厚壁鑄鋼件多層多道補(bǔ)焊殘余應(yīng)力分布仿真

劉博

(1.江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2.中國石化天然氣分公司，北京 100029)

0 前言

汽輪機(jī)汽缸等部件形狀復(fù)雜，一般采用鑄鋼材料，鑄鋼件在高溫下運(yùn)行時(shí)承受內(nèi)應(yīng)力、靜應(yīng)力及鑄件內(nèi)外壁溫差引起的熱應(yīng)力，因此，在保證鑄件具有良好的鑄造性、焊接性、足夠的強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，還要求鑄鋼件有足夠的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度、良好的抗熱疲勞性能和抗氧化性[1]。汽輪機(jī)缸體主要材料有 ZG20CrMo，ZG20CrMoV，ZG20Cr1MoV，ZG15Cr1Mo1V 等珠光體耐熱鋼[2-3]。金屬材料在復(fù)變應(yīng)力的反復(fù)作用下，會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷，即在應(yīng)力不超過材料屈服極限的情況下，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)，金屬材料也將產(chǎn)生微觀裂紋，如應(yīng)力足夠大，則裂紋將擴(kuò)展成宏觀裂紋，甚至斷裂[4-5]。這就需要對(duì)大厚度的鑄鋼汽缸進(jìn)行焊接修復(fù)，為確保焊補(bǔ)工藝合理，達(dá)到焊時(shí)及焊后不裂，運(yùn)行后不裂的要求，應(yīng)對(duì)補(bǔ)焊工藝嚴(yán)格要求，焊前要充分預(yù)熱，且在補(bǔ)焊過程中要實(shí)時(shí)對(duì)待修復(fù)部件進(jìn)行變形監(jiān)控[6-7]。因此對(duì)大厚度鑄鋼件補(bǔ)焊工藝確定前的焊道熱循環(huán)、殘余應(yīng)力分布及其影響因素的仿真研究顯得至關(guān)重要。

多層多道焊和簡單的單層單道焊有很大區(qū)別，在多層多道焊過程中不僅涉及電弧加熱、熔池熔化、焊縫非勻態(tài)冷卻等過程，還涉及前道焊縫對(duì)后道焊縫的預(yù)熱作用和后道焊縫對(duì)前道焊縫的熱處理作用，焊接修復(fù)時(shí)要對(duì)早期裂紋進(jìn)行挖補(bǔ)焊，焊接過程有別于普通的對(duì)接焊和堆焊，挖補(bǔ)焊時(shí)焊接拘束比較大更易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，影響焊接修復(fù)質(zhì)量[8-9]。因此，研究挖補(bǔ)焊過程特別是殘余應(yīng)力分布的影響因素具有重要的意義。而目前針對(duì)大厚度鑄鋼件進(jìn)行多層多道補(bǔ)焊殘余應(yīng)力模擬的研究較少，基于生死單元技術(shù)，采用 ABAQUS有限元分析軟件對(duì)ZG15Cr1Mo1V鑄鋼件多層多道補(bǔ)焊殘余應(yīng)力場進(jìn)行了仿真模擬，研究了補(bǔ)焊區(qū)域殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及不同參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響。

1 多層多道補(bǔ)焊模型的建立

為了完成汽缸的挖補(bǔ)焊接修復(fù)，首先要對(duì)挖補(bǔ)修復(fù)多層多道焊過程及其影響因素進(jìn)行研究，文中建立了大厚板的挖補(bǔ)焊接修復(fù)模型，旨在研究焊接修復(fù)過程中的應(yīng)力分布情況，并對(duì)修復(fù)過程中的工藝進(jìn)行比較研究，為實(shí)體焊接修復(fù)過程提供技術(shù)依據(jù)。

1.1 分段熱源模型

在多層多道焊過程中，如果焊道比較多，采用普通的移動(dòng)熱源模型又要求焊縫區(qū)域要有很細(xì)的網(wǎng)格劃分，這必然導(dǎo)致計(jì)算效率的降低，為了提高計(jì)算效率，該模型將采用分段熱源模型如圖1所示，在保證精度的前提下提高計(jì)算效率。

