殘余應(yīng)力對(duì)GH3230層板焊縫熱疲勞壽命影響規(guī)律研究

董志波 李承昆 王程程 韓放 張植航 滕俊飛 呂彥龍

摘要：

為了探究殘余應(yīng)力對(duì)層板冷卻結(jié)構(gòu)焊縫服役壽命的影響規(guī)律，首先對(duì)GH3230層板在常規(guī)條件下的激光焊接過程進(jìn)行有限元模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)預(yù)拉伸、溫差拉伸等焊接殘余應(yīng)力調(diào)控方法開展模擬?；诤负髿堄鄳?yīng)力模擬結(jié)果研究了層板服役過程的溫度及等效應(yīng)力變化規(guī)律，并將多個(gè)模型之間不同殘余應(yīng)力下服役狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，最后利用Morrow修正的Coffin-Manson方程對(duì)焊縫后續(xù)服役壽命進(jìn)行評(píng)估。研究結(jié)果表明，焊接殘余應(yīng)力的存在大幅降低了層板結(jié)構(gòu)焊縫區(qū)域熱疲勞壽命，通過殘余應(yīng)力調(diào)控技術(shù)可有效改善焊縫區(qū)域服役過程中的應(yīng)力幅或平均應(yīng)力，使其分別下降70%與25%，焊接殘余應(yīng)力調(diào)控對(duì)提高層板結(jié)構(gòu)熱疲勞壽命具有重要意義。

關(guān)鍵詞：層板結(jié)構(gòu)；殘余應(yīng)力；熱應(yīng)力；疲勞壽命

中圖分類號(hào)：TG156

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.06.015

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Influence Rules of Residual Stress on Thermal Fatigue Life of

GH3230 Laminate Welds

DONG Zhibo1? LI Chengkun1? WANG Chengcheng1? HAN Fang1? ZHANG Zhihang1

TENG Junfei2? LYU Yanlong2

1.National Key Laboratory of Precision Welding & Joining of Materials and Structures，

Harbin Institute of Technology，Harbin，150001

2.AVIC Manufacturing Technology Institute，Beijing，100024

Abstract： In order to investigate the influences of residual stress on the service life of weld seams of laminate cooling structures， first of all， finite element simulation and experimental verification were carried out on the laser welding processes of GH3230 laminate under conventional conditions. Then corresponding regulated approaches including pre-stretching and thermotensile et al. were simulated and analyzed. Afterwards， the evolutions of temperature and equivalent stress during service periods with and without residual stress were studied respectively. The service life was later evaluated using Coffin-Manson model modified by Morrow. The results demonstrate the thermal fatigue life caused by residual stress is significantly decreased. Furthermore， the stress amplitude and the mean stress while servicing， which decreasing 70% and 25% respectively， are effectively improved using regulating approaches mentioned above. Regulating welding residual stress is of vital importance for improving the thermal fatigue life of laminate structures.

Key words： laminated structure; residual stress; thermal stress; fatigue life

收稿日期：20231018

基金項(xiàng)目：航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)重大專項(xiàng)（J2019-Ⅶ-0012-0152）

0? 引言

GH3230為Ni-Cr基固溶強(qiáng)化變形高溫合金，具有較高的高溫強(qiáng)度、優(yōu)異的抗氧化性與熱穩(wěn)定性，工作溫度可達(dá)1050 ℃。同時(shí)該合金具有良好的焊接性，常用于制造先進(jìn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件［1-3］。此類熱端部件在復(fù)雜熱載荷作用下承受不均勻熱應(yīng)力，極易產(chǎn)生疲勞損傷失效行為［4］。同時(shí)焊接殘余應(yīng)力、塑性變形的存在導(dǎo)致構(gòu)件熱疲勞壽命縮短，使結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析更加復(fù)雜。

