高強(qiáng)度鋼典型焊接接頭參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

孫凱祥，張曉飛，朱德欽，羅廣恩

(1. 江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2. 陸軍軍事交通學(xué)院鎮(zhèn)江校區(qū)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

錐柱耐壓殼是潛器最為重要的焊接結(jié)構(gòu)之一，而高強(qiáng)度鋼為潛器耐壓殼常用材料之一。由于潛器下潛和上浮的循環(huán)往復(fù)而產(chǎn)生了交變載荷，使得錐柱耐壓殼部位成為了疲勞熱點(diǎn)區(qū)域[1]，如圖1所示。殘余應(yīng)力和潛器外載荷相疊加，易使該部位提早發(fā)生疲勞損傷。

圖1 耐壓結(jié)構(gòu)典型焊接接頭Fig. 1 Typical welded joints for compression structures

文獻(xiàn)[2 - 3]采用試驗(yàn)方法對(duì)耐壓殼焊縫附近的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)焊縫處存在著較大的焊接殘余應(yīng)力；文獻(xiàn)[4 - 5]分析得到當(dāng)潛器下潛時(shí)錐柱耐壓殼附近會(huì)產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力。為了降低成本，可采用帶一定角度的平板焊接接頭模型來(lái)模擬錐柱焊接接頭，如圖1（b）所示?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)錐柱耐壓殼典型焊接接頭殘余應(yīng)力數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究較少。

本文以高強(qiáng)度鋼耐壓殼典型焊接接頭模型為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)錐柱耐壓殼典型焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行研究，并分析典型焊接接頭幾何參數(shù)和焊接工藝參數(shù)等對(duì)殘余應(yīng)力的影響。研究結(jié)果可為高強(qiáng)度鋼水下耐壓結(jié)構(gòu)的安全性研究提供相關(guān)理論基礎(chǔ)。

1 焊接殘余應(yīng)力有限元分析方法

利用有限元法分析焊接溫度場(chǎng)時(shí)，假設(shè)單個(gè)單元內(nèi)的節(jié)點(diǎn)溫度在空間域上呈線性分布，節(jié)點(diǎn)溫度的一階常系數(shù)微分方程組利用變分公式推導(dǎo)。時(shí)間域上，使用有限差分法將其轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)溫度線性代數(shù)方程組的遞推公式，疊加每個(gè)單元矩陣，從而形成節(jié)點(diǎn)溫度的線性方程組，進(jìn)而可以求得節(jié)點(diǎn)的溫度，其方法如下：

將空間域離散，形函數(shù)記為N，單元節(jié)點(diǎn)溫度為T(mén)e，則每個(gè)單元內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的溫度可表示為

焊接殘余應(yīng)力的本質(zhì)在于焊接過(guò)程中產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形，材料處于彈塑性狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[6]為

式中：dσ 為應(yīng)力增量；dε 為應(yīng)變?cè)隽?；dT為溫度增量；D為彈性或彈塑性矩陣；C為與溫度有關(guān)的向量。

2 耐壓殼典型焊接接頭有限元模型

耐壓殼典型焊接接頭模型由2塊尺寸為300 mm×300 mm×22 mm的高強(qiáng)度鋼平板（A板）和1塊尺寸為150 mm×300 mm×22 mm的高強(qiáng)度鋼平板（B板）分別呈27°錐角焊接而成，形成兩道焊縫，分別為焊縫I和焊縫II，焊縫尺寸為20 mm×300 mm×22 mm，焊接接頭有凹凸面之分，如圖2所示。

圖2 焊接接頭模型幾何尺寸Fig. 2 Geometry size model of welding joint

參考實(shí)際焊接工藝流程等相關(guān)參數(shù)，基于有限元分析軟件Ansys的APDL語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)了典型錐柱耐壓殼焊接接頭的焊接數(shù)值模擬程序。網(wǎng)格劃分在焊縫區(qū)域處較密集，而隨遠(yuǎn)離焊縫距離的增加網(wǎng)格逐漸變疏，如圖3所示。

圖3 焊接接頭有限元模型Fig. 3 Finite element model of welded joint

2.1 焊接材料參數(shù)

高強(qiáng)度鋼耐壓殼典型焊接接頭模型材料的熱物理性能和應(yīng)力應(yīng)變特性參數(shù)如表1及表2所示。

表1 某高強(qiáng)度鋼材料的熱物理性能參數(shù)Tab. 1 Thermophysical properties of a high strength steel material

表2 某高強(qiáng)度鋼材料的應(yīng)力應(yīng)變特性（MPa）Tab. 2 Stress and strain characteristics of a high strength steel material （MPa）

2.2 焊接熱源的選取

焊接過(guò)程采用手工電弧焊焊接，焊接電流為23 A，焊接電壓為112 V，焊接速度為125 mm/min，焊接熱效率為0.7，焊喉初始溫度為1 300℃。在模擬焊接過(guò)程時(shí)在焊縫厚度方向上簡(jiǎn)化成若干道焊縫，采用沿厚度方向交替焊的焊接工藝。

