預(yù)熱對(duì)EH47高強(qiáng)鋼厚板殘余應(yīng)力影響的數(shù)值模擬

周維

(中國(guó)船級(jí)社 上海分社，上海 200137)

高強(qiáng)度鋼相比于普通鋼，對(duì)焊接工藝提出了更高的要求，船用厚板焊接一般采用多層多道焊接，在焊接過程中由于焊縫區(qū)劇烈的非均勻熱膨脹和收縮，被焊工件不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接內(nèi)應(yīng)力，即通常所說的焊接殘余應(yīng)力。由于焊接殘余應(yīng)力的存在，降低了結(jié)構(gòu)的總體強(qiáng)度，直接影響船體結(jié)構(gòu)的服役性能，甚至可能產(chǎn)生潛在的安全隱患。關(guān)于船用高強(qiáng)鋼厚板的焊接殘余應(yīng)力的研究，包括船用厚板高強(qiáng)度鋼焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及其對(duì)結(jié)構(gòu)焊接缺陷的不利影響[1]、數(shù)值計(jì)算方法在厚板多道焊中的應(yīng)用、不同約束條件下船用高強(qiáng)鋼厚板焊接殘余應(yīng)力的大小及分布規(guī)律[2]、焊后熱處理對(duì)焊接殘余應(yīng)力的緩解作用[3]等。而焊前預(yù)熱雖然已經(jīng)是目前船用厚板焊接的一道前置工序[4-5]，并且相關(guān)要求已被納入船級(jí)社規(guī)范，但是對(duì)于焊前預(yù)熱如何影響高強(qiáng)鋼厚板焊接殘余應(yīng)力的研究還較少，許多造船廠的焊接工藝文件也只是給出一個(gè)參考的預(yù)熱溫度，不同的造船廠對(duì)預(yù)熱溫度的要求不盡相同，存在較大區(qū)別。為此，考慮采用有限元分析軟件ANSYS建立厚板高強(qiáng)度鋼的對(duì)接焊模型，計(jì)算不同焊前預(yù)熱溫度條件下高強(qiáng)鋼厚板焊接殘余應(yīng)力的大小及分布，進(jìn)一步明確焊前預(yù)熱對(duì)高強(qiáng)鋼厚板焊接殘余應(yīng)力的影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 有限元模型

數(shù)值模擬的方法為間接耦合的三維熱彈塑性有限元法，溫度場(chǎng)分析時(shí)將結(jié)構(gòu)初始溫度取為環(huán)境溫度25 ℃，散熱的途徑為其外表面與空氣之間的熱量交換，換熱邊界條件施加在結(jié)構(gòu)外表面，按對(duì)流系數(shù)加載，取值為15 W/(m2·℃)。通過溫度場(chǎng)計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)溫度后，以體載荷的方式施加到應(yīng)力場(chǎng)求解以模擬焊接殘余應(yīng)力。在應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算中，為減小約束條件的影響，僅施加控制剛體位移的約束條件。厚板對(duì)接焊數(shù)值計(jì)算模型采用兩塊400 mm×200 mm×60 mm的EH47高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行焊接，開X形坡口，坡口角度為60°，坡口兩側(cè)分別設(shè)置六道焊縫，正面焊縫焊接完成之后再進(jìn)行反面焊縫的焊接，焊縫之間的冷卻時(shí)間為180 s。焊接參數(shù)設(shè)定為：焊接電流800 A，電壓36 V，焊接速度5 mm/s，焊接熱效率0.8。為了兼顧大規(guī)模有限元計(jì)算的精度及計(jì)算效率[6]，焊縫附近網(wǎng)格劃分細(xì)密，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)采用較大的單元尺寸，有限元網(wǎng)格模型見圖1。

圖1 有限元網(wǎng)格模型

1.2 材料性能

焊接過程中焊接結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的劇烈變化，通常材料的諸多性能參數(shù)都是隨溫度的變化而變化的，為了準(zhǔn)確模擬焊接過程，需要對(duì)材料的熱物理性能參數(shù)進(jìn)行定義。由于許多材料在高溫狀態(tài)下的性能參數(shù)相對(duì)缺乏，采用材料性能模擬軟件Jmatpro，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料[7]及有限元計(jì)算規(guī)則，得到EH47高強(qiáng)鋼的熱物理性能參數(shù)，見表1。

