長度500 mm，板厚分別為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm，試件尺寸如表1所列，6061-T6鋁合金熱物理參數(shù)[10-12]如表2所列.選取試件中段橫截面的相鄰兩邊為測試邊，測點分布軸線垂直于焊件縱軸線，如圖3～4所示.

圖2 構(gòu)件成型圖Fig.2 Component forming

圖3 焊縫位置及測點分布(單位：mm)Fig.3 Weld position and measuring point distribution (unit：mm)

圖4 試件圖Fig.4 Test specimen

表1 試件尺寸Tab.1 Specimen size

表2 6061-T6鋁合金熱物理參數(shù)Tab.2 Thermal physical parameters of 6061-T6aluminium alloy

2 有限元分析模型

采用ABAQUS建立實體單元模型，模型尺寸為150 mm×150 mm×5 mm.單元采用溫度-位移耦合的C3D8T單元類型，該單元類型特點是可將六面體單元的八個結(jié)點在三個方向上的位移及溫度進行耦合，以實現(xiàn)位移場及溫度場的多場耦合計算，得到單元隨溫度改變而產(chǎn)生的位移.建立有限元模型如圖5所示.

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

模型中對于接觸的定義采用熱對流和熱輻射接觸，以實現(xiàn)在焊接過程中熱量在試件中的傳遞及試件與環(huán)境中的熱交換，環(huán)境溫度選取依據(jù)試件加工時的環(huán)境溫度20 ℃，熱交換系數(shù)為20 J/m2/s/℃，冷卻時間為1 000 s.使用DEFLUX子程序?qū)附舆^程中施加的溫度荷載進行模擬，DEFLUX子程序的優(yōu)點在于可以通過模型坐標(biāo)和焊接時間來確定焊縫位置以及焊接順序，并且可以通過控制焊接速度、焊接功率、焊接方向等條件來實現(xiàn)不同的焊接方式.

在實際焊接過程中，先使用點焊將組成試件的各個板件進行固定連接，之后再對焊縫進行通焊，所以為了模擬試件實際情況將模型兩端約束定義其設(shè)定為完全固定.

3 模擬結(jié)果驗證

3.1 盲孔法理論及測試方法

檢測儀器：選擇EON-M30A型殘余應(yīng)力檢測儀、BN-ZK1型殘余應(yīng)力鉆孔裝置，以及BX120-3CA應(yīng)變花，其三個應(yīng)變片的角度分別為0°、45°、90°.

盲孔法測殘余應(yīng)力基于彈性力學(xué)理論與應(yīng)變電測技術(shù).在構(gòu)件表面鉆孔，則會改變構(gòu)件內(nèi)既有應(yīng)力平衡狀態(tài)，產(chǎn)生應(yīng)變，即應(yīng)力釋放(當(dāng)鉆孔深度達(dá)到1.2倍孔徑時應(yīng)力基本完全釋放).只要測得該應(yīng)變量，則可確定殘余應(yīng)力.在待測構(gòu)件表面粘貼應(yīng)變花后，在應(yīng)變花中心鉆孔，即可測得小孔處的應(yīng)變釋放量，進而得到殘余應(yīng)力值.

采用通孔法，孔徑d=1.5 mm，孔深同于試件厚度，得到試件厚度上的應(yīng)力平均值.由各方向應(yīng)變值可得到兩個處于均勻的平面狀態(tài)的主應(yīng)力(σ1、σ2)和方向角[5,10,13]，如圖6所示.

圖6 盲孔法殘余應(yīng)力測試Fig.6 Blind hole method for residual stress testing

(1)

(2)

(3)

式中:σ1、σ2分別為最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力；ε1、ε2、ε3為圖6中1、2、3號應(yīng)變片對應(yīng)的應(yīng)變值；θ為最大主應(yīng)力與1號應(yīng)變片軸線沿順時針的夾角.A、B為應(yīng)變釋放系數(shù)，其計算公式為[14-15]：

(4)

(5)

應(yīng)變釋放系數(shù)A、B值由試驗確定，取試件同批材料制作標(biāo)定試件，如圖7所示.由測試結(jié)果計算得到A=-0.719，B=-1.44.

圖7 標(biāo)定試件(單位：mm)Fig.7 Calibration specimen(unit：mm)

得到測點兩個主應(yīng)力值及其方向角后，則可確定該測點的殘余應(yīng)力σr[4,10]：

(6)

3.2 實測值與有限元模擬值對比

采用盲孔法與有限元分析得到不同板厚焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力值如圖8所示.

圖8 殘余應(yīng)力分布對比圖Fig.8 Residual stress distribution contrast diagram

對比發(fā)現(xiàn)有限元模擬結(jié)果與盲孔法實測值吻合，驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性.

4 焊接殘余應(yīng)力分布特征

依據(jù)有限元模型得到不同板厚時焊縫邊與非焊縫邊的殘余應(yīng)力分布如圖9所示.

圖9 不同板厚時殘余應(yīng)力分布Fig.9 Residual stress distribution with different plate thickness

4.1 板厚對焊接殘余應(yīng)力的影響

通過對比分析不同板厚時焊縫邊與非焊縫邊的殘余應(yīng)力的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)隨著試件厚度的增加，殘余應(yīng)力峰值會增大；焊接對于試件殘余拉應(yīng)力的分布范圍會隨著厚度的增加而變小，板越厚則構(gòu)件中間部分殘余應(yīng)力等值段越長，板越薄則構(gòu)件中間部分殘余應(yīng)力等值段越短.

4.2 焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律

通過有限元結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)每個試件在其焊縫部位呈現(xiàn)出的是殘余拉應(yīng)力，且此處殘余拉應(yīng)力低于其附近的殘余拉應(yīng)力，構(gòu)件中間部分殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力且等值分布，即焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力呈現(xiàn)U型分布.

5 結(jié)論

本文利用有限元法分析了TIG焊接成型的6061-T6構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，并用盲孔法對有限元的計算結(jié)果進行了驗證，得到了以下結(jié)論：

1) 有限元法可以準(zhǔn)確判定TIG焊接成型的6061-T6鋁合金箱型構(gòu)件的殘余應(yīng)力狀態(tài).

2) TIG焊接成型的6061-T6鋁合金箱型構(gòu)件的殘余應(yīng)力分布規(guī)律與板厚密切相關(guān)：板厚增加則殘余應(yīng)力峰值增大，且殘余應(yīng)力等值段越短.

3) TIG焊接成型的6061-T6鋁合金箱型構(gòu)件的焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力呈現(xiàn)U型分布.