采用生死單元方法模擬焊縫的填充，凈焊接熱輸入的方程如下式：

式中：v為焊接速度；η為焊接熱效率；u為電弧電壓；I為焊接電流。

2.3 邊界條件

初始溫度設(shè)定為25 ℃，對(duì)流換熱系數(shù)為62.5 W/m2·℃。將模型的4個(gè)角邊剛性固定以防止其在計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生剛體位移。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于模擬和試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)軸向焊接殘余應(yīng)力對(duì)裂紋以及模型的疲勞有重要影響，所以本文著重對(duì)軸向焊接殘余應(yīng)力研究，且在模擬中焊縫II（圖1和圖2）軸向焊接殘余應(yīng)力在距焊縫100～150 mm左右基本已經(jīng)降到很低，因此，耐壓殼典型焊接接頭中焊縫II對(duì)焊縫I熱影響區(qū)的影響可以忽略，所以本文只對(duì)焊縫I（圖1和圖2）進(jìn)行殘余應(yīng)力研究。圖4和圖5分別為模型焊縫I凹面及凸面表面軸向焊接殘余應(yīng)力（垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力）分布和殘余應(yīng)力分別在凹、凸表面板寬中軸線的分布曲線，工藝參數(shù)參照實(shí)際的焊接參數(shù)。

圖4 軸向焊接殘余應(yīng)力的分布（焊縫I）Fig. 4 Distribution of axial welding residual stress (weld seam I)

圖5 軸向焊接殘余應(yīng)力在板寬中軸線分布（焊縫I）Fig. 5 Distribution axial welding residual stress along width centerline (weld seam I)

從圖4和圖5可以看出：焊縫I凹面的軸向焊接殘余應(yīng)力呈雙峰形狀分布，且為拉應(yīng)力，最大值有249 MPa左右；焊縫I凸面軸向焊接殘余壓應(yīng)力呈單峰形狀分布，最大值有390 MPa左右；且均在焊縫區(qū)域較大。

3 耐壓殼典型焊接接頭殘余應(yīng)力試驗(yàn)研究

采用X射線法對(duì)耐壓殼典型焊接接頭模型表面焊縫附近區(qū)域的軸向焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。

3.1 試驗(yàn)測(cè)量步驟

1）在測(cè)試表面劃線定點(diǎn)、標(biāo)示坐標(biāo)系、確定測(cè)量位置及編號(hào)，如圖6所示。X軸為板寬的中心線，Y軸為焊縫I中心線。

圖6 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig. 6 Layout of test point

2）實(shí)驗(yàn)之前先用電動(dòng)打磨機(jī)，去除各測(cè)點(diǎn)處表面的氧化膜和銹斑，之后再用細(xì)砂紙，打磨整個(gè)試件表面直至平整。

3）對(duì)模型試件表面進(jìn)行電解拋光處理，消除因打磨產(chǎn)生的加工應(yīng)力，拋光深度約為100 μm。電解拋光處理后立即將試件表面擦凈，用紙和布將其遮護(hù)，確保模型試件表面干燥，防止生銹。

4）用X射線殘余應(yīng)力儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)依次完成儀器的定位和標(biāo)定、測(cè)點(diǎn)對(duì)中和測(cè)量4個(gè)步驟。

3.2 測(cè)量結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量并得到耐壓殼典型焊接接頭模型焊縫I附近表面處的軸向焊接殘余應(yīng)力，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 軸向焊接殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果（MPa）Tab. 3 Measurement result of axial welding residual stress (MPa)

4 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比

將有限元計(jì)算得到的模型軸向焊接殘余應(yīng)力與試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行比較，如圖7所示。

圖7 殘余應(yīng)力模擬值與試驗(yàn)值比較Fig. 7 Comparison between simulation and test of residual stresses

從圖7可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)基本一致，所以本文采用的有限元數(shù)值模擬方法對(duì)耐壓殼典型焊接接頭模型焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析是合理的。

5 材料參數(shù)對(duì)耐壓殼模型焊接殘余應(yīng)力的影響

5.1 材料屈服強(qiáng)度

在假定其他參數(shù)相同的情況下，分別設(shè)屈服強(qiáng)度為760 MPa，860 MPa和960 MPa，對(duì)典型耐壓殼焊接接頭模型進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果如圖8及表4所示。

表4 不同屈服強(qiáng)度材料的模型軸向焊接殘余應(yīng)力最大值（MPa）Tab. 4 Maximum axial welding residual stress of different yield strength materials（MPa）

圖8 材料屈服強(qiáng)度對(duì)模型軸向焊接殘余應(yīng)力的影響Fig. 8 Effect of material yield strength on axial welding residual stress