表1 EH47鋼熱物理參數(shù)表

1.3 程序驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所用計(jì)算程序的合理性，將殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與已有文獻(xiàn)[8]中類似材質(zhì)的高強(qiáng)鋼厚板對(duì)接焊的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。為便于表述，將縱向定義為沿焊縫方向，橫向定義為垂直焊縫方向，中截面下表面殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 中截面下表面殘余應(yīng)力計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖2可以看出，縱向應(yīng)力的模擬數(shù)值和實(shí)驗(yàn)數(shù)值基本上比較吻合，橫向應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)比較一致，僅在數(shù)值上有些偏差，這主要是兩者的坡口形式及焊縫寬度等因素的影響。由此認(rèn)為本文數(shù)值計(jì)算方法能夠用于考慮高強(qiáng)鋼厚板的殘余應(yīng)力。

1.4 焊接殘余應(yīng)力分布

通過上述溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)耦合分析之后得到無焊前預(yù)熱狀態(tài)下厚板對(duì)接焊的殘余應(yīng)力的分布，見圖3。

從圖3可以看出，焊接殘余應(yīng)力在空間上呈現(xiàn)出對(duì)稱分布的特點(diǎn)，較規(guī)律。具體表現(xiàn)為：縱向殘余應(yīng)力在焊縫附近呈現(xiàn)出高拉應(yīng)力，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)，應(yīng)力逐漸減小，出現(xiàn)壓應(yīng)力；縱向、橫向殘余應(yīng)力在焊縫兩端的應(yīng)力值為負(fù)值，呈現(xiàn)出壓應(yīng)力，中間區(qū)應(yīng)力值為正值，呈現(xiàn)出拉應(yīng)力，原因在于焊接過程中熔池處金屬溫度急劇升高，膨脹的金屬體積受到周圍冷金屬的擠壓，產(chǎn)生壓應(yīng)力，而熔池后方金屬溫度下降，體積收縮對(duì)周圍金屬產(chǎn)生拉伸力，因此就會(huì)出現(xiàn)焊縫中間區(qū)域產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力的現(xiàn)象。厚度方向由于前后焊道之間彼此的熱處理左右，其應(yīng)力值小于縱向和橫向的應(yīng)力值，整體應(yīng)力分布比較均勻。

等效應(yīng)力由于綜合考慮了三個(gè)方向的主應(yīng)力，可以比較方便地用來衡量一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)前已被廣泛運(yùn)用。無預(yù)熱狀態(tài)下等效應(yīng)力分布見圖3d)，可以看出,等效應(yīng)力的分布同樣出現(xiàn)對(duì)稱分布的特點(diǎn)，并且也表現(xiàn)出焊縫區(qū)域應(yīng)力較高，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)應(yīng)力逐漸降低的特征。焊縫附近殘余應(yīng)力基本都達(dá)到340 MPa以上，峰值應(yīng)力甚至高達(dá)377 MPa，達(dá)到EH47鋼常溫下屈服強(qiáng)度的80%左右，在外部載荷的疊加作用下，這部分位置較易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂等結(jié)構(gòu)損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低甚至失效。因此在生產(chǎn)實(shí)踐中，普遍采用多種手段包括焊前預(yù)熱、焊后保溫?zé)崽幚淼榷喾N方法以降低厚板區(qū)域焊接殘余應(yīng)力。

圖3 無焊前預(yù)熱狀態(tài)下對(duì)接焊殘余應(yīng)力分布

2 預(yù)熱對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響

分別設(shè)定不同的預(yù)熱溫度，探究其對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響規(guī)律。綜合考慮計(jì)算效率及常規(guī)的預(yù)熱溫度范圍，選取預(yù)熱溫度范圍為60 ℃～200 ℃，各組別之間的溫度差別為20 ℃，假定預(yù)熱時(shí)整體構(gòu)件均勻受熱。

沿焊縫長(zhǎng)度方向截取3個(gè)截面，距端面距離分別為x=a/4、x=a/2和x=3a/4，并且依次提取每個(gè)截面的上表面、厚度方向中平面及下表面的等效殘余應(yīng)力，提取位置見圖4，其中AA路徑代表x=a/4截面與上表面交線，A′A′路徑代表x=a/4截面與中平面交線，A″A″路徑代表x=a/4截面與下表面交線，其余路徑的標(biāo)識(shí)方式以此類推。

