坡口形狀對(duì)Monel400合金厚板焊接殘余應(yīng)力影響的研究

高顏萌

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

試（實(shí)）驗(yàn)研究

坡口形狀對(duì)Monel400合金厚板焊接殘余應(yīng)力影響的研究

高顏萌

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

利用visual-mesh軟件，建立了兩種不同坡口形式下的20 mm厚Monel400合金板對(duì)接接頭二維有限元網(wǎng)格模型；以SYSWELD軟件為平臺(tái)，利用平均熱循環(huán)曲線法對(duì)兩種坡口形式下的多道焊焊接過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了兩種坡口形式下接頭的溫度場(chǎng)分布、殘余應(yīng)力分布、殘余變形分布等結(jié)果。結(jié)果表明，對(duì)稱型X型坡口的等效應(yīng)力值、橫向殘余應(yīng)力值及殘余變形量均小于非對(duì)稱型X型坡口。

SYSWELD 多層多道焊 數(shù)值模擬 殘余應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力是在焊接過程中不均勻溫度場(chǎng)的作用下產(chǎn)生的，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的承載能力和服役壽命會(huì)產(chǎn)生十分重要的影響，較大的殘余應(yīng)力不僅引起焊接結(jié)構(gòu)件的變形，甚至導(dǎo)致構(gòu)件的開裂而引起報(bào)廢［1］，因此有關(guān)這一問題的研究具有非常重要的實(shí)際工程價(jià)值。近年來，利用有限元數(shù)值模擬來研究焊接構(gòu)件殘余應(yīng)力的分布得到了極大的推廣及應(yīng)用，不僅節(jié)約了成本，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，更為實(shí)際生產(chǎn)提供了十分有價(jià)值的研究結(jié)果。

影響焊接殘余應(yīng)力分布及大小的因素有很多，其中焊接工藝尤為重要。在厚板焊接過程中，坡口形狀的選擇不僅影響到施焊過程的難易程度，對(duì)構(gòu)件殘余應(yīng)力及變形的大小也會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此，本文以20 mm厚Monel400合金板對(duì)接接頭為研究對(duì)象，利用焊接有限元數(shù)值模擬軟件SYSWELD，模擬對(duì)比了兩種坡口形式下接頭殘余應(yīng)力及變形的分布狀況，通過對(duì)模擬結(jié)果的分析及評(píng)價(jià)，為實(shí)際焊接過程中坡口形式的選擇及焊接工藝的優(yōu)化提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 模型的創(chuàng)建

1.1 焊接工藝的制定

本文針對(duì)兩塊規(guī)格為200 mm×100 mm×20 mm的Monel400合金厚板對(duì)接進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。Monel400屬于鎳基耐蝕合金，經(jīng)查閱相關(guān)焊接手冊(cè)并分析后決定，采用TIG焊，焊接電流為100 A，焊接電壓為16 V，焊接速度為4.5 mm/s。對(duì)于20 mm厚板，可開設(shè)X型坡口［2］，本次模擬的目的是研究坡口形狀對(duì)殘余應(yīng)力的影響，因此設(shè)計(jì)兩種坡口形式，如圖1所示，經(jīng)計(jì)算對(duì)稱型X型坡口需上下各三層六道焊縫，非對(duì)稱型X型坡口需上面四層十道焊縫，下面兩層三道焊縫。

圖1 坡口形狀（mm）

1.2 有限元網(wǎng)格模型的建立

平板對(duì)接時(shí)，焊接殘余應(yīng)力及變形主要集中在垂直焊縫方向，而在平行于焊縫方向的應(yīng)力及變形都較小，因此為了簡化模型，減小有限元模擬時(shí)的計(jì)算量，在利用SYSWELD軟件模擬厚板焊接時(shí)，可利用二維截面網(wǎng)格模型來代替接頭的三維模型。利用Visual mesh軟件所創(chuàng)建的兩種坡口形式接頭的二維網(wǎng)格模型如下頁圖2所示。焊接時(shí)，由于溫度及應(yīng)力的變化主要集中在焊縫及近縫區(qū)，因此在劃分網(wǎng)格時(shí)，焊縫及近縫區(qū)的網(wǎng)格密度要細(xì)小些，而遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)網(wǎng)格密度可以稀疏些，這樣在提高模擬計(jì)算速度的同時(shí)又可以保證計(jì)算精度和準(zhǔn)確性［3］。

圖2 二維網(wǎng)格模型

網(wǎng)格劃分完成后，需要準(zhǔn)確進(jìn)行網(wǎng)格“組”的定義，以保證SYSWELD軟件模擬時(shí)的識(shí)別。對(duì)于多道焊模擬，將母材的左右兩部分定義為C1、C2，將每道焊縫按照焊接順序依次定義為W1～Wn，將焊接線定義為TRAJ，將參考線定義為CANKAO，將起始點(diǎn)和終止點(diǎn)分別定義為SN、EN，將起始單元定義為SE，將所有的焊縫定義為ALL-WELDS，將第一道焊縫定義為WELD，將其余焊縫定義為NOT-WELDED，將母材的輪廓線定義為AIR（作為換熱面）。