針對(duì)復(fù)雜熱載荷下工件熱疲勞壽命的評(píng)估，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作。TUNTHAWIROON等［5］對(duì)鋁合金壓鑄模在不同溫度和機(jī)械應(yīng)變下的熱疲勞行為進(jìn)行研究，討論了溫度和機(jī)械應(yīng)變對(duì)熱疲勞壽命的影響。張仕朝等［6］通過GH3030的低周疲勞試驗(yàn)，應(yīng)用Coffin-Manson公式，探究了不同應(yīng)變比下的應(yīng)變壽命。李錦娟等［7］探究了三種溫度下應(yīng)變比為1時(shí)的應(yīng)變疲勞行為，運(yùn)用Coffin-Manson模型和含有疲勞極限的應(yīng)變疲勞公式，擬合了應(yīng)變壽命關(guān)系曲線并進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)。蔡顯杰等［8］建立了壓鑄模鑲塊在壓鑄過程的熱力耦合數(shù)值分析模型，將材料參數(shù)和仿真結(jié)果代入經(jīng)典低周疲勞壽命預(yù)測(cè)Coffin-Manson模型中，對(duì)其熱疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

焊接接頭往往是焊接結(jié)構(gòu)中最危險(xiǎn)的部位，而目前國(guó)內(nèi)外研究中，針對(duì)工件焊接接頭熱疲勞壽命評(píng)估的研究較少。本文所涉及的層板冷卻結(jié)構(gòu)在雙層壁內(nèi)存在大量冷卻通道，在具有高冷卻效率的同時(shí)導(dǎo)致了溫度場(chǎng)分布不均，在焊縫區(qū)域引發(fā)不均勻的熱應(yīng)力，并與焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)互相影響，雖然預(yù)拉伸、溫差拉伸等應(yīng)力調(diào)控方法可以顯著降低焊后殘余應(yīng)力峰值，改變殘余應(yīng)力分布模式，但對(duì)焊接接頭熱疲勞壽命的影響尚不明確，未見相關(guān)研究報(bào)道。

本文利用有限元數(shù)值模擬方法在MSC.Marc軟件中建立典型的層板密排陣列孔柱結(jié)構(gòu)常規(guī)激光焊模型，并在此基礎(chǔ)上分析預(yù)拉伸、溫差拉伸對(duì)焊接溫度和應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的影響。最后分別模擬了不同應(yīng)力調(diào)控方法的焊后服役過程，在局部應(yīng)力應(yīng)變法的理論框架下應(yīng)用Morrow修正的Coffin-Manson公式對(duì)該結(jié)構(gòu)不同焊接調(diào)控方法處理后的焊縫熱疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估。

1? 層板激光焊及服役過程模擬

1.1? GH3230層板有限元模型

圖1為現(xiàn)有的典型層板結(jié)構(gòu)示例，本文依據(jù)這類結(jié)構(gòu)形式建立了GH3230 層板有限元模型，如圖2所示。有限元模型尺寸為140 mm×110 mm×2.1 mm，由八節(jié)點(diǎn)六面體單元組成，焊縫處采用過渡網(wǎng)格，最密集處焊縫單元格尺寸為0.2 mm，最終模型的單元數(shù)為38 656，節(jié)點(diǎn)數(shù)為58 951。

1.2? 材料特性

GH3230合金材料密度為8.9 g/cm3，熔化溫度為1310 ℃。本文進(jìn)行模擬計(jì)算所需要的合金熱物性參數(shù)如圖3所示，計(jì)算過程涉及圖中所示溫度范圍以外的數(shù)據(jù)均采用線性外推法獲得［9］。

1.3? 激光焊及應(yīng)力調(diào)控過程模擬

GH3230 層板焊接方法采用激光焊，光斑直徑為0.3 mm，激光功率為2300 W，焊接速度為30 mm/s。模擬過程中焊接熱源模型采用高斯表面熱源與圓柱體熱源模型相疊加［9］，其中高斯面熱源曲面半徑為1.6 mm，旋轉(zhuǎn)體熱源半徑為1 mm，深度為2 mm。圖1所示模型中所有與外界環(huán)境接觸的表面（包括內(nèi)部孔道）設(shè)置了換熱邊界條件，層板初始溫度與外界環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃。

