雙相不銹鋼大熔深TIG焊接頭疲勞裂紋擴展數(shù)值模擬

周曉松，鄒 瑩

(南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

雙相不銹鋼兼具鐵素體和奧氏體的優(yōu)點，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。與傳統(tǒng)TIG焊相比，大熔深TIG焊在外層保護(hù)氣體中加入少量活性氣體，有效增加熔深的同時能保護(hù)電極不被氧化。Zou等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)，大熔深TIG焊能夠有效提高雙相不銹鋼的焊接效率，若將活性元素的濃度控制在合理范圍內(nèi)，可保證接頭總體力學(xué)性能良好。

焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞性能尤為重要。絕大多數(shù)機械設(shè)備結(jié)構(gòu)件的斷裂失效由疲勞引起，因此疲勞問題也逐漸引起學(xué)者重視[6-9]。了解疲勞裂紋的擴展行為及機理，對提高工程結(jié)構(gòu)的壽命和服役安全性具有重要的意義。本文對不同保護(hù)氣體條件下的雙相不銹鋼焊接接頭中疲勞裂紋的擴展行為進(jìn)行數(shù)值模擬研究，深入分析其擴展機理，為疲勞裂紋擴展問題提供合理的預(yù)測依據(jù)。

1 疲勞裂紋分析理論基礎(chǔ)

疲勞裂紋擴展速率的變化規(guī)律一般用Paris公式[10]描述，其直觀地將裂紋尖端應(yīng)力場和裂紋擴展速率聯(lián)系在一起，在工程中廣泛使用。其表達(dá)式為：

式中：a為裂紋長度；N為疲勞循環(huán)次數(shù)；ΔK為應(yīng)力強度因子幅值；c和m是Paris公式中的材料相關(guān)參數(shù)，其中m與載荷性質(zhì)類型、構(gòu)件形狀均無關(guān)。圖1[11]描述了疲勞裂紋擴展完整過程的3個階段——裂紋萌生(Ⅰ區(qū))、穩(wěn)定擴展(Ⅱ區(qū))和失穩(wěn)破壞(Ⅲ區(qū))。焊接結(jié)構(gòu)件中的初始缺陷可能會成為疲勞裂紋源，其存在表示裂紋萌生階段(Ⅰ區(qū))已結(jié)束。材料在失穩(wěn)破壞階段(Ⅲ區(qū))會很快失效，該階段所經(jīng)歷的疲勞循環(huán)周次占總體疲勞壽命的比重較小。故對于焊接接頭疲勞裂紋擴展行為需重點分析裂紋擴展階段(Ⅱ區(qū))。

圖1 裂紋擴展不同階段示意圖

在數(shù)值模擬計算中，若用傳統(tǒng)有限元法(FEM)對裂紋進(jìn)行表征和計算，需對裂紋尖端附近網(wǎng)格不斷進(jìn)行密化和重構(gòu)，將很復(fù)雜并帶來龐大的工程量。Belytschko等[12]提出了擴展有限元法(XFEM)，即在FEM的基礎(chǔ)上，加入帶有非連續(xù)性的加強函數(shù)以表示計算域內(nèi)的間斷，通過求解水平集方程，描述裂紋位置的動態(tài)變化過程，該方法在斷裂等強不連續(xù)問題計算方面有一定的優(yōu)越性。

本文基于Paris理論和XFEM方法，在有限元分析軟件ABAQUS中對焊接接頭疲勞裂紋擴展行為進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2 疲勞試驗及模型創(chuàng)建

2.1 疲勞試驗

在一定的焊接條件下(焊接電流150 A，焊接速度2 mm/s，保護(hù)氣流量15 L/min，鎢極直徑2.4 mm，電弧長度3 mm)，分別使用傳統(tǒng)TIG焊(純Ar保護(hù))和大熔深TIG焊(Ar+0.4%O2保護(hù))對2205雙相不銹鋼板(尺寸為200 mm×100 mm×12 mm)進(jìn)行焊接。焊后對兩種不同保護(hù)氣體條件下的焊接接頭截面形狀進(jìn)行觀察，通過測量熔寬和熔深，發(fā)現(xiàn)大熔深TIG焊縫的深寬比明顯增加，從傳統(tǒng)TIG焊的0.17提高至0.82。

不同氣體保護(hù)焊的焊接接頭在去除焊縫余高后，于圖2(a)所示的位置按圖2(b)所示尺寸取樣，并進(jìn)行疲勞試驗。試樣承受恒幅應(yīng)力循環(huán)載荷，以頻率為60 Hz的正弦波形式加載。最大載荷取各試樣焊縫區(qū)抗拉強度的80%，應(yīng)力比R取0.6。試驗所得疲勞壽命將與后續(xù)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

圖2 疲勞試樣取樣位置及尺寸示意圖

2.2 數(shù)值模型建立

焊后對焊接接頭不同區(qū)域尺寸進(jìn)行測量，基于所測實際尺寸，采用SolidWorks建立不同保護(hù)氣體條件下焊接接頭疲勞試樣的三維模型。由于熔合區(qū)很小，因此焊接接頭模型僅考慮焊縫區(qū)及熱影響區(qū)，截面尺寸如圖3所示。