圖4 殘余應(yīng)力提取位置示意

2.1 預(yù)熱對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響

無預(yù)熱及預(yù)熱溫度為200 ℃時(shí)3個(gè)截面各路徑殘余應(yīng)力分布見圖5。

由圖5可見，在這2種情況下，殘余應(yīng)力的分布情況比較相似，各截面3個(gè)路徑應(yīng)力的變化趨勢(shì)也基本一致。上表面和下表面殘余應(yīng)力峰值比較接近，厚度方向中平面的殘余應(yīng)力峰值較上下表面略大，但是峰值出現(xiàn)的范圍卻比上下表面要小，這是由于焊縫上下開坡口，中間位置焊縫寬度較窄的緣故；整體來看，下表面各路徑的殘余應(yīng)力較上表面及中平面大，這是由于中平面和上表面焊道首先焊接，而后受到下表面焊道的熱作用，使得上表面及中平面的殘余應(yīng)力小于下表面殘余應(yīng)力。整體上看，距離焊縫中心線越遠(yuǎn)，殘余應(yīng)力呈下降趨勢(shì)，但是在焊縫兩側(cè)距中心線約40 mm出現(xiàn)波谷之后，殘余應(yīng)力有一個(gè)回升變大的現(xiàn)象，這主要是由于橫向殘余應(yīng)力在此附近出現(xiàn)峰值的原因。

圖5 無預(yù)熱及預(yù)熱溫度(T=200 ℃)時(shí)殘余應(yīng)力分布

總的來說，預(yù)熱溫度為200 ℃時(shí)和無預(yù)熱情況下，殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出類似的分布，說明預(yù)熱對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響較小。

2.2 預(yù)熱對(duì)殘余應(yīng)力大小的影響

選取距端面距離x=a/2處截面的3個(gè)路徑BB、B′B′和B″B″進(jìn)行分析，圖6a)～c)中從上往下預(yù)熱溫度逐漸提高，可以看出，對(duì)于選取的各個(gè)測(cè)試路徑，隨著預(yù)熱溫度的提高，殘余應(yīng)力整體上呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這說明焊前預(yù)熱處理能夠有效地降低厚板的焊后殘余應(yīng)力。當(dāng)預(yù)熱溫度為60 ℃時(shí)，焊縫處的峰值殘余應(yīng)力為348 MPa，相比于未預(yù)熱時(shí)的最大殘余應(yīng)力377 MPa，降低約7.7%；當(dāng)預(yù)熱溫度上升到200 ℃時(shí)焊縫處的最大殘余應(yīng)力僅為331 MPa，下降了12.2%。

從圖6d)可以發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)熱溫度的升高，各路徑最大殘余應(yīng)力的下降趨勢(shì)呈現(xiàn)出趨緩的規(guī)律，即預(yù)熱溫度對(duì)降低焊接殘余應(yīng)力的降低效果在逐漸下降。預(yù)熱溫度為200 ℃時(shí)的最大殘余應(yīng)力相比于預(yù)熱溫度為160 ℃時(shí)的最大殘余應(yīng)力，僅降低了0.6%，可知預(yù)熱溫度達(dá)到160 ℃之后，繼續(xù)增加預(yù)熱溫度對(duì)于改善焊后殘余應(yīng)力大小的作用不甚明顯。

圖6 各預(yù)熱溫度下殘余應(yīng)力

2.3 不同板厚下預(yù)熱的影響

保持模型其他參數(shù)不變，選取板厚分別為40、80及100 mm，計(jì)算得到各種情況下焊縫附近的最大殘余應(yīng)力，見圖7。

由圖7可以看出，板厚越大，最終殘余應(yīng)力的峰值反而越低；隨預(yù)熱溫度的升高，各板厚下最大殘余應(yīng)力都呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。預(yù)熱溫度達(dá)到140 ℃～160 ℃附近時(shí)，各板厚下最大殘余應(yīng)力的降低趨勢(shì)都開始趨于緩和，此時(shí)，殘余應(yīng)力的降低值為10%左右。因此，實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中預(yù)熱溫度達(dá)到140 ℃～160 ℃時(shí)即可，考慮到需要付出的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本，并無必要繼續(xù)提高預(yù)熱溫度。

圖7 各板厚下最大殘余應(yīng)力

3 結(jié)論

1)不同預(yù)熱溫度下，厚板焊接的殘余應(yīng)力分布比較接近，整體分布基本呈現(xiàn)出關(guān)于焊縫中心線對(duì)稱分布，即焊前預(yù)熱對(duì)殘余應(yīng)力的分布影響較小。

2)焊前預(yù)熱能夠有效降低厚板對(duì)接焊的殘余應(yīng)力，對(duì)板厚預(yù)熱溫度達(dá)到140 ℃～160 ℃時(shí)，最大殘余應(yīng)力相比常溫(25 ℃)不預(yù)熱狀態(tài)，能夠降低10%左右。因此焊前預(yù)熱對(duì)改善厚板結(jié)構(gòu)的焊后缺陷具有一定意義。

3)當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到160 ℃左右時(shí)，對(duì)殘余應(yīng)力的降低作用開始趨緩，繼續(xù)增加預(yù)熱溫度相比在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中所付出的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本而言，意義不大。