圖1 分段熱源模型

根據(jù)蔡志鵬分段熱源理論，若將長度為d的焊縫分為n段，則每一段單位時(shí)間內(nèi)輸入熱量：

(1)

式中：qM為高斯熱源模型中加熱斑點(diǎn)中心最大熱流密度；K為能量集中系數(shù)；熱源加熱時(shí)間t為：

(2)

式中：K為能量集中系數(shù)；v為焊接速度[10]。

熱源分段化處理后，在每一段內(nèi)是按作用一定時(shí)間的帶狀熱源處理，一段帶狀熱源沿焊接方向依次施加到工件上，因此就可以用較少的時(shí)間增量步描述焊接時(shí)的熱源移動(dòng)與熱流作用過程，從而大大減少計(jì)算時(shí)間。

1.2 模型尺寸、網(wǎng)格劃分及材料焊接工藝

該模型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，缺陷大?。?00 mm×50 mm×20 mm，網(wǎng)格劃分時(shí)，在焊縫由于溫度梯度比較大，所以焊縫處處細(xì)化網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊縫處溫度梯度較小，可以網(wǎng)格粗化，坡口形式及網(wǎng)格劃分如圖2所示，焊道每層厚為2.5 mm，分8層24道焊，預(yù)熱200 ℃。材料選用的是ZG15Cr1Mo1V鑄鋼，焊接工藝采用TIG焊接方法，焊絲采用R31焊絲，直徑2.5 mm。

圖2 多層多道挖補(bǔ)焊坡口形式及網(wǎng)格劃分

1.3 熱源的施加和邊界換熱條件

在該模型中，考慮到焊道比較多，使用移動(dòng)熱源模型時(shí)需要時(shí)間比較長，因此為了提高計(jì)算效率，選用上文提到的分段熱源模型。在焊接過程中的熱輸入為10 kJ/(cm·s)。在多層多道焊過程中涉及到前道焊縫與后道焊縫之間的相互影響作用，所以在實(shí)際焊接過程中要控制層間溫度，為了模擬實(shí)際情況，在建模過程中，每道焊之后要有一個(gè)冷卻過程，使層間溫度控制在與預(yù)熱溫度相差不大的范圍之內(nèi)。該模型中每兩道焊之間的冷卻時(shí)間為70 s。

在模型中設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃。該模型中熱源效率選為0.7，熱源有效作用半徑取為7.1 mm。在模型中考慮熱損失，熱損失分為對(duì)流和熱輻射熱損失，在熱分析過程中假設(shè)模型所有的表面都通過與周圍氣體對(duì)流來損失熱量，熱量損失計(jì)算如式(3)：

qc=-hc(Ts-T0)

(3)

式中：hc為熱傳導(dǎo)系數(shù)；Ts為焊件的溫度；T0為環(huán)境溫度，取20 ℃；在該模型中熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為15×10-6W/(mm2·℃)。模型的熱輻射損失由公式(4)給出：

qr=-εσ[(Ts+273)4-(T0+273)4]

(4)

式中：ε為熱輻射系數(shù)，模型中取輻射系數(shù)為0.8；σ為玻爾茲曼常數(shù)[11]。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1 焊接過程熱循環(huán)曲線

為了研究多層多道焊過程中的加熱過程，選取坡口底部左右各一點(diǎn)，并提取焊接過程中的熱循環(huán)曲線如圖3所示。從圖中可以看出，圖中的每一個(gè)峰就是一道焊接過程，在焊接第一道焊縫時(shí)距離破口底部的距離最近，因此溫度也就最高，最高溫度達(dá)到材料的熔點(diǎn)。隨著后續(xù)焊縫距離取樣點(diǎn)的距離越來越遠(yuǎn)，溫度也就也來越低。在每一道焊接之后，有一個(gè)冷卻過程，可以從圖中直觀的變現(xiàn)出來。