激光焊模擬過程中未考慮熔池上下表面的變形和熔池金屬的蒸發(fā)，焊接前對(duì)圖2中框選區(qū)域范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)施加x、y、z三個(gè)方向的位移約束，焊接結(jié)束冷卻完成后卸載。在預(yù)拉伸模型中，施加位移約束前對(duì)圖2所示①區(qū)域單元面施加70%材料常溫屈服強(qiáng)度的拉應(yīng)力，在焊接結(jié)束冷卻完成后，先卸掉拉力，后去除位移約束。在溫差拉伸模型中，對(duì)圖2所示①區(qū)域下方施加外界環(huán)境為200 ℃的強(qiáng)換熱條件，在兩塊①區(qū)域之間的下表面施加40 ℃的強(qiáng)換熱條件，模擬溫差拉伸時(shí)的實(shí)際工況。

1.4? 服役過程模擬

對(duì)于層板實(shí)際服役所受的復(fù)雜載荷，在服役過程模擬中依據(jù)文獻(xiàn)［10］采用圖4所示的載荷譜，服役過程中最高外界環(huán)境溫度為1100 ℃，最低環(huán)境溫度為130 ℃。同時(shí)模擬燃?xì)鈿鈮?，在層板上表面施?00 kPa的均布?jí)毫Α?/p>

在研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)熱疲勞壽命的影響時(shí)，將激光焊模擬的應(yīng)力、應(yīng)變與型面變形結(jié)果作為服役的初始條件導(dǎo)入模型。為了保證模型計(jì)算結(jié)果收斂，在焊縫背面一側(cè)部分節(jié)點(diǎn)施加z向的位移固定約束。

2? 模擬結(jié)果分析與討論

2.1? 激光焊及服役過程模擬結(jié)果分析

開展與有限元模擬相同尺寸板材的激光焊接實(shí)驗(yàn)，同時(shí)采用K型熱電偶記錄圖2中②點(diǎn)的焊接過程熱循環(huán)曲線，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。按照AESM E837-20采用盲孔法對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力測(cè)量，測(cè)點(diǎn)分布、測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比如圖6所示。圖6測(cè)量編號(hào)1，3，5，7分別代表a、b、c、d四點(diǎn)的縱向應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，測(cè)量編號(hào)2，4，6，8分別代表a、b、c、d四點(diǎn)的橫向應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。熱循環(huán)曲線與應(yīng)力場(chǎng)的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了本研究構(gòu)建的有限元模型的有效性，為后續(xù)分析的準(zhǔn)確性提供了保障。應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的誤差主要由測(cè)量過程中打孔深度偏差、鉆孔對(duì)中度偏差、應(yīng)變片測(cè)量精度誤差、模擬中相變考慮缺失等因素導(dǎo)致［11］。

圖7分析了三種焊接過程焊后焊縫中心的等效米塞斯應(yīng)力。由結(jié)果可知，溫差拉伸、預(yù)拉伸可大幅降低焊縫中心區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力。溫差拉伸對(duì)應(yīng)力的減小效果相對(duì)于預(yù)拉伸對(duì)應(yīng)力的減小效果更加均勻。由于預(yù)拉伸施加的拉力在焊縫兩側(cè)且拉力范圍較寬，在焊縫兩端處力線分布較少，預(yù)拉伸的作用效果下降，導(dǎo)致焊縫兩端應(yīng)力分布較為復(fù)雜。

2.2? 服役過程模擬結(jié)果分析

圖8表征了GH3230層板服役過程不同時(shí)刻溫度場(chǎng)差異。圖8a的時(shí)間和外界環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)圖4中A時(shí)刻，圖8b對(duì)應(yīng)圖4中B時(shí)刻，焊接路徑方向由圖2中P1點(diǎn)指向P2點(diǎn)。圖9則表征了焊縫整體溫度隨時(shí)間變化。由結(jié)果可知，