可以看出，當(dāng)材料屈服強(qiáng)度不同時(shí)：

1）軸向焊接殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)基本一致；

2）當(dāng)材料屈服強(qiáng)度增大時(shí)，模型凸面的軸向焊接殘余壓應(yīng)力以及凹面的軸向焊接殘余拉應(yīng)力都會(huì)隨著增大，在焊縫區(qū)表現(xiàn)的最為明顯；

3）相對(duì)模型凸面軸向焊接殘余壓應(yīng)力的增加，模型凹面軸向焊接殘余拉應(yīng)力的增加不大。

5.2 材料熱膨脹系數(shù)

在假定其他參數(shù)相同的情況下，分別設(shè)熱膨脹系數(shù)為1.06E-5，1.56E-5和2.06E-5，對(duì)典型耐壓殼焊接接頭模型進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果如圖9 及表5所示。

表5 不同熱膨脹系數(shù)模型的軸向焊接殘余應(yīng)力最大值（MPa）Tab. 5 Maximum axial welding residual stress of different thermal expansion coefficients (MPa)

圖9 熱膨脹系數(shù)對(duì)模型軸向焊接殘余應(yīng)力的影響Fig. 9 Effect of thermal expansion coefficient on axial welding residual stress

可以看出，模型凸面的軸向焊接殘余壓應(yīng)力以及凹面的軸向焊接殘余拉應(yīng)力都隨著材料熱膨脹系數(shù)的增大而增大，且在焊縫附近區(qū)域的增幅比較明顯。

5.3 材料熱傳導(dǎo)率

在假定其他參數(shù)相同的情況下，分別設(shè)熱傳導(dǎo)率為16.3，26.3和36.3，對(duì)典型耐壓殼焊接接頭模型進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果如圖10及表6所示。

表6 不同熱傳導(dǎo)率的模型軸向焊接殘余應(yīng)力最大值（MPa）Tab. 6 Maximum axial welding residual stress with the different thermal conductivity (MPa)

圖10 熱傳導(dǎo)率對(duì)模型軸向焊接殘余應(yīng)力的影響Fig. 10 Effect of thermal conductivity on axial welding residual stress

可以看出，當(dāng)材料熱傳導(dǎo)率增大時(shí)，模型凸面的軸向焊接拉應(yīng)力和凹面的軸向焊接殘余壓應(yīng)力都不斷加大。

6 邊界條件對(duì)耐壓殼模型焊接殘余應(yīng)力的影響

在假定其他參數(shù)相同的情況下，分別設(shè)邊界條件兩邊端面8個(gè)點(diǎn)約束、4條邊約束及8條邊約束（約束由弱到強(qiáng)），對(duì)典型耐壓殼焊接接頭模型進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果如圖11及表7所示。

表7 不同邊界條件的模型軸向焊接殘余應(yīng)力最大值（MPa）Tab. 7 Maximum axial welding residual stress with the different boundary conditions (MPa)

圖11 邊界條件對(duì)模型軸向焊接殘余應(yīng)力的影響Fig. 11 Influence of boundary condition on axial welding residual stress

可以看出，當(dāng)邊界條件不同時(shí)：

1）軸向焊接殘余應(yīng)力的分布趨勢(shì)基本保持一致；當(dāng)約束減弱時(shí)，模型凹面的軸向焊接殘余拉應(yīng)力的雙峰分布更為明顯；

2）隨著約束的增強(qiáng)，模型凸面軸向焊接殘余壓應(yīng)力及凹面軸向焊接殘余拉應(yīng)力的應(yīng)力水平都會(huì)有不同程度的增加。

7 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高強(qiáng)度鋼典型焊接接頭殘余應(yīng)力及相關(guān)參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力影響的研究，可以得到以下結(jié)論：

1）材料屬性和邊界條件和對(duì)耐壓殼典型焊接接頭模型殘余應(yīng)力有影響；改變材料屬性和邊界條件后，耐壓殼典型焊接接頭模型殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)不發(fā)生明顯改變，只是應(yīng)力值發(fā)生了變化，并在焊縫附近區(qū)域表現(xiàn)更為明顯。

2）在邊界條件相同的情況下，當(dāng)材料屈服強(qiáng)度、材料膨脹系數(shù)以及熱傳導(dǎo)率增大時(shí)，模型凸面的軸向焊接殘余壓應(yīng)力以及凹面的軸向焊接殘余拉應(yīng)力都隨之增大；當(dāng)材料屈服強(qiáng)度增加時(shí)，相對(duì)模型凸面軸向焊接殘余壓應(yīng)力的增加，模型凹面軸向焊接殘余拉應(yīng)力的增加不大。

3）在材料屬性相同的情況下，當(dāng)邊界約束增強(qiáng)時(shí)，模型凸面軸向焊接殘余壓應(yīng)力和凹面軸向焊接殘余應(yīng)力拉應(yīng)力都會(huì)有不同程度的增加；隨著邊界約束的減弱，模型凹面的軸向焊接殘余拉應(yīng)力的雙峰分布更為明顯。