圖3 坡口底部左右側(cè)各一點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

比較坡口底部左右兩點(diǎn)的熱循環(huán)曲線可以看出，在左側(cè)點(diǎn)，第二道焊縫的最高溫度高于第三道焊縫的最高溫度，而在右側(cè)點(diǎn)，第二道焊縫的最高溫度低于第三道焊縫的最高溫度，這是因?yàn)樵诤附舆^程中，第二道焊縫和第三道焊縫都為第二層，且在焊接時(shí)先焊的左道焊縫，接著才是右道焊縫。在焊接左道焊縫時(shí)，左側(cè)點(diǎn)的溫度高于右側(cè)點(diǎn)，其他層情況也一樣。從熱循環(huán)曲線可以很好的反映焊接過程。

2.2 焊接殘余應(yīng)力分布

所有焊道焊接完成之后，試件冷卻到室溫之后的應(yīng)力為焊接殘余應(yīng)力。該模型中焊接橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力的三維分布情況如圖4所示。

圖4 縱向殘余應(yīng)力分布

從三維殘余應(yīng)力分布云圖可以直觀的了解焊接殘余應(yīng)力的分布情況，在焊縫區(qū)域無論是縱向應(yīng)力還是橫向應(yīng)力都表現(xiàn)為拉應(yīng)力，這是由于在焊縫冷卻過程中，金屬的收縮受到焊縫外金屬的限制引起的。橫向應(yīng)力在沿焊縫方向?yàn)槊黠@的拉壓趨勢，兩端為壓應(yīng)力，中間為拉應(yīng)力，這是由于焊縫及其附近塑性區(qū)的縱向收縮引起?？v向殘余應(yīng)力在垂直焊縫方向?yàn)閴?拉-壓的分布。

為了進(jìn)一步分析殘余應(yīng)力在焊縫橫截面上的分布情況，選取焊縫中心垂直焊縫的截面上的2條路徑如圖5所示，提取路徑上的應(yīng)力分布如圖6和圖7所示。

圖5 選取路徑

圖7 路徑2上應(yīng)力分布

從路徑1圖中可以看到，垂直焊縫方向上，縱向殘余應(yīng)力基本關(guān)于焊縫中心對(duì)稱，在焊縫附近區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，拉應(yīng)力的最大值為400 MPa左右，接近材料的屈服強(qiáng)度，在遠(yuǎn)離焊縫處為壓應(yīng)力。與實(shí)際焊接過程相符合?？v向殘余應(yīng)力曲線中的每一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)一道焊縫，最后一道焊道上的殘余應(yīng)力最大，這是因?yàn)橄群傅暮傅罆?huì)受到后焊焊道的影響，相當(dāng)于做了熱處理，而最后一道焊道則沒有這種作用。垂直焊縫方向上，橫向殘余應(yīng)力全為拉應(yīng)力。

比較路徑1和路徑2上的應(yīng)力分布可以看到，殘余應(yīng)力的大小相差不大，但縱向應(yīng)力拉應(yīng)力區(qū)的寬度則不同，坡口上部的拉應(yīng)力區(qū)寬度明顯大于坡口下部。因此只需對(duì)坡口上部進(jìn)行分析，若上部滿足殘余應(yīng)力要求，則下部也滿足要求。

2.3 不同參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

考慮到進(jìn)行不同參數(shù)對(duì)補(bǔ)焊殘余應(yīng)力的影響分析需要計(jì)算多個(gè)模型，為了提高計(jì)算效率，使用二維模型進(jìn)行分析，即取焊縫橫截面進(jìn)行建模。

2.3.1不同預(yù)熱溫度的影響

在焊接修復(fù)過程中，因?yàn)槠渚哂泻艽蟮睦淞鸭y傾向，因此必須進(jìn)行焊前預(yù)熱處理，不同的預(yù)熱溫度不僅影響焊縫的組織形態(tài)，而且對(duì)焊接殘余應(yīng)力有很大的影響，在焊接過程中選擇合適的預(yù)熱溫度對(duì)焊接質(zhì)量的保證很重要。預(yù)熱溫度分別為20 ℃，100 ℃，200 ℃，300 ℃的焊縫縱向應(yīng)力分布云圖如8所示。