層板結(jié)構(gòu)孔道區(qū)域具有較強(qiáng)的換熱能力，在高溫階段具有比焊縫區(qū)域更高的溫度，在低溫階段溫度反而更低。層板結(jié)構(gòu)焊縫區(qū)域受熱均勻，各個(gè)位置沒有明顯的溫度差異，說明孔道區(qū)域在服役過程中與其他區(qū)域的溫差并未影響焊縫。

為了探究焊接殘余應(yīng)力對(duì)層板服役壽命的影響，假設(shè)層板中部區(qū)域無焊縫，且為一個(gè)整體，對(duì)其服役過程中焊縫區(qū)域等效應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行分析，如圖10所示。其中焊縫邊緣對(duì)應(yīng)圖2中P1區(qū)域，距離焊縫端部5 mm;焊縫近邊緣對(duì)應(yīng)圖2中P2區(qū)域，距離端部40 mm;焊縫中心對(duì)應(yīng)圖2中P3區(qū)域。層板結(jié)構(gòu)在服役狀態(tài)下，因整體溫度分布不均，導(dǎo)致焊縫區(qū)域出現(xiàn)不均勻熱應(yīng)力，表現(xiàn)為中心熱應(yīng)力幅值大，兩端熱應(yīng)力幅值小，端部存在最大值。由于模型未焊接，因此焊縫中心初始應(yīng)力為0，

在服役初始階段，焊縫中心的熱應(yīng)力峰值最大，接近330 MPa，100 s后熱應(yīng)力循環(huán)趨于穩(wěn)定。

以焊縫中心點(diǎn)為例，模擬不同應(yīng)力調(diào)控方法焊接后的服役過程，分析焊接殘余應(yīng)力對(duì)服役過程熱應(yīng)力循環(huán)的影響，結(jié)果如圖11所示。在進(jìn)入穩(wěn)定循環(huán)后，應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在焊縫與孔道區(qū)域溫差最高點(diǎn)。在未焊接時(shí)，低溫階段溫差最高時(shí)應(yīng)力最大，隨著溫度升高，孔道區(qū)域溫度迅速升高，達(dá)到與焊縫區(qū)域相近的溫度水平后，整個(gè)板材溫度場(chǎng)變得均勻，因不均勻溫度場(chǎng)導(dǎo)致的熱應(yīng)力迅速降低。隨后，孔道溫度繼續(xù)升高，產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，導(dǎo)致焊縫區(qū)域應(yīng)力再次增大，并在升溫階段溫差的最高點(diǎn)達(dá)到第二峰值。溫度降低后，在均勻的溫度場(chǎng)下再次出現(xiàn)最低應(yīng)力。未焊接試件在穩(wěn)定服役過程中焊縫中心最大應(yīng)力為93 MPa，最小應(yīng)力為2 MPa，應(yīng)力幅的平均值為45 MPa。

焊接導(dǎo)致服役過程中的應(yīng)力循環(huán)數(shù)值發(fā)生變化，基本規(guī)律依然相同。在焊縫溫度與孔道溫度的溫差最大點(diǎn)依然會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力峰值，但最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在高溫階段，在低溫階段的應(yīng)力峰值很小。同時(shí)可知焊接會(huì)導(dǎo)致服役過程中的熱應(yīng)力大幅升高，應(yīng)力幅平均值提高至147 MPa，預(yù)拉伸、溫差拉伸能夠一定程度上減小服役應(yīng)力，應(yīng)力幅平均值分別為144 MPa、110 MPa。預(yù)拉伸使得服役過程應(yīng)力變化幅度減小，溫差拉伸雖然降低了應(yīng)力幅的平均值，但其應(yīng)力變化幅度較大，預(yù)期會(huì)對(duì)疲勞壽命造成不利影響。