2 多道焊模擬關(guān)鍵技術(shù)

厚板焊接模擬時(shí)，為了在保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確的前提下減小計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，提高計(jì)算速度，在創(chuàng)建熱源及焊接向?qū)гO(shè)置中采取了一些不同于單道焊的特殊技術(shù)。

2.1 熱源文件的創(chuàng)建

SYSWELD軟件在進(jìn)行薄板單層單道焊數(shù)值模擬時(shí)，采用的是瞬態(tài)移動(dòng)熱源的方法，即校核好的熱源模型沿焊縫以所設(shè)定的焊接速度進(jìn)行移動(dòng)完成焊接過程的模擬。這種方法若用于厚板多層多道焊時(shí)，會(huì)由于計(jì)算量超大而導(dǎo)致工程的崩潰，無法完成模擬，因此對(duì)于厚板多道焊焊接模擬，采用的是平均熱循環(huán)曲線法［4］。

平均熱循環(huán)曲線法是利用提取出的第一道焊縫中心各點(diǎn)的平均熱循環(huán)曲線，生成焊接熱源文件，然后在SYSWELD軟件的多道焊模塊中，將此熱源文件作為焊接熱源按焊道順序依次加載到各焊道上完成厚板的焊接。由于提取出的平均熱循環(huán)曲線準(zhǔn)確地表達(dá)了焊縫各點(diǎn)在加熱和冷卻過程中的溫度變化規(guī)律，因此利用這種方法所得的多道焊的模擬結(jié)果與瞬態(tài)移動(dòng)熱源法模擬結(jié)果相同，同時(shí)大大降低了計(jì)算工作量。

首先在SYSWELD熱源校核模塊中，利用3 mm Monel400合金薄板進(jìn)行熱源校核，選擇雙橢球熱源模型［5］。在焊接向?qū)е?，將校核好的熱源文件加載到第一道焊縫上，并進(jìn)行其他相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，只需完成第一道焊縫焊接過程的溫度場(chǎng)模擬計(jì)算即可。圖3為校核好的熱源所形成的熔池形狀，圖4為對(duì)稱型X型坡口只有第一道焊縫的網(wǎng)格模型。利用軟件的Display工具從溫度場(chǎng)文件中提取第一道焊縫中心區(qū)所有節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，并求平均值，之后需對(duì)所得曲線進(jìn)行簡單處理，只截取溫度變化最為劇烈的部分即可，即加熱過程和冷卻至室溫的部分。圖5所示為處理之后的平均熱循環(huán)曲線，將此曲線利用Curves DB工具保存為*.trc的格式，之后利用多道焊模塊中的Import curves into database工具將此文件導(dǎo)入，并保存到指定的*.fct函數(shù)庫中，作為多道焊模擬計(jì)算時(shí)的熱源函數(shù)。模擬過程證明，多層多道焊模擬時(shí)，利用熱循環(huán)曲線法比瞬態(tài)移動(dòng)熱源的方法可節(jié)省至少50%的時(shí)間，可大大提高工作效率。

2.2 多道焊焊接向?qū)У脑O(shè)置

熱源文件創(chuàng)建完成后，即可按照焊接向?qū)У奶崾就瓿啥嗟篮父黜?xiàng)參數(shù)的設(shè)置。需要注意的是，在加載焊縫材料性能參數(shù)時(shí)，對(duì)未焊接焊道即NOT-WELDED組，需加載空材料即Not_Yet_Deposited；在加載熱源參數(shù)時(shí)，Source Description一欄需加載函數(shù)庫中的空熱源即Dummy Heat Source，而在Intensity一欄加載之前所保存好的平均熱循環(huán)曲線作為焊道的熱源。

圖3 熔池形狀

圖4 第一焊道網(wǎng)格模型

圖5 平均熱循環(huán)曲線

3 模擬結(jié)果分析

3.1 焊接熱循環(huán)

厚板多道焊時(shí)，每道焊縫均會(huì)經(jīng)歷多次焊接熱循環(huán)，即經(jīng)歷多次的升溫和降溫的過程。圖6為本次模擬過程中對(duì)稱型X型坡口第一道和第二道焊縫交界處即X型坡口根部某點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線。由圖6可看出，由于共有12道焊縫，因此第一道焊縫中的點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷共12次的升溫及降溫過程。因所取點(diǎn)位于X型坡口根部，在焊接第一道和第二道焊縫時(shí)此點(diǎn)均被熔化，因此曲線中第一次和第二次的升溫均達(dá)到合金的熔點(diǎn)。之后由于遠(yuǎn)離焊道中心，因此之后的升溫均是由于熱量的傳遞，導(dǎo)致溫度較低。非對(duì)稱型X型坡口的焊接熱循環(huán)與此類似，不同之處在于焊道道數(shù)的不同引起各焊道升溫及降溫次數(shù)的不同，此處不再贅述。