從應(yīng)力云圖可以看到，殘余應(yīng)力分布關(guān)于焊縫呈對(duì)稱分布，隨著預(yù)熱溫度的升高，熔池部位焊接殘余拉應(yīng)力的峰值呈下降趨勢，從整體應(yīng)力分布來看，殘余拉應(yīng)力的分布區(qū)域逐漸減小，壓應(yīng)力區(qū)域增大。提取焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應(yīng)力分布如圖9所示，從圖中可以看出，縱向殘余應(yīng)力和橫向殘余應(yīng)力峰值隨預(yù)熱溫度的增加都呈下降趨勢，預(yù)熱溫度200以上，殘余拉應(yīng)力峰值低于400 MPa。

圖8 不同預(yù)熱溫度的焊縫應(yīng)力分布云圖

圖9 不同預(yù)熱溫度焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應(yīng)力分布

℃從上面的分析可得，隨著預(yù)熱溫度的升高，焊接殘余應(yīng)力的峰值降低，且壓應(yīng)力區(qū)域增大，焊接修復(fù)效果更好，但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中，預(yù)熱溫度太高一來費(fèi)用較大，二來會(huì)使焊接人員的工作環(huán)境惡化，不利于焊接過程的實(shí)施，因此在實(shí)際修復(fù)過程中選用200～250 ℃預(yù)熱較為合理。從圖中看出，橫向焊接殘余應(yīng)力出現(xiàn)驟降，可能是出現(xiàn)在預(yù)熱邊緣區(qū)，預(yù)熱邊緣處存在預(yù)熱過程不均衡導(dǎo)致熱輸入量較小，因而仿真結(jié)果出現(xiàn)這種趨勢，但并影響對(duì)于預(yù)熱溫度的選取。

2.3.2不同層厚的影響

對(duì)于多層多道焊的焊接修復(fù)涉及到層道的設(shè)計(jì)問題，同一個(gè)焊縫，可以選擇比較大的層厚，較少的焊接層數(shù)；也可以選擇較小的層厚，較多的焊接層數(shù)。不同的層道設(shè)計(jì)對(duì)焊接質(zhì)量也有一定的影響。該節(jié)選用3種層道設(shè)計(jì)見表2，研究不同層道設(shè)計(jì)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響。

表2 不同的焊縫層道數(shù)設(shè)計(jì)

不同層厚的焊接縱向殘余應(yīng)力分布如圖10所示，從圖中可以看出，層厚不同對(duì)焊接殘余應(yīng)力的分布有一定的影響，層厚較小，層數(shù)較多的焊縫殘余應(yīng)力峰值較小，因?yàn)閷雍裣嗖畈淮?，因此?yīng)力峰值也相差不大，但趨勢可以體現(xiàn)出來。這種趨勢的主要原因是層厚較小時(shí)，層道數(shù)也就越多，焊接每一層時(shí)的熱輸入較小，雖然焊接過程中總的熱輸入沒有變化，但是在焊道之間有冷卻的過程，熱輸入是間隔輸入，殘余應(yīng)力較小。

圖10 不同層厚的焊接縱向殘余應(yīng)力分布云圖

為了分析焊縫上部拉應(yīng)力區(qū)的分布，提取焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應(yīng)力分布如圖11所示，應(yīng)力分布情況相差不大，縱向應(yīng)力為拉壓趨勢，橫向應(yīng)力幾乎全為拉應(yīng)力，比較不同層厚的焊縫縱向殘余應(yīng)力的分布可以發(fā)現(xiàn)，2.0 mm層厚的焊縫的拉應(yīng)力寬度最小。焊接殘余應(yīng)力中的拉應(yīng)力容易引起試件的疲勞和裂紋。焊接拉應(yīng)力的區(qū)域越小越好，選用較小的層厚較多的層道數(shù)可以優(yōu)化焊接殘余應(yīng)力。

圖11 不同層厚焊縫上部垂直焊縫的路徑上的應(yīng)力分布

3 結(jié)論

(1)隨著預(yù)熱溫度的升高，焊接殘余應(yīng)力的峰值降低，且壓應(yīng)力區(qū)域增大，焊接修復(fù)效果更好，受焊接條件的限制，200～250 ℃預(yù)熱較為合理。

(2)層厚較小時(shí)，焊接殘余應(yīng)力的峰值也較小，且焊接拉應(yīng)力的寬度較小，宜采用較小層厚，較多層道數(shù)的焊接修復(fù)方法。