3? 層板結(jié)構(gòu)焊縫區(qū)域服役壽命估算

3.1? 疲勞壽命估算方法

以Coffin-Manson公式為基礎(chǔ)的局部應(yīng)力應(yīng)變法被廣泛應(yīng)用于工件熱疲勞壽命分析［12］。在應(yīng)力比為-1時(shí)，彈性應(yīng)變幅與疲勞壽命的關(guān)系可表示為

εea=Δεe2=σaE=σ′fE（2Nf）b（1）

式中，2Nf為疲勞壽命；E為彈性模量；εea為彈性應(yīng)變幅；Δεe為彈性應(yīng)變范圍；σa為應(yīng)力范圍；σ′f為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)。

塑性應(yīng)變幅與疲勞壽命的關(guān)系可表示為

εpa=Δεp2=ε′f（2Nf）c（2）

式中，εpa為塑性應(yīng)變幅；Δεp為塑性應(yīng)變范圍；ε′f為疲勞韌性系數(shù)；c為疲勞韌性指數(shù)。

總應(yīng)變幅εa為彈性應(yīng)變幅與塑性應(yīng)變幅之和，即Coffin-Manson公式［13］：

εa=εea+εpa=σ′fE（2Nf）b+ε′f（2Nf）c（3）

對(duì)于非對(duì)稱的應(yīng)變循環(huán)，上述公式應(yīng)進(jìn)行平均應(yīng)力修正，即

εa=σ′f－σmE（2Nf）b+ε′f（2Nf）c（4）

式中，σm為平均應(yīng)力。

通過帶有平均應(yīng)力修正的Coffin-Manson公式可以估算此類層板熱疲勞壽命，并分析焊接殘余應(yīng)力對(duì)壽命帶來的影響。

3.2? 焊縫中心熱疲勞壽命評(píng)估

GH3230的疲勞性能參數(shù)［14］如表1所示，通過數(shù)值模擬方法獲得服役過程的總應(yīng)變幅值和應(yīng)力幅值后，代入式（4）計(jì)算即可獲得疲勞壽命。

在計(jì)算壽命時(shí)取所選位置的五個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，最終計(jì)算結(jié)果如表2所示。結(jié)合計(jì)算結(jié)果可知，焊接會(huì)大幅降低疲勞壽命，預(yù)計(jì)服役壽命僅為未焊接時(shí)服役壽命的17%，溫差拉伸對(duì)疲勞壽命的改善效果不明顯，而預(yù)拉伸對(duì)疲勞壽命的改善效果較好，使焊后疲勞壽命提高約1.4倍。溫差拉伸雖然能夠降低服役過程中的應(yīng)力平均值，但應(yīng)力幅依然較大，對(duì)疲勞壽命造成不利影響。預(yù)拉伸雖然對(duì)服役過程應(yīng)力均值影響較小，但可大幅改善應(yīng)力幅，進(jìn)而改善疲勞壽命［15-16］。

4? 結(jié)論

（1）服役過程層板特殊結(jié)構(gòu)引發(fā)不均勻溫度場(chǎng)，由此帶來的熱應(yīng)力是結(jié)構(gòu)失效的重要原因?？椎绤^(qū)域與焊縫區(qū)域溫差與焊縫區(qū)域熱應(yīng)力數(shù)值正相關(guān)。

（2）焊接殘余應(yīng)力會(huì)大幅降低層板結(jié)構(gòu)熱疲勞壽命。焊后服役的應(yīng)力均值相比于未焊接提高了約1.4倍。

（3）預(yù)拉伸、溫差拉伸等方法均可改善焊接對(duì)服役過程帶來的影響。溫差拉伸能夠降低服役過程25%的應(yīng)力均值，但對(duì)應(yīng)力幅改善效果差，因此預(yù)拉伸對(duì)疲勞壽命的改善效果更好。

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（編輯? 王艷麗）

作者簡(jiǎn)介：

董志波（通信作者），男，1975年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)力學(xué)及可靠性評(píng)價(jià)。E-mail：dongzhb@hit.edu.cn。