圖3 疲勞試樣三維模型及尺寸示意圖

所用2205雙相不銹鋼的彈性模量為210 GPa，泊松比為0.27，密度為7.80 g/cm3，屈服強度為450 MPa。其化學(xué)成分見表1。

表1 2205雙相不銹鋼的化學(xué)成分 %

在ABAQUS中完成模型建立及材料屬性賦予后，于焊縫中心預(yù)制尺寸為0.10 mm×0.05 mm的長方形初始裂紋，如圖4所示。焊接接頭部分(焊縫區(qū)和熱影響區(qū))單元網(wǎng)格尺寸取0.3 mm，非焊接接頭部分取0.5 mm，網(wǎng)格類型為C3D8R。模擬所采用的疲勞載荷條件與試驗條件相同，邊界條件設(shè)置為一端固支，另一端承受循環(huán)載荷。

圖4 疲勞試樣網(wǎng)格劃分及初始裂紋位置

3 基于XFEM的疲勞裂紋擴展分析

3.1 疲勞壽命對比

將基于XFEM的數(shù)值模擬所得的焊接接頭疲勞壽命與試驗值進(jìn)行對比，見表2。由表可知，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合程度較高，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性較高。

表2 疲勞試驗與模擬擴展壽命對比

3.2 應(yīng)力場分布

圖5為不同保護(hù)氣體條件下焊接接頭裂紋尖端x-y平面的Mises應(yīng)力分布云圖。由圖可以看出，裂紋擴展過程中，其尖端始終存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，驅(qū)使裂紋不斷向外擴展。傳統(tǒng)TIG焊接頭試樣的疲勞裂紋周邊高應(yīng)力區(qū)范圍較大，導(dǎo)致其疲勞壽命較短。

圖5 焊接接頭裂紋尖端x-y平面Mises應(yīng)力分布云圖

3.3 疲勞裂紋破壞情況

模擬所得兩種接頭試樣的破壞位置幾乎相同，如圖6所示，均為焊縫中心，裂紋擴展路徑為直線或類直線。圖7為焊接接頭疲勞試驗破壞位置實物圖。模擬破壞位置與疲勞試驗破壞位置高度一致，表明模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性較高。

圖6 焊接接頭模擬破壞位置

圖7 實物疲勞試驗破壞位置

根據(jù)疲勞裂紋擴展的特點，將裂紋的擴展分為兩個階段。第一階段為裂紋在厚度方向上未穿透階段，第二階段為厚度方向穿透后，裂紋沿焊縫方向繼續(xù)擴展階段。兩種接頭試樣的伸長量模擬結(jié)果如圖8所示。由圖可知，傳統(tǒng)TIG焊接頭的斷后伸長量小于大熔深TIG焊接頭的斷后伸長量，第一階段二者的伸長量接近，均小于第二階段的伸長量。大熔深TIG焊接頭第二階段的伸長量大于傳統(tǒng)TIG焊。第二階段伸長量較第一階段明顯增加的原因是厚度方向穿透后，試樣承受疲勞載荷的面積變小，單位面積承載增大，試樣更容易變形。

圖8 兩種接頭試樣的伸長量模擬結(jié)果

3.4 擴展速率對比

通過對比兩種焊接接頭疲勞裂紋面積隨循環(huán)次數(shù)的變化情況，研究疲勞裂紋的擴展速率。裂紋面積隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線如圖9所示，圖中豎直虛線表示裂紋厚度方向穿透時的臨界循環(huán)次數(shù)。由圖可知，裂紋剛開始擴展時，在兩種接頭中的擴展速度均較慢。在厚度方向穿透后，擴展速率激增，其原因是形成貫穿裂紋后，承載面積減小，裂紋尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象更加明顯，擴展速率亦隨之增加。傳統(tǒng)TIG焊接頭試樣中，裂紋在厚度方向上穿透前的循環(huán)次數(shù)較少，穿透后擴展速率明顯加快，即短時間內(nèi)，裂紋便迅速擴展進(jìn)入失穩(wěn)階段，故其疲勞壽命較低。大熔深TIG焊接頭試樣裂紋在厚度方向上穿透較晚，且在穿透后經(jīng)歷了更多循環(huán)次數(shù)才發(fā)生破壞，故其疲勞壽命較長。

圖9 裂紋面積隨循環(huán)次數(shù)變化曲線圖

4 結(jié)論

本文通過建立不同保護(hù)氣體條件的焊接接頭模型，基于擴展有限元法研究了不同焊接接頭中疲勞裂紋的擴展行為，得到以下結(jié)論：

1)大熔深TIG焊接頭的疲勞壽命優(yōu)于傳統(tǒng)TIG焊接頭的疲勞壽命。模擬所得焊接接頭疲勞壽命與試驗值基本吻合，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性較高。

2)不同保護(hù)氣體條件的焊接接頭中，疲勞裂紋擴展路徑大致相同，擴展初期裂紋尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。傳統(tǒng)TIG焊接頭裂紋在厚度方向貫穿后，擴展速率迅速增加，快速到達(dá)失穩(wěn)階段，發(fā)生疲勞破壞。大熔深TIG焊接頭在厚度方向上穿透較晚，且穿透后擴展速率較慢，故其抗疲勞性能較好。