圖6 坡口根部點(diǎn)焊接熱循環(huán)曲線

3.2 焊接殘余應(yīng)力

圖7為兩種坡口形式下焊接結(jié)束后的等效應(yīng)力分布云圖。由圖7可看出，無論哪種坡口，焊縫及近縫區(qū)應(yīng)力較高，距離焊縫越遠(yuǎn)應(yīng)力越低。非對(duì)稱型坡口應(yīng)力集中程度高于對(duì)稱型坡口，這是由于焊接時(shí)，對(duì)稱型X型坡口采取雙面對(duì)稱焊道交替焊接的方法，而對(duì)于非對(duì)稱型X型坡口，則采用焊完一面所有焊道之后再焊另一面的方法，因此對(duì)稱型坡口兩面的應(yīng)力可以互相抵消，使其殘余應(yīng)力降低。

圖8為兩種坡口沿厚度方向中心截面處等效應(yīng)力曲線及橫向殘余應(yīng)力曲線，其中橫坐標(biāo)值100 MPa對(duì)應(yīng)于焊縫中心。由圖8-1及圖8-2可看出，焊縫中心等效應(yīng)力最大，對(duì)稱型坡口最大等效應(yīng)力值在600 MPa至700 MPa之間，而非對(duì)稱型坡口最大等效應(yīng)力值接近800 MPa。由此也可看出非對(duì)稱型坡口的應(yīng)力集中程度要大于對(duì)稱型坡口。由圖8-3及圖8-4可以看出，兩種坡口厚度方向中心截面的焊縫中心橫向殘余應(yīng)力皆為殘余壓應(yīng)力，而遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)為殘余拉應(yīng)力，這是由于此處為X型坡口的第一、二焊道處，最先焊接，最先冷卻至室溫，受之后焊道膨脹的影響產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。另外，由圖8-3及圖8-4還可看出，對(duì)稱型坡口中心殘余壓應(yīng)力最大值接近-400 MPa，小于非對(duì)稱型坡口的壓應(yīng)力值，也可說明非對(duì)稱型坡口的殘余應(yīng)力大于對(duì)稱型坡口。

圖7 等效應(yīng)力云圖

3.3 焊后形變

下頁圖9為兩種坡口放大5倍之后的焊后殘余形變分布云圖。由圖9可看出，形變主要分布在熱影響區(qū)附近，焊縫中心的形變量反而要低些。這是由于在焊接過程中，熱影響區(qū)雖受熱但溫度達(dá)不到熔點(diǎn)，因此變形不能自由進(jìn)行，受到周圍環(huán)境變化尤其是焊縫熔化金屬的熱脹冷縮影響較大。另外，對(duì)稱型坡口的形變量要遠(yuǎn)小于非對(duì)稱型坡口形變量，這也符合殘余應(yīng)力的分布狀況。

4 結(jié)論

1）將熱循環(huán)曲線法應(yīng)用于多道焊的數(shù)值模擬，可大大減小計(jì)算量，提高模擬速度。

圖8 殘余應(yīng)力曲線

2）應(yīng)力主要集中在焊縫及附近區(qū)域，而在遠(yuǎn)離焊縫處應(yīng)力集中相對(duì)較小。

圖9 焊后形變?cè)茍D

3）非對(duì)稱型X型坡口的應(yīng)力集中程度比對(duì)稱型X型坡口的嚴(yán)重，并且其等效應(yīng)力值和橫向殘余應(yīng)力值都較大，因此引起接頭產(chǎn)生較大的殘余變形，在實(shí)際焊接時(shí)應(yīng)盡量選用對(duì)稱焊接的方法。

［1］ 方洪淵.焊接結(jié)構(gòu)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［2］ 杜國華.實(shí)用工程材料焊接手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：20-25.

［3］ 蘇杭，常榮輝，倪家強(qiáng).基于SYSWELD的焊接模擬仿真［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（2）：79-82.

［4］ 杜博睿，郭邵慶，李能.超高強(qiáng)度不銹鋼厚板多道TIG焊溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.焊接，2014（12）：37-41.

［5］ 李瑞英，趙明，吳春梅.基于SYSWELD的雙橢球熱源模型參數(shù)的確定［J］.焊接學(xué)報(bào)，2014，35（10）：93-96.

（編輯：胡玉香）

Research on Effect of Groove Shape on Monel400 Alloy Thick Plate Welding Residual Stress

Gao Yanmeng
（College of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi 037003）

Based on two different forms of groove，the two-dimensional finite element mesh model of the 20 mm thick butt joint with Monel400 alloy is established by visual-mesh software.With SYSWELD software for the platform，the numerical simulation of the multi-channel welding process of two groove forms are carried out with the method of the average thermal cycle curve.Then，the results，including the temperature field distribution，the residual stress distribution，the residual deformation distribution，are obtained.The results shows that the equivalent stress value，the transverse residual stress value and the residual deformation of the symmetrical X type groove are all less than the asymmetric X type groove.

SYSWELD，multilayer multi-channel welding，numerical simulation，residual stress

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2015.06.09

TG404

A

1672-1152（2015）06-0025-04

2015-10-09

高顏萌（1986—），女，碩士，助教，研究方向：現(xiàn)